第57卷第**期 2021 年*月 机  械  工  程  学  报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.57  No.** ***     2021 激光同轴熔注球形 WC 增强颗粒的工艺参数研究*王  梁 1, 2    罗  建 1, 2      胡  勇 1, 2    夏洪超 1, 2    姚建华 1, 2(1. 浙江工业大学激光先进制造研究院    杭州    310014； 2.  浙江工业大学高端激光制造装备省部共建协同创新中心    杭州    310014)摘要：采用同轴送粉方式作为粉末输送形式，以球形 WC 为熔注增强颗粒，探究激光熔注制备 WC 颗粒增强金属基复合材料涂层的工艺参数临界条件。通过建立运动过程中增强颗粒的速度模型与温升模型，分析喷射过程中增强颗粒温度与激光功率、颗粒尺寸以及颗粒初始速度之间的关系，进而获得激光同轴熔注 WC 过程中，确保颗粒保持固态的颗粒尺寸、激光功率和颗粒初始速度等工艺参数的临界条件。同时对不同直径的球形 WC 颗粒进行了同轴熔注试验验证。计算和试验结果表明：在扫描速度为 6 mm/s，送粉率为 10 g/min 的条件下，当激光功率密度为 119  W/mm2时，为保证颗粒保持固态，颗粒的直径须大于 75 μm。如需要注入直径小于 75 μm 的 WC 颗粒，则必须降低激光功率密度至 95 W/mm2以下。 关键词：激光同轴熔注；增强颗粒；数值计算；球形 WC 中图分类号：TG111；TN249 Study on Process Parameters of Coaxial Laser Melt Injection with Spherical WC Reinforcement Particles   WANG Liang1, 2   LUO Jian1, 2   HU Yong1, 2   XIA Hongchao1, 2   YAO Jianhua1, 2 (1. Institute of Laser Advanced Manufacturing, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014; 2. Zhejiang Provincial Collaborative Innovation Center of High-end Laser Manufacturing Equipment, ZhejiangUniversity of Technology, Hangzhou 310014) Abstract：A movement model and a thermal model of the reinforcement particles are built to study the temperature of particles with different laser power, WC particle diameters and particle initial velocity in the processes of the coaxial laser melt injection. The critical conditions of WC particle diameters, laser power and particle initial velocity are studied to achieve coaxial laser melt injection preparation of the WC  particle reinforced metal matrix composite coating, and the WC particle with different diameters have been chosen to inject into 316 stainless steel. The calculation and experimental results show that when scanning speed is 6 mm/s, powder feeding rate is 10 g/min, the laser power