摘要通过理论推导分析了激光熔覆过程中熔覆层裂纹形成的物理机制，研究了激光光斑直径对裂纹缺陷的影响。选择40Cr 为基底材料，Ni60 为熔覆粉末进行了激光熔覆实验，获取了不同光斑直径下的熔覆效果图，并对裂纹分布特性进行了分析。理论与实验结果表明，随着激光光斑直径的增大，熔覆层的裂纹率逐渐增加，裂纹的深度逐渐加深，裂纹的宽度也随之加大。
关键词激光熔覆; 光斑直径; 激光比能; 裂纹率
1 引言
激光熔覆技术通过运用强激光束辐照金属基体及其表面的涂层材料，使涂层材料和基体表面薄层同时被熔化，并快速凝固后形成稀释度极低且与基体成冶金结合的表面涂层。它可以显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，从而达到材料表面改性或破损修复的目的[1-3]，该技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、重型机械、工业机床、生物医疗等领域，并创造了显著的经济效益。目前，激光熔覆技术的发展日渐成熟，但激光熔覆层的裂纹缺陷问题仍未得到很好地解决，这严重影响了产品的质量和寿命。研究表明，导致激光熔覆层产生裂纹的因素较多，其中主要与熔覆材料以及熔覆工艺参数选择的匹配度有关[4-5]。当材料选择不合适以及成形工艺匹配不佳时，由于材料的融化、凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，容易在熔覆层的表面、体内以及熔覆层与基体的界面处形成裂纹。在激光熔覆的各工艺参数中，激光功率、光斑直径、熔覆速度、送粉速度、扫描速度和预热温度均会影响熔覆层裂纹的数目及开裂程度。文献[6-10]分别研究了激光功率、熔覆速度、送粉速度和扫描速度对熔覆层裂纹的影响，并提出了一些控制裂纹的有效方法。朱贤刚等[6]认为随激光功率增大、送粉量增大及扫描速度的减小, 熔覆层表面的平整程度降低；王东生等[7]研究了激光功率密度与熔覆层裂纹之间的关系，并提出了采用凸字形光斑可在一定程度上减少熔覆层的开裂趋势；张思玉等[8,10]对不同扫描速度下熔覆层显微组织的性能进行了测试和分析，着重分析了激光扫描速度对熔覆层裂纹的影响。但到目前为止，专门研究激光光斑直径与熔覆层裂纹之间关系的文献较少， 因此，很有必要深入地研究激光光斑直径对熔覆层裂纹的影响。
本文以Ni-Cr 熔覆合金为研究对象，着重研究激光光斑直径对熔覆层微观裂纹的影响，通过理论分析以明确裂纹形成的物理机制以及激光光斑直径与裂纹之间的关系进行激光熔覆实验，观察不同光斑直径下激光熔覆层的裂纹分布情况，以验证理论结果。
2 熔覆层裂纹产生的物理机制
激光熔覆是一个快速加热和快速冷却过程，加热和冷却过程中均会形成微观裂纹。当高能激光束和金属材料作用时，激光分子的能量会被金属粒子所吸收而转换成热能，由于激光熔覆过程作用时间极短，热能来不及向材料表面深处传输，则使吸收光子的表面区域的温度急剧增高以致形成热应力，当应力值大于熔覆材料的强度极限时便会产生裂纹；当扫描光束离开后，被扫描区域迅速冷却，此时的熔覆区没有足够的液体金属补充而受到周围较冷基材的束缚，造成较大的约束应力，当约束应力大于材料所能承受的极限时就在熔覆层表面产生微观裂纹。
(1)式表明熔覆层内的热应力与金属材料的膨胀系数、弹性模量、泊松比以及激光热源的能量密度有关。材料间热膨胀系数、弹性模量的明显差异会影响热应力的大小，如果减小熔覆层与基体热膨胀系数和弹性模量的差异，熔覆层热应力也随之减小。因此，要合理选择熔覆层与基体热膨胀系数及热容的匹配关系。
3 激光束光斑直径对裂纹的影响
熔覆区单位面积所需能量叫做能量密度Es，又称激光比能，可表示为[12]式中P 为激光束功率，Vb为激光扫描速度，D 为激光束光斑直径。由(3)式可知，当激光功率、扫描速度和送粉率一定时，随着光斑直径增加，激光比能量会逐渐减小，而熔覆层的裂纹率却逐渐增加，开裂倾向增加。但另一方面，激光光斑直径的增大会降低熔覆层的稀释率，增加熔覆层的硬度，提高熔覆层的表面质量。因此，激光熔覆过程中，要寻求最佳的工艺参数，使得熔覆层既没有裂纹的出现，也保证了最佳的熔覆效果。
4 实验结果及分析
为了更好地说明激光束光斑直径对裂纹的影响，选择裂纹敏感材料40Cr 作为基底材料，Ni60 作为熔覆粉末，光源选择Nd:YAG 固体激光器。其他工艺参数选择如表1 所示。
实验过程中，控制功率、送粉速度、扫描速度和搭接率等参数不变，只改变激光束的光斑直径。而光斑直径的改变可以通过改变熔覆基材与激光束的离焦距离来实现，离焦距离越大，作用在基材的光斑直径越大。分别选择离焦0、1、2、3 和5 mm，进行激光熔覆实验。激光熔覆的效果如图1 所示，Ni60 与40Cr 的结合度很好，熔覆层表面的粗糙度较好，肉眼基本观察不到宏观裂纹。
在光学电子显微镜下进行观察，熔覆层表面的裂纹分布还是很明显，不同离焦距离下的裂纹分布分别如图2 所示。
由图2 及表2 可知，当激光束光斑为4 mm，即熔覆材料放置的位置离焦距离为0 mm 时，熔覆层表面的裂纹细长，深度比较浅，裂纹率较低，熔覆层的质量比较好；随着离焦距离的增加，激光光斑直径也在增加，熔覆层的裂纹率逐渐增大，裂纹的深度和宽度也在增加，当离焦5 mm 时，熔覆层裂纹明显变的更大，裂纹的深度和宽度也明显增加，熔覆质量明显下降。结果表明，随着光斑直径的增大，熔覆层的裂纹率逐渐增加，裂纹的开裂程度逐渐加剧，这与理论分析的结果相一致。
5 结论
通过理论分析和实验验证研究了激光光斑直径与熔覆层裂纹之间的关系，得出了以下结论：
1) 激光熔覆过程中，激光光斑直径会影响熔覆层的裂纹率以及裂纹的长短、粗细和深浅程度。随着光斑直径的增大，熔覆层的裂纹率逐渐增加，裂纹的开裂程度会逐渐加剧；
2) 激光熔覆是一个综合物理、材料和机械等学科的复杂过程，在追求高熔覆质量的同时不可避免带来裂纹影响。因此，只有选择合适的熔覆材料和最匹配的工艺参数，才能使得熔覆层既没有裂纹的出现，也保证了最佳的熔覆效果。