来源：长三角G60激光联盟
本文研究了磁场对熔覆层的缺陷和性能有显著影响。研究了合金的形貌演变、相组成、元素分布、热膨胀和热应力。
在42CrMo衬底上制备了Co基激光熔覆层。在激光熔覆过程中施加了磁场。系统分析了熔覆层裂纹和气孔产生的原因。磁场对熔覆层的缺陷和性能有显著影响。研究了合金的形貌演变、相组成、元素分布、热膨胀和热应力。结果表明，磁致伸缩效应降低了磁化诱导激光熔覆过程中的热膨胀和热应力，降低了熔覆层的裂纹敏感性。熔覆层的平均显微硬度和形貌均比无磁场辅助熔覆层有所提高。磁场可以改善熔覆层的元素分布均匀性，降低元素偏析，从而降低熔覆层的裂纹敏感性。
1、介绍
激光熔覆是一种高能激光束与金属粉末和基材相互作用以构建新部件、修复或提高磨损部件机械性能的过程。激光熔覆作为一种重要的激光制造技术，在零件再制造中起着至关重要的作用。
与传统的去除技术不同，激光熔覆是基于材料的增量规律。金属粉末在成形过程中完全熔化，在基材上形成冶金结合。经过几十年的发展，激光熔覆技术已成为先进制造技术中快速增长的一部分。激光熔覆是一种常用于再制造的表面改性技术，它可以在基材表面制备稀释率低、热变形小、结合质量高和机械性能优异的涂层。激光熔覆是制造业的革命和突破。
各种激光束的示意图：（a）负散焦，（b）聚焦和（c）正散焦面。
然而，缺陷、裂纹和气孔一直是制约该技术发展的主要问题。熔覆层中的裂纹会降低熔覆层的寿命和机械性能。
熔覆层中裂纹的出现可总结为以下原因：
（1）激光熔覆材料和基板之间的热物理参数（如热膨胀系数和弹性模量）不匹配会导致激光熔覆期间的热应力。热应力裂纹是激光熔覆过程中最常见的裂纹类型。
当覆层的热膨胀系数和弹性模量大于基材的热膨胀系数和弹性模量时，覆层受到拉伸应力，增加裂纹敏感性（见图1（a））。热应力将导致覆层和基板之间的接头被拉伸，导致覆层开裂。当包层的热膨胀系数和弹性模量小于基材的热膨胀系数和弹性模量时，包层承受的热应力较小，裂纹敏感性降低（见图1（b））。
图1 激光熔覆层开裂示意图：（a）拉伸热应力导致熔覆层开裂；（b）覆层承受压缩热应力。
（2）在凝固过程中，熔覆层的脆性区对裂纹很敏感。当熔覆层中存在马氏体、碳化物和硼化物等硬相时，熔覆层的脆性更为显著，这可能导致熔覆层的断裂韧性降低，从而增加熔覆层的裂纹敏感性。
(3)在激光熔覆过程中，由于偏析产生的复杂碳化物或低熔点金属间化合物可能熔化，在部分熔化区产生局部晶界膜或局部脆性区域。
低膨胀材料的激光熔覆可以在一定程度上减小基底和熔覆材料之间的热膨胀差，但这往往会严重影响熔覆层的机械性能。激光熔覆因瓦合金（Fe-36Ni）降低了熔覆层的裂纹敏感性。因此，低膨胀、高硬度、无裂纹的激光熔覆层是激光熔覆研究的挑战。
为了解决激光熔覆的裂纹问题，许多学者做了大量的工作。目前，磁辅助激光熔覆的研究主要集中在控制流体流动、金属凝固、传热传质，以改善熔覆层的微观组织、显微硬度、耐蚀性、耐磨性等性能。控制包层开裂的另一种方法是在基板和包层之间引入缓冲层。缓冲层由一种材料制成，该材料具有很强的抗裂性，并且与基材的物理特性具有良好的兼容性，能够形成厚且无裂纹的覆层。
现有研究表明，如何减少激光熔覆层的裂纹。通过调整激光熔覆工艺参数很难消除所有裂纹；前处理或后处理步骤和缓冲层在熔覆过程中也会产生较高的时间和金钱成本。
消除裂纹的根本是系统地了解激光熔覆过程中裂纹的产生机理。磁辅助激光涂层裂纹控制的研究主要集中在搅拌磁效应上，搅拌磁效应可以使熔池温度分布均匀，细化晶粒，改善涂层偏析，释放应力集中。目前，很少有研究控制基板和覆层材料之间的热膨胀系数差，以降低热应力和裂纹敏感性。关于磁致伸缩效应在激光熔覆过程中降低热应力的研究尚未见报道。
（a）激光熔覆操作窗口用于珠间距和较高的离焦距离，（b）珠间距对双珠横向形状的影响，（c）光学图像显示（b）、（d）两层熔覆的表面形貌和横向截面形状中裂纹缺陷的特写视图。
本研究以Co-Fe-Cr-B-C复合粉末为研究对象。结合CALPHAD计算和EDS技术方法，研究了激光熔覆层中裂纹的产生机理。讨论了磁场对熔覆层形貌演变、显微硬度和裂纹敏感性的影响。