density is 119 W/mm2, in order to ensure remaining the particles solid state, the particles diameter is proper to be larger than 75 μm under the current coaxial powder feeding nozzle and laser process parameters. To ensure injecting WC particles without melting, the particles diameter is proper to be less than 75 μm and the laser power density has to be reduced below 95 W/mm2. Key words：coaxial laser melt injection；reinforcement particles；numerical calculation；spherical WC 0   前言* 激光熔注(Laser  melt  injection)技术是由美国海军试验室 AYERS等[1]于 1980 年发明，该技术利用* 国家重点研发计划(2017YFB1103600)、国家自然科学基金(51705464)和浙江省属高校基本科研业务费(RF-C2019003)资助项目。20200316收到初稿，20201208收到修改稿高功率密度的激光束在金属表面形成熔池，同时将增强颗粒直接注入到熔池中，在熔池快速冷却过程中，注入颗粒被迅速“冻结”来不及熔化，从而形成颗粒增强的金属基复合材料[2-5]。在传统的激光熔注试验中，一般不采用同轴送粉形式而采用侧向送粉形式，因为侧向熔注能够避免粉末颗粒在进入熔池之前受到激光直接照射[6-9]。但是，侧向熔注方式存在着一些应用的局限性：如需要导热系数低的基网络首发时间：2021-03-05 15:19:14网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.th.20210304.1544.090.html机  械  工  程  学  报  第57卷第**期期  2 体和较大的激光功率，以形成较长的熔池“拖尾”，使得颗粒能注入到熔池的“拖尾”处；由于须将颗粒准确地注入到熔池后方，工艺参数的调整难度较大[10-12]，这使得颗粒注入的区域及时间都受到了限制。LIU 等[13]为减少铸造 WC 与基体的反应，将铸造WC颗粒以相对于基体表面法线方向35°注入熔池，对激光熔注过程中铸造 WC 颗粒与基体的界面反应进行了试验研究。林守刚等[14]在送粉角度约为30°且与各工艺参数严格匹配的条件下，将  ZrO2颗粒由熔池“拖尾”注入，研究了激光熔注过程中ZrO2 颗粒的组织演变规律。王涛等[15]通过正交试验研究了工艺参数对熔注层成形质量的影响，发现送粉速率与热输入的匹配是制备熔注层的关键。如果在同轴送粉方式下能确保增强颗粒在飞行过程中保持固态或微熔状态，则采用激光同轴熔注可避免侧向熔注的上述问题。HANNES 等[16]研究了激光熔注过程中工艺参数对 WC 颗粒含量的影响，发现在一定扫描速度情况下，WC  颗粒总会出现熔化现象。王涛等[17]通过同步送粉激光熔注铸造WC  颗粒对其摩擦磨损性能进行研究，发现 WC 颗粒边界出现1.3～1.7 μm  的反应层，边界周围呈放射状分布并有大量棒状组织。WANG  等[18]研究了激光感应复合熔覆 Ni60/WC  涂层中  WC  颗粒的热损伤机制。 PERESTORONIN 等[19]对激光熔注不同尺寸 WC 颗粒附近的微观组织结构进行了研究。他们并没对颗粒熔化的本质进行深入研究，因此，有必要研究激光同轴熔注过程中，颗粒尺寸、激光功率和颗粒初始速度等对颗粒温度的影响。 本文在激光同轴熔注条件下，建立了 WC 颗粒在熔注过程中与激光相互作用的温升模型，用于判断颗粒的熔化状态。通过该模型的计算分析，揭示了颗粒直径、激光功率和颗粒初速度与颗粒温度之间变化的关系，进而获得激光同轴熔注的工艺参数临界条件。同时，通过  316  不锈钢基体上的球形WC 颗粒同轴熔注试验，利用熔注层中的 WC 颗粒反应层厚度和周围基体组织，判断颗粒在注射飞行过程中的熔化情况。