工件表面熔覆层特殊性能的材料，以改善其表面性能的工艺。由于熔覆成形的金属制件可得到常规加工方法难以获得的极高的表面硬度和耐磨性，因此在工业上有着广泛的应用前景。然而目前制约激光熔覆技术工业化应用的大障碍是熔覆层的裂纹问题。在激光熔覆过程中，材料的熔化凝固和冷却都是在极快的条件下进行的，因熔覆材料与基体材料的热物性差异以及成形工艺等因素影响，在熔覆过程中必然产生热应力，其形态表现为拉应力。熔覆层表面在拉应力的作用下出现裂纹，严重影响了激光熔覆试件的质量，大大限制了激光熔覆工艺在企业中推广应用及批量工作生产。抑制激光熔覆层的开裂行为对开拓该技术的生产应用具有现实的意义，目前所采用的方法主要有调整应力状态，尽可能降低拉应力优化工艺方法和参数，尽可能减少熔覆层的开裂添加合金元素，提高熔覆层抗开裂能力。本论文结合国家自然科学基金资助项目“超声微塑变锻调控高能束熔覆层开裂行为与磨损特性”，研究激光熔覆层开裂行为与调控的实验研究方法。选用复合涂层为熔覆层，先在基材表面高速火焰喷涂复合涂层，再采用激光熔覆的工艺方法，既能提高熔覆层材料与基材的结合性，又能使基材表面熔覆层高硬度耐强腐蚀性的材料。熔覆层裂纹是激光熔覆热应力，即拉应力作用的结果，如果能减少熔覆层拉应力或转变拉应力为压应力，则能够达到减小或消除熔覆层裂纹的目的。本文研究不同的熔覆层厚度，不同的基材预热温度，以及在激光熔覆的同时进行微锻造作用熔覆层，熔覆实验完成后，在光学显微镜下观测裂纹形貌，分析影响熔覆层开裂行为的因素，并找到调控熔覆层开裂行为的较好实验方案。实验研究结果表明涂层厚度对熔覆层开裂行为有定的影响，熔覆层裂纹宽度随着