2实验和方法
2.1. 材料和样品制备
实验中使用的衬底材料为42CrMo，尺寸为85×12×12mm。用砂纸打磨基材，以去除铁锈和杂质。基板的平均粗糙度约为0.54μm。
2.2. 实验设备
激光熔覆系统如图2（a）所示。激光熔覆处理在2 kW FL020光纤激光系统中进行，该系统与KUKA机械臂（德国KUKA KR30）和磁场发生器装置耦合。将0.3 mm高的硅钢芯放置在磁场产生模块外，以减少磁损耗（见图2）。磁感应强度调节范围为0-80mT，用磁场计（SJ700，桂林森捷科技有限公司）测量。磁感应强度测试区是工件的中心部分（见图2（b））。
图2 激光熔覆实验系统的示意图。
在激光熔覆过程中，使用纯度为99.99%的氩气作为保护气体，以防止混合粉末在熔池中被氧化。
3、结果与讨论
3.1. 熔覆层缺陷的表征
激光熔覆的凝固过程是非平衡的，在高硬度熔覆层中容易形成裂纹等缺陷。图3显示了S1激光熔覆层的微观结构。从显微照片可以看出，熔覆层中存在多个裂纹和气孔。
图3 S1的微观结构和EDS：（a）截面S1的微观结构；（b）孔隙1附近材料的平均元素含量；（c）接近裂纹2的材料的平均元素含量；（d）孔隙2附近材料的平均元素含量；（e）孔隙3附近材料的平均元素含量；（f）缺陷区的EDS映射。
缺陷区的EDS映射如图3（f）所示，裂纹2的元素含量通过EDS点拾取分析沿裂纹边缘长度测量，每0.05 mm采集一组数据。由于裂纹1源自孔隙1，为了更好地了解裂纹行为，我们采用EDS点拾取方法分析孔隙1边缘周围的平均元素含量，点拾取数设置为10。孔隙2和孔隙3的元素含量分析方法与孔隙1相同。
熔覆层中裂纹的机理不同。裂纹2起源于包层和基板之间的界面。裂纹1和裂纹3起源于熔覆层，与裂纹2不同。这意味着裂纹产生的机制不同。
靠近选定裂纹区和42CrMo基板的材料的热膨胀系数如图4所示。值得注意的是，靠近裂纹1的材料的热膨胀系数与裂纹2的热膨胀系数不一致。这主要是由于激光熔覆过程中快速加热和冷却导致熔池中元素的不均匀扩散（见图3（b）和（c））。
图4 缺陷区和基板的热膨胀系数。
值得注意的是，靠近裂纹1的材料的热膨胀系数低于基材的热膨胀系数，但仍会出现裂纹。这可能是由于靠近裂纹1的材料中存在大量C元素，碳化物显著降低了断裂韧性（见图3（b））。此外，孔隙容易引起应力集中和裂纹产生。
裂纹3起源于包层内部，并延伸至包层表面。图5显示了裂纹区的EDS映射；这清楚地表明，C和Fe元素沿裂纹3的裂纹边界分布有强烈的偏析。元素的显著微观偏析可能导致裂纹敏感性。C和B元素在包层中分布不均匀。在激光熔覆过程中，这两种元素漂浮在熔池表面，起到固溶硬化和结渣的作用（见图5（b）和（c））。
图5 裂纹区的EDS映射：（a）裂纹区的微观结构；（b） b元素的分布；（c） c元素的分布；（d） Cr的分布；（e）铁元素分布；（f） Co元素的分布。
图3还显示，在包层的底部有几个孔。这主要是由于激光熔覆过程中熔池的存在时间较短。尤其是在熔池底部，凝固速度很快，并且熔池中形成的孔隙没有足够的时间浮起，因此孔隙敏感性很高。
3.2. 形态和微观结构的演变
图6（a）-（f）表示S1的横截面微观结构。图7表示宽度/高度演变的包层几何形状。熔覆层的主要结构为树枝状。应注意的是，S1的微观结构在熔覆层底部显示出典型的柱状枝晶。晶粒较粗，穿透到熔覆层的中间。此外，微观结构的尺寸从下至上逐渐减小。磁场对熔覆层的形貌有显著影响。S1、S2、S3和S4的平均高度分别约为0.70 mm、0.59 mm、0.61 mm和0.68 mm。包层S1、S2、S3、S4的平均宽度分别约为3.47 mm、3.55 mm、3.72 mm和4.22 mm。图7显示了磁感应强度对宽度/高度演变的包层几何形状的影响。随着磁场强度的增加，包层W/H逐渐升高。当磁场强度为0 mT时，包层的平均W/H值约为4.96。当磁感应强度为20 mT、40 mT和60 mT时，包层的平均宽度/高度分别约为6.02、6.10和6.21。W.M.Steen认为，纵横比（宽度/高度）应大于5，以避免激光熔覆层中出现裂纹和气孔。随着磁感应强度的增加，熔池中的传质和传热得到加强，促进了熔覆层的均匀冷却和凝固。磁场有助于均匀熔池的形态。因此，磁场强度的增加有利于减少熔覆层中的裂纹和气孔。