试验分析结果与计算结果一致，表明所建理论分析模型可以为激光同轴熔注技术的可行性及工艺参数的选择提供理论依据。 1   增强颗粒模型的建立 1.1   基本假设和理论模型 图  1 为颗粒在载气(氮气)中从同轴喷嘴射出的示意图。其中 h 为激光焦点到送粉嘴的距离；θ 为激光发散半角；α 为送粉嘴倾角。颗粒喷射距离的区间为送粉嘴出口到基体之间的距离。激光束和粉束同轴，增强颗粒在载气的作用下沿着送粉嘴倾角方向喷出，在飞行过程中与激光相互作用吸收一部分激光能量而升温，大部分激光能量被基体吸收形成熔池，粉末汇聚点接近熔池的中心，最终以固态形式被熔池捕获形成熔注层。 图1   激光同轴熔注示意图 由于颗粒在飞行过程中的温度变化与颗粒的速度相关，故在计算颗粒温度变化前，需要对颗粒在飞行过程中的速度进行计算。为计算颗粒在飞行过程中的速度变化规律，首先建立颗粒运动速度与颗粒直径、颗粒初速度之间的关系模型。此处对计算过程进行如下假设：①  增强颗粒始终在保护气体中运动且飞行过程中颗粒不发生碰撞；②  在短喷射距离内，载气的速度大小和方向不变[20]。 颗粒从喷嘴中出来后一般认为呈高斯分布[21]，大部分颗粒处于中央位置，因此选取中央位置的颗粒作为本文的研究对象。颗粒在飞行过程中的速度可以通过下列各式解出[22]。 载气水平方向和竖直方向速度分量 00cossinxyuuuuaa= ìïí=ïî(1) 式中，ux和uy为载气初始速度u0的水平和竖直方向的分量。 载气相对于颗粒流动的雷诺数为 ( ) ( )2 2 gpx x y ygdRe u v u vrh= - + -(2)式中，Re为雷诺数；ηg为载气的运动黏度；ρg为载气的密度；dp为颗粒直径，vx与vy为颗粒速度v的水平和竖直方向的分量。 颗粒受到水平及竖直方向载气阻力作用的运动月2021年*月  王  梁等：激光同轴熔注球形WC增强颗粒的工艺参数研究  3 方程  ( )( )( )( )0 68720 687218 1 0 15dd18 1 0 15 dd.g x xxpp.g y yypp. Re u vvtd. Re u v vgtdhrhrì +- ï =ïí+- ï=+ ïî  (3) 式中，ρp为颗粒密度；g为重力加速度。 颗粒在飞行过程中的速度方程  ( )22xy v t v v =+    (4)                                                                  为获得运动粒子在飞行过程中的温升模型，需要简化复杂的加热过程，提出以下假设：①  保护气和环境温度的变化忽略不计；②  假设颗粒在飞行中不发生熔化，即不考虑粒子固液相变引起的能量变化；③  假设颗粒的比热容不随温度进行变化；④  颗粒在加热过程中，其表面和内部温度整体升高，且均匀分布。 综合考虑激光辐照、颗粒与保护气之间的传热、颗粒速度等因素，颗粒在飞行过程中的温度T(t)可以通过能量守恒公式(5)解出[21]。  ( )( )0 33052206 2 0 6dd32π20℃.ga .gpap p pp p pC. Re T TkTt d CPd C h y tanThrbrqì éùæö ï êú+-ç÷ ï êúèø ëû =+ ïïíï+ éù ïëû ïïï=î  (5) 式中，Cp为颗粒比热容；Ca为载气比热容；ka为载气的热传导系数；Tg为气体温度；Tp为颗粒温度；T0为颗粒初始温度；β为颗粒表面热吸收率；P为激光功率；y为运动粒子纵向位置；h为激光焦点到送粉嘴出口距离。 1.2  计算方法 在计算颗粒的速度与温度模型时，假设颗粒为规则的球形碳化钨。由于采用半导体激光器，激光束能量为均匀分布。采用多项式拟合雷诺数，并用Runge-Kutta方法[23]求解颗粒的速度、温度模型。分析颗粒随着喷射距离的增加，颗粒直径和初速度对颗粒飞行速度的影响；不同激光功率、颗粒尺寸和不同颗粒初速度对飞行过程中颗粒温度的变化。其中，颗粒的初速度为送粉嘴出口的颗粒速度，大小为0.8 m/s，载气流量为62 L/min，载气速度为2 m/s，焦点到送粉嘴的距离为27 mm，基体表面到送粉嘴出口的距离为30 mm，本文计算均基于此条件。其他参数如表1所示。 