磁场对Co基合金激光熔覆裂纹控制的影响(2)
时间：2022-07-18 09:40 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
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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