图6 S1激光熔覆层的微观结构。
图7 包层几何形状。
图8表明，磁感应强度极大地影响了熔覆层的微观结构演变。在S2、S3和S4熔覆层的顶部，组织为等轴枝晶，中间和底部区域为柱状枝晶。随着磁感应强度的增加，熔覆层顶部的枝晶尺寸明显减小，且分布呈弥散性。当磁感应强度增加到60 mT时，熔覆层的微观结构尺寸进一步减小。细组织有利于提高熔覆层的力学性能。磁场的增加导致熔池表面附近的液体对流强度增加，加强了液态金属对结晶的冲刷作用，导致柱状枝晶的机械损伤增加，从而导致等轴晶核的上升。
图8 S2、S3和S4激光熔覆层的微观结构。
G/R比值决定了凝固组织的形态。冷却速率比G×R决定了熔覆层的微观结构尺寸。在更高的G×R值下，可以获得更精细的微观结构。图8 显示，随着磁场强度从0 mT增加到60 mT，熔覆层的微观结构尺寸变得更细。减小的微观结构尺寸有助于优化熔覆层的微观结构和机械性能。图8表明，从熔覆层底部到顶部的微观结构从柱状枝晶转变为等轴晶。根据凝固理论，这是G/R降低的结果。由于微结构尺寸更细，等轴微结构有助于提高熔覆层的机械性能。
在磁场中进行激光熔覆时，微观结构细化并均匀分布，消除了裂纹和气孔等缺陷。当磁场值为40 mT和60 mT时，激光熔覆层没有明显的裂纹。需要指出的是，S2熔覆层仍然存在裂纹。S2裂纹区的EDS映射表明，Cr和C元素沿裂纹边界富集（见图9）。Cr和C易形成脆性相，偏析区对裂纹敏感。
图9 S2裂纹区的EDS映射。
当激光熔覆在磁场中进行时，由于搅拌效应，熔池中会产生洛伦兹力，从而加剧熔体的运动。熔池中的孔隙向上漂浮到熔覆层表面，最后从熔池中逸出。
3.3. 磁场对裂纹的影响
3.3.1. XRD结果和元素扩散
通过X射线衍射分析了熔覆层的相类型。图10显示了具有和不具有磁场的Co-Fe-Cr-B-C覆层的XRD结果。包层主要由CoFe、Fe、Co3Fe7和Fe-Cr组成。磁感应强度的变化不影响相类型。图10和图11表明，磁感应强度可以有效地加速元素在熔池中的扩散。然而，包层中的相变并不显著。这可能是因为磁场强度太低，导致熔池热条件的变化有限，因此相类型的变化不明显。
图10 激光熔覆层的XRD图。
图11不同磁场强度激光熔覆层横截面的能谱分析：（a）S1横截面的能谱分析；（b） S2横截面的EDS；（c） S3横截面的EDS；（d） S4横截面的EDS。
图11显示了磁场对激光熔覆层元素分布的影响。
图11（a）表明，距离熔覆层表面1.5 mm是元素含量的突变点，这是熔覆层和基板之间的熔合线。与基体相比，熔覆层中的Fe、Co和Cr元素有明显的波动，表明熔覆层中的元素分布不完全均匀，这揭示了熔覆层中的局部微观偏析。在激光熔覆过程中，当在熔池中施加磁场时，熔体的对流加剧，使铁、钴和铬原子的扩散更加均匀。磁场显著减少了元素的偏析，然后将元素偏析引起的裂纹敏感性降至最低。随着磁感应强度的增加，元素扩散在熔覆层中的分布更加均匀。当磁感应强度增加到40 mT和60 mT时，硅元素从衬底稀释到包层。这种现象可能是由于磁感应强度的增加，加强了磁场对熔池的磁搅拌作用。流动和对流的增强有助于熔覆层中元素的均匀分布。
3.3.2. Delta-E效应
XRD结果表明，涂层的所有样品中都含有CoFe相。作为磁致伸缩材料，CoFe相可以触发磁致伸缩效应，并在基板和覆层之间的接触区产生磁致伸缩应变。磁致伸缩效应抵消了磁感应激光熔覆过程中熔覆材料的热膨胀。
图12显示了所有样品的弹性模量。磁场对包层的弹性模量有显著影响。S1、S2、S3和S4的弹性模量分别为249.6 GPa、171.1 GPa、190.2 GPa和208.7 GPa。没有磁化的样品具有最高的弹性模量。所有磁化样品的弹性模量随着磁场强度的增加而增加。