表1  模型参数 参数  数值 重力加速度g/(m/s)  9.8 初始温度T0/K  293 颗粒密度ρp /(kg/m3)  15.5×103 颗粒比热Cp /(J/(mol·K))  39.8 载气比热Ca /(J/(mol·K))  29.1 载气密度ρg/(kg/m3)  1.25 载气动力黏度ηg/(m2/s)  15.2×10-6 气体热传导系数ka /(W/(m·K))  25.83×10-3 颗粒表面热吸收率β  0.2 激光束的发散半角θ/(°)  4 同轴喷嘴倾角α/(°)  50 载气初始速度u0/(m/s)  2 激光焦点到送粉嘴距离h/mm  27 2   试验材料及方法 2.1    试验材料 基体材料为316不锈钢，试样尺寸为100 mm× 50 mm×10 mm。熔注颗粒为纯WC颗粒，其显微形貌如图2所示，颗粒为近球形，颗粒直径范围为50～150 μm。  图2    WC颗粒的显微形貌 2.2   试验方法 激光器采用光纤耦合大功率半导体激光器，运动机构为6 轴工业机器人，最大激光功率为2 000 W，送粉嘴出口到基体表面的距离为30 mm。试验采用激光功率为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)，光斑直径4 mm，扫描速度为6 mm/s，送粉率为10  g/min，载气流量为62 L/min，计算得到本试验所用送粉嘴中，载气的速度为2 m/s；进行激光单道同轴熔注。试验完成后，用线切割机切取熔注层横截面，用丙酮对试样进行超声波清洗，采  机  械  工  程  学  报  第57卷第**期期    4 用FeCl3 硝酸酒精溶液腐蚀，在扫描电镜下观察熔注层纵截面中WC颗粒的分解情况。 3   结果与分析 3.1  增强颗粒速度分析结果 由于增强颗粒的注射速度与其受到激光束的辐照温升时间密切相关，而不同的颗粒直径和颗粒初速度都会对其注射速度造成影响。因此，首先由式(1)～(4)计算出不同颗粒直径、初速度对颗粒飞行速度的影响，结果如图3和图4所示。图3为颗粒在初速度为0.8 m/s，载气速度为2 m/s，送粉嘴倾角为50°的条件下，不同直径的颗粒速度随喷射距离的变化规律。随着喷射距离的增加，颗粒的速度都逐渐增加，颗粒在刚离开喷嘴时，加速度较大，颗粒速度增加较快；在离开喷嘴10  mm后颗粒速度的增加逐渐减缓；在离开喷嘴约40  mm时，颗粒的速度逐渐趋于稳定。这是因为颗粒初始速度较小，在载气的作用下速度逐渐增加，最终速度趋于载气速度。颗粒速度随着颗粒尺寸的增加而减小，这跟气体的黏滞系数相对大小有关[24]。由此可知，颗粒直径越小，飞行速度将越快，进而受到激光辐射时间越短。从此方面考虑，选择小颗粒是有利于熔注的，但是，实际颗粒的温升还与颗粒表面积大小以及质量相关，因此还需要结合不同颗粒直径与温度的关系进行深入分析。  图3   颗粒直径对颗粒速度的影响 图4为颗粒直径为60 μm，载气速度为2 m/s，送粉嘴倾角为50°的条件下，不同的初速度对颗粒在飞行过程中速度的影响。由图可得，在颗粒喷出的初始阶段(喷射距离＜10 mm)，由颗粒初速度不同造成飞行速度不同的差异较为明显。但是在继续飞行的过程中，颗粒的飞行速度差异逐渐减小，最终还是逐渐接近载气速度。虽然颗粒最终速度将趋向一致，但是较快的初速度有利于减少颗粒与激光束的接触时间，降低颗粒的温升。同时，载气速度的提高也可加快颗粒的飞行速度。但是，较高的载气速度需要大幅提高载气的流量与压力，进而对颗粒的汇聚、熔池液面的稳定和熔池表面的传热边界都会造成影响。因此，载气速度无法任意调高，需要与激光熔注的其它工艺参数进行匹配。  图4  初速度对颗粒速度的影响 3.2   工艺参数与颗粒温升关系 计算颗粒温升与各工艺参数之间的关系，需要综合考虑各工艺参数以及颗粒速度对颗粒温升的影响。计算在不同颗粒尺寸、激光功率和颗粒初速度的情况下，颗粒在飞行过程中的温度变化，通过式(5)的计算结果如图5～7所示。当颗粒在飞行30 mm后到达熔池，因此，将该喷射距离作为临界的判断依据。图5中的横坐标、纵坐标和颜色分别代表了颗粒的直径、喷射距离和颗粒温度。由图可知，在颗粒初速度为0.8 m/s，激光功率为1 500 W和较短喷射距离的条件下，颗粒温度不高，不同粒径的颗粒温度相差不大；随着喷射距离的增加，小颗粒的温度要明显高于大颗粒的温度；这是因为颗粒直径越小，其比表面积越大，吸收的激光比能越多，因此温度越高。从图5中可以观察到直径为  75 μm的颗粒温度约为3  100 K，而WC颗粒的熔点为3 143 K。可以预测，当颗粒直径小于75 μm时，颗粒温度已经接近或超过其熔点温度。因此在此工艺参数下，要确保颗粒不熔化的理论临界直径约为75 μm。  图5   颗粒直径对颗粒温度的影响 月2021年*月  王  梁等：激光同轴熔注球形WC增强颗粒的工艺参数研究  5 图6中的横坐标、纵坐标和颜色分别为激光功率、喷射距离和颗粒温度。由图6可知，在颗粒初速度为0.8 m/s 和颗粒直径为75 μm的条件下，随着激光功率的增大，颗粒的温度逐渐提高。在喷射距离为30  mm 条件下，可以观察到激光功率为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)时，直径为75 μm的颗粒温度达到3  100 K左右，接近颗粒的熔点。表明在此工艺参数条件下，激光功率的理论临界值约为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)。  图6   激光功率对颗粒温度的影响 图7中的横坐标、纵坐标和颜色分别代表颗粒初始速度、喷射距离和颗粒温度。由图7可知，在激光功率为1 500 W和颗粒直径为75 μm的条件下，虽然颗粒的初速度不同，但是在飞行过程中均被迅速加热，初速度较大的颗粒其温度稍低于初速度较小的颗粒，但两者的温升差异不显著。这是由于颗粒离开喷嘴后，其飞行速度均快速接近载气速度，在飞行30  mm后，其速度差异已经不大(图4)。而且，送粉嘴与工作平面的距离较近，颗粒飞行时间有限。因此在当前试验条件下，颗粒初速度对颗粒的温升并不敏感。  图7   颗粒初速度对颗粒温度的影响 3.3   试验验证 结合对WC颗粒温升模型的计算，采用同轴送粉方式进行不同直径球形WC颗粒的熔注试验，采用的激光工艺参数与第2.2 节中描述一致。分析颗粒在熔池中的分解情况，从而验证颗粒的温升模型。因为熔注层表面颗粒在熔池中的时间短，受到熔池的加热作用小，因此取熔注层近表面的WC颗粒进行分析。图8a为扫描电镜背散射模式下拍摄的熔注层纵截面。所用WC颗粒直径范围在75～150 μm，颗粒直径主要集中在100 μm左右。图8b为相同激光工艺参数条件下，熔注小颗粒WC的纵截面，WC颗粒直径范围在50～75 μm，颗粒直径主要集中在60 μm左右。由图8可知，无论采用的是大颗粒WC还是小颗粒WC，都能在熔注层中观察到大量球形的WC颗粒，且颗粒的分布相对均匀。该现象表明在当前激光同轴熔注工艺条件下，直径在50～150 μm的WC颗粒均未发生完全的熔融分解。但 是，通过对图片进一步地放大分析可以发现，大颗粒和小颗粒WC的分解情况出现较显著的差异。  图8   激光同轴熔注层表面宏观形貌及纵截面WC颗粒分布 当WC进入熔池高温区域后，WC表面与基体熔融金属相接触而分解出W和C原子，并在颗粒近表面形成富W和富C区。根据Fe-W-C三元相图，将会发生如下反应  L + WC + W η 1 700 ® ℃  (6) 式中，η相为Fe3W3C，WC颗粒边缘的反应层和周围呈十字花状的组织为以Fe3W3C为主的过共晶组  机  械  工  程  学  报  第57卷第**期期    6 织[26]。 结合图9对WC颗粒的分解情况进行进一步分析。图10a是图8a中白色虚线框所示区域中的WC颗粒，可以观察到颗粒周围没有存在WC分解的初生相，WC颗粒表面反应层较薄  (箭头A所示)。图10b是图8b中白色虚线框内所示区域中的WC颗粒，可以观察到颗粒周围存在大量WC分解出的初生相，主要呈柱状和十字花状(主要为Fe3W3C) [27]；WC颗粒表面存在着明显的反应层，反应层厚度约为2～5 μm。WC表面的反应层是颗粒在熔池中分解而生成的，与颗粒的温度以及其在液态熔池中的保留时间相关。在相同熔池保留时间下，不同的反应层厚度反映了颗粒的分解情况，即颗粒温度的  不同。  图9   Fe-W-C三元液相图[25] 图10a、10b中虚线框位置为WC颗粒周围的基体组织，保留了基体金属激光熔凝后的组织形态。