45 鋼激光熔覆Ni60 合金粉末工藝參數的多目標優化

嵇友迪，龔紅英，徐培全

（上海工程技術大學 材料工程學院,上海 201620）

激光熔覆作為一種發展較為成熟的激光表面強化技術，在工業現代化生產中發揮很大的作用.與傳統加工工藝相比，具有優質、高效等特點.激光熔覆技術最早由美國AVCO 公司開始使用，并且利用激光熔覆技術成功修復了磨損工件.對于磨損失效的模具進行再制造，能夠創造巨大的經濟與社會效益，是實現資源節約和可持續發展的重要手段之一.激光熔覆的工藝參數與熔覆層的質量有密切關系，所以選取合適的激光熔覆工藝參數是獲得高質量熔覆層的關鍵[1].

研究人員通?；谠囼炘O計，結合統計學方法對激光熔覆工藝參數進行優化.趙凱等[2]以反映熔覆層形貌和質量的特征參數設計中心復合試驗，對比分析響應面法的回歸模型與神經網絡對單道熔覆的預測效果，采用多目標優化算法NSGA-Ⅱ對試驗工藝參數激光功率、送粉速度、掃描速度優化求解，最終表面硬度增加17.11%，基體熱影響區深度減小13.9%，熔覆效率增大6.1%.許向川等[3]以激光功率、送粉量、掃描速度作為優化變量，熔覆層高度和寬度作為響應指標，基于響應面分析設計中心復合試驗，對試驗結果進行方差分析建立工藝參數與響應指標之間的函數關系，得到回歸預測模型和最優工藝參數為激光功率3.94 kW、送粉量60 g/min、掃描速度4 mm/s.

有學者基于試驗數據建立預測模型，利用優化算法對激光熔覆工藝參數進行優化.袁修繞[4]基于激光熔覆工藝參數試驗數據，使用方差分析法分析工藝參數對熔覆層性能影響顯著程度，并且分別運用BP 神經網絡模型、GRNN 神經網絡模型等對工藝參數和熔覆層性能參數之間的函數關系進行回歸分析，發現GRNN 模型的綜合誤差最小，最終建立顯微硬度、稀釋率、熱影響區深度3 個目標函數，采用統一目標法對多目標函數進行優化.優化結果結果顯示：顯微硬度提升27.4%、稀釋率下降82.4%、熱影響區深度下降3.78%.

本研究基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、結合正交試驗，以激光功率、掃描速度、搭接率為自變量，熔覆層表面的顯微硬度和磨損量為目標，實現工藝參數優化，為激光熔覆技術的生產應用提供理論支持.

1 層次分析法確定權重

在處理多目標優化問題中，基于工程實踐以及經濟成本的綜合考慮，無法保證每一個工藝參數都是最優參數，而且考慮到工件的服役要求，對各工藝參數的側重也有所不同.單個工藝目標的重要性一般采用權重來表示，綜合工藝目標的重要性一般采取權重求和的形式確定[5].

AHP 是一種解決較為復雜、優化多目標的數學分析方法，可以將定性問題與定量問題相結合，使復雜的系統分解，將研究過程中的思維過程數學化、系統化，把多目標多準則又難以全部量化處理的決策問題轉化為多層次單目標問題[6].

首先建立層次結構模型，將決策的目標、準則和對象按照他們之間的關系分為最高層、中間層和最低層[7].本試驗中層次結構模型可分為目標層、準則層、方案層，如圖1 所示.

圖1 層次分析結構圖Fig.1 AHP structure diagram

層次分析法中構造判斷矩陣的方法是一致矩陣法，即不把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較.采用相對尺度盡可能減少性質不同因素相互比較的困難，提高準確度.采用1～9 標度法確定綜合工藝目標的權重.判斷矩陣中aij的標度方法，見表1.本方案中所構造的準則層因素對目標層的比較判斷矩陣為aij為準則層因素對目標層的重要程度.方案層的比較判斷矩陣為對于矩陣A、B1、B2求出對應的最大特征值λ=2，λ1=3.2948，λ2=3.1356.定義一致性指標n為矩陣階數. CI=0，具有完全的一致性；CI 接近于0，有滿意一致性.CI越大，不一致越嚴重.為衡量CI大小，引入隨機一致性指標RI，見表2.隨機一致性比率，當 CR<0.1時，判斷矩陣有滿意的一致性，或者矩陣的不一致性程度是可以接受的；否則需要調整矩陣，直到達到滿意的一致性為止.矩陣A、B1、B2通過一致性和隨機一致性檢驗.