图12 包层的弹性模量。
图13显示，没有磁感应激光熔覆层具有比磁感应层更高的热膨胀。由于ΔE值较高，S2在所有样品中具有较低的热膨胀系数。换句话说，在本研究中，磁致伸缩效应越强，其抵消覆层材料本身正常热膨胀的能力越大。S2、S3和S4的热膨胀系数下降是由于磁致伸缩效应，该效应抵消了覆层材料的热膨胀。
图13 包层的热膨胀系数。
3.3.3. 热应力
根据图13中获得的结果，结合熔覆层的几何形状，我们可以得出磁致伸缩效应对热应力的影响。
图14表示包层的热应力。与热膨胀系数变化模式相比，所有样品的变化曲线显示出相同的趋势。换句话说，包层的热膨胀对热应力的影响最为显著。
图14 激光熔覆层的热应力。
S2、S3和S4的热应力曲线斜率明显小于S1。这是由于包层材料在磁场中的磁致伸缩效应，降低了热膨胀系数和弹性模量，从而降低了热应力。
值得注意的是，当磁感应强度从20 mT增加到60 mT时，磁致伸缩效应减小，导致热膨胀系数和弹性模量增加。磁致伸缩效应的降低将增加热应力，因此S2的热应力值低于S3和S4。换句话说，在激光熔覆过程中，借助辅助磁场和熔覆材料的磁致伸缩效应，可以有效控制熔覆层的弹性模量和热膨胀系数。热膨胀系数是控制熔覆层热应力的主要因素。降低Co-Fe-Cr-B-C合金的热膨胀系数和弹性模量可以有效地降低由基板和覆层之间的热膨胀和弹性模量不匹配引起的热应力，从而降低裂纹敏感性。
3.4. 显微硬度
图15显示了激光熔覆层的显微硬度。所有样品在熔覆层中的显微硬度值都高于热影响区和基体。S1、S2、S3、S4和基板的平均显微硬度分别为861 HV、940 HV、980 HV、1056 HV和302 HV。图15表明，磁场对熔覆层的显微硬度有积极影响。在所有样品中，S4的显微硬度值最高。随着磁场强度的增加，熔覆层的显微硬度增加。显微硬度的升高与熔覆层中晶粒的大小密切相关。
图15激光熔覆层的显微硬度。
此外，随着磁感应强度的增加，气孔和裂纹的减少有助于提高熔覆层的显微硬度。
4、结论
采用磁场激光熔覆法在42CrMo基体上制备了Co-Fe-Cr-B-C合金。磁场对包层缺陷的影响是多方面的，较小的磁场可以产生较大的磁致伸缩效应。在本实验所涉及的样品中，20 mT磁感应强度辅助激光熔覆过程中产生的磁致伸缩效应最大，从而降低了热应力，解决了由熔覆材料和基板之间的热膨胀和弹性模量差引起的裂纹问题。然而，小磁场对元素均匀化的影响不如大磁场强。同时，磁场辅助激光熔覆对熔覆层的几何形状也有较大的影响，本研究发现，当磁场强度为60 mT时，熔覆层的宽高比最大，显微硬度最高。磁场对Co-Fe-Cr-B-C合金熔覆层裂纹敏感性的影响是显著的，可以得出以下结论：
•在磁辅助激光熔覆工艺中，磁感应强度是影响磁致伸缩效率的关键因素。
•随着磁场强度的增加，从20 mT到60 mT，磁致伸缩效应变弱。高磁致伸缩效应可以通过减少脆性相和孔隙的偏析来提高熔覆层的力学性能。
•磁致伸缩效应可以有效降低覆层的热膨胀系数和弹性模量，从而降低热应力和裂纹敏感性。
•磁辅助激光熔覆可以通过细晶组织提高熔覆层的显微硬度，并且不影响熔覆层的相类型。
来源：Effect of magnetic field on crack control of Co-based alloy laser cladding, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107129
参考文献：Research and development status of laser cladding on magnesium alloys: A review, Opt. Lasers Eng., 93 (2017), pp. 195-210, 10.1016/j.optlaseng.2017.02.007
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