图10a虚线框中的组织主要为共晶状组织，而图10b虚线框中的组织主要为共晶和过共晶组织，这与李福泉等得出的结果相同[27]。两者组织之间的差异主要与颗粒注入到熔池中的状态有关。从图10a中可以观察到，颗粒在进入熔池后，仅靠熔池对流作用，WC颗粒仅分解出少量的含W和C元素，与基体形成少量鱼骨状的共晶组织。从图10b组织形貌可以观察到WC颗粒周围不仅存在大片鱼骨状的共晶组织，还存在大量的十字花状初生相(过共晶组织)，仅靠熔池对流作用是很难让WC发生大量分解。 因此，当激光功率为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)时，可以认为小直径WC颗粒在进入熔池前，表面温度已经较高，颗粒表面发生局部熔化，表层液态的WC被搅入熔池中，使得基体中的W和C含量显著上升，达到共晶或过共晶成分时，基体中的组织形态也随即发生变化[28]。从图10a与10b对比可以得出大直径WC颗粒在进入熔池前，可保持固态，而小直径WC颗粒在进入熔池前，其表面已经发生了微熔，形成液态的熔融薄层。该现象表明当激光功率为1  500  W(功率密度为119  W/mm2)时，如需确保颗粒不发生熔化，则颗粒的直径要在75 μm以上，同时也证实了上述温升模型的可靠性。  图10   扫描电镜下不同直径WC颗粒组织形貌 由以上分析可得，如需确保小直径WC颗粒不熔化，必须降低激光功率。图11为小颗粒WC(直径范围50～75  μm)，激光功率为1 500  W 与1 200 W(功率密度为119 W/mm2与95 W/mm2)条件下，WC在熔池中的组织形貌扫描电镜图。 图11a 为激光功率为1  200  W(功率密度为95 W/mm2)时的WC颗粒分解情况，由图可知，颗粒周围组织与图10a中的组织形貌类似，仅有少量WC颗粒发生分解，熔池中只存在少量的共晶组织。这表明在该功率下，WC颗粒仅发生少量分解，这表明颗粒的温度较低。图11b 为激光功率为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)时的WC颗粒分解情况，发现颗粒周围的组织与图10b 中类似。WC颗粒表面存在较明显的反应层，颗粒周围熔凝组织中存在大片的鱼骨状共晶与十字花状过共晶组织，这说明WC颗粒分解较多。从图11的两幅图片对比来看，可以得知WC颗粒在激光功率为1 500 W (功率密度为119 W/mm2)时发生大量分解，而激光功率月2021年*月  王  梁等：激光同轴熔注球形WC增强颗粒的工艺参数研究  7 为1 200 W(功率密度为95 W/mm2)时仅发生少量分解。这表明颗粒在进入熔池前，颗粒的温度不同造成颗粒在后续进入熔池后分解情况不同，从而生成的组织不同。在较高的功率下，WC颗粒在进入熔池前，颗粒表面温度较高，已经发生了部分微熔，进而在进入熔池后与熔池作用生成大量初生相。以上现象证实了图6中的计算结果。  图11   扫描电镜下小直径WC颗粒组织形貌 4  结论 (1) 通过激光同轴熔注的WC颗粒速度模型，获得颗粒直径、颗粒初始速度与颗粒飞行速度之间的对应关系。模型计算结果表明，随着喷射距离的增加，颗粒的速度逐渐增加，最终接近载气速度。 (2) 通过激光同轴熔注的WC颗粒温升模型，获得了颗粒直径、激光功率和颗粒初始速度等关键工艺参数与颗粒温度之间的对应关系，揭示了保持WC颗粒不熔化的同轴熔注工艺参数临界条件。由模型计算结果表明，在当前同轴送粉喷嘴参数和激光工艺参数条件下，当激光功率为1 500 W(功率密度为119 W/mm2)时，为保证颗粒保持固态，颗粒的直径须大于75 μm。如需注入直径小于75 μm的WC颗粒，则必须降低激光功率至1 200 W(功率密度为95 W/mm2)以下。 (3)  试验结果与模型计算结果吻合良好，研究结果表明即使采用同轴激光熔注形式，在合适的工艺范围内，仍能够确保WC颗粒在注入熔池前保持固态，可以克服激光侧向熔注的部分缺点。   参  考  文  献   [1]  SCHAEFER  R  J，AYERS  J  D，TUCKER  T  R.  Surface hardening 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