表1 矩陣標度含義Table 1 Matrix scale meaning

表2 隨機一致性指標RITable 2 Random consistency index RI

下面對各因素的權重進行計算

1）層次單排序

計算判斷矩陣每一行元素的乘積

可得矩陣A中M1=4，M2=0.25.可得

計算Mi的2 次方根可得矩陣A中W=(W1,W2)=（2,0.5）.對方根向量正交化可得

準則層矩陣特征向量X=(0.8，0.2)，根據以上計算可得方案層特征向量X1=（0.672 0，0.229 8，0.098 2），X2=（0.547 2，0.263 1，0.189 7）.

2）層次總排序

令目標層關于方案層的權重矩陣C=則層次總排序為

可得W=(0.6470,0.2365,0.1165)，即激光功率、掃描速度和搭接率相對合理的加工工藝參數權重分別為0.647 0、0.236 5 和0.116 5.

2 正交試驗

2.1 試驗材料

本試驗選擇45 鋼為基體，試樣尺寸為φ50 cm×12 cm 的圓柱體，試驗前用砂紙打磨試樣表面去除氧化層，并且用超聲波清洗機在丙酮中清洗去除油污.Ni60 合金粉末進行烘干處理（120℃，保溫1 h），用聚乙烯醇膠水將粉末預置在試樣表面，粉末厚度為1 mm，保護氣體為氬氣，氣流量為15 L/min.Ni60 合金粉末化學成分（質量分數）見表3.

表3 Ni60 合金粉末主要化學成分Table 3 Main chemical composition of Ni60 alloy powder %

2.2 試驗設備與方法

激光熔覆試驗設備包括5 kW 光纖激光加工系統（IPG5000，波長1 025～1 080 nm，光斑直徑5 mm）、ABB 機器人、冷卻系統等.設計三因素三水平的正交試驗，選取因素為激光功率（A1）、掃描速度（A2）、搭接率（A3），試驗工藝參數見表4.因為激光光斑的直徑較小，無法獲得大面積的熔覆層，所以需要通過搭接來實現.合適的搭接率是熔覆層良好成形的關鍵.橫向搭接激光熔覆截面示意圖如圖2 所示.

圖2 搭接示意圖Fig.2 Schematic diagram of lap joint

表4 激光熔覆試驗工藝參數Table 4 Process parameters of laser cladding test

搭接率f為兩個相鄰單道熔覆層重疊的寬度d與單道熔覆層寬度W的比值；D為相鄰兩道次激光熔覆時激光束沿掃描方向垂直移動的距離.搭接率的計算公式為.

2.3 正交試驗結果與分析

針對正交試驗的設計方案，選取熔覆層表面的平均顯微硬度（B1）和磨損量（B2）為優化目標，見表5.采用極差分析不同水平與因素對熔覆層成形質量影響的顯著性，見表6、表7.一般各列極差不相等說明各因素的水平改變對試驗結果的影響不相同，極差最大的那一列就是因素的水平對試驗結果影響最大的因素，所以對于平均顯微硬度和磨損量，各因素從主到次的順序為激光功率、掃描速度、搭接率.優化方案中各因素最優水平的確定與試驗指標有關，若指標越大越好，則應選取使指標大的水平；反之，則應選取使指標小的那個水平.對于硬度(HV)因素，指標值越大越好；對于磨損量因素，指標值越小越好，所以優化方案為激光功率3 kW，掃描速度12 mm/s，搭接率45%.

表5 正交試驗結果Table 5 Orthogonal test results

表6 顯微硬度極差分析Table 6 Range analysis of microhardness range

表7 磨損量極差分析Table 7 Range analysis of wear range

2.3.1 熔覆層宏觀和微觀形貌分析

選擇最佳工藝參數試樣10 和硬度最低的工藝參數試樣7 進行分析，如圖3 所示.試樣10 的表面形貌比試樣7 的表面形貌規整均勻，并且在試樣7 的表面存在明顯的裂紋.熔覆層裂紋是熱應力和組織應力共同作用的結果，在激光熔覆過程中存在較大的溫度差，使得組織轉變不可能同時進行和完成，會在試樣內外部產生不均勻的變形，從而產生組織應力，不均勻的變形宏觀體現在激光熔覆試樣表面會出現“波浪狀”的形貌，微觀體現在組織的晶粒大小不一樣.宏觀裂紋通常起源于熔覆層和基體結合處，然后貫穿熔覆層到達表面.沿著激光掃描方向的拉引力最大，所以裂紋通常垂直于激光的掃描方向.宏觀裂紋主要是由材料之間的熱物理性能差異、熔覆過程中不均勻的物理場以及產生的局部塑性變形等引起的.選擇合理的激光熔覆工藝參數可以在很大程度上減輕熔覆層裂紋的開裂傾向.

圖3 試樣宏觀形貌分析Fig.3 Analysis of macromorphologies for samples

利用金相顯微鏡進行金相組織觀察分析，如圖4 所示.由圖可見，熔覆層與基體有良好的冶金結合，熔覆層致密無氣孔和裂紋等缺陷.從結合處向熔覆層方向可以看出，結晶由胞狀晶向樹枝晶發展，在熔覆層底部形成向外生長的胞狀晶，隨著凝固過程的進行，結晶速度變大，成分過冷增加，開始向樹枝晶發展，晶粒得到細化.這是因為激光熔覆工藝具有快速加熱和冷卻的特點，熔池有很高的過冷度和冷卻速度.

圖4 試樣10 熔覆層顯微組織Fig.4 Microstructure of cladding layer for sample 10

2.3.2 熔覆層摩擦磨損的特性分析

試樣10 和45 鋼打磨拋光后用無水乙醇超聲波清洗，設備使用HT?1000 磨損試驗機，45 鋼基體與試樣10 熔覆層的摩擦因數如圖5 所示.在摩擦磨損試驗初期，試樣表面經過打磨拋光后平整光滑、粗糙度小、摩擦阻力小，所以摩擦因數較低.隨著試驗時間的增加，磨損加重，試樣表面出現溝槽，對磨球起到阻礙作用，摩擦因數增大[8].

由圖5 可知，摩擦磨損試驗都經歷跑合階段和穩定階段，隨著試樣表面磨損，對磨球和試樣之間的接觸面積逐漸增大，摩擦副之間的接觸狀態已經由點與面接觸轉變為面與面接觸，試樣表面應變硬化，表面形成牢固的氧化層，5 min 后摩擦因數曲線顯示磨損已經進入穩定階段，摩擦因數趨于穩定.熔覆層表面硬度較高，與GCr15 對磨球硬度相差較小，起到一定的強化作用.摩擦因數穩定階段，45 鋼基體的平均摩擦因數為0.53，試樣10 的平均摩擦因數為0.48，熔覆層的平均摩擦因數比基體低9.43%.材料的磨損失重分析如圖6 所示.由圖可見，45 鋼磨損失重為204×10?4g，試樣10 磨損失重為164×10?4g，45 鋼磨損失重比試樣10 磨損失重高.這是因為45 鋼在摩擦磨損試驗中發生黏著磨損，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來，造成45 鋼表面材料的損失.

圖5 45 鋼和試樣10 的摩擦因數Fig.5 Friction coefficient of steel 45 and sample 10

圖6 45 鋼和試樣10 的磨損失重Fig.6 Wear and lost weight of 45 steel and sample 10

材料磨痕圖如圖7 所示.由圖可見，45 鋼基體表面發生輕微的塑性變形并且存在平行于磨削方向的犁溝、少量凸起的磨屑和不規則的凹坑.這是因為在摩擦磨損試驗中，試樣與對磨球之間快速摩擦，在接觸應力的作用下接觸區域發生塑性變形，同時試樣與對磨球黏合，在相對切向運動持續進行時，黏著點被迫撕裂和分離，產生磨屑和凹坑，磨屑沒有及時排出而發生磨粒磨損，產生了深淺不一的犁溝，45 鋼基體的磨損主要為黏著磨損和磨粒磨損.熔覆涂層中發生細晶強化，進一步提高熔覆涂層的硬度，提升其抗磨性.試樣10 熔覆層磨痕表面存在大小不一的顆粒，摩擦過程中形成的犁溝較淺，黏著區較少，磨損形式為磨粒磨損.

圖7 材料磨痕圖Fig.7 Material wear trace patterns

2.3.3 熔覆層顯微硬度分析

試驗設備采用HXD?1000，在顯微硬度儀下從熔覆層頂部向基材方每隔0.1 mm 打點測量熔覆層硬度，為保證試驗數據的準確性，每個水平層橫向取3 個點測量試樣硬度，求其平均值以控制誤差.施加0.3 kg 載荷，持續時間15 s，得到熔覆層顯微硬度如圖8 所示.由圖可見，顯微硬度從熔覆層頂部到基體逐漸降低，Ni60 熔覆層最高硬度為843.9，而沒有經過激光熔覆的45 鋼顯微硬度為275.9，前者是后者硬度的3 倍.

圖8 試樣10 熔覆層顯微硬度Fig.8 Microhardness of cladding layer for sample 10

3 結語

1）基于層次分析法，以熔覆層質量為目標，以熔覆層表面硬度和磨損量評價指標建立評價模型，并運用正交試驗設計方法對試驗結果進行分析，得到對熔覆層質量影響由大到小的工藝參數依次為：激光功率、掃描速度、搭接率.優化工藝參數組合為：激光功率為3 kW，掃描速度為12 mm/s，搭接率為45%.

2）通過對熔覆層的表面形貌、金相組織、摩擦系數和顯微硬度進行分析，熔覆層表面形貌良好、無氣孔和裂紋等缺陷，耐磨性有所提高，摩擦因數比45 鋼低9.43%.硬度有較大的改善，熔覆層的硬度是基體的3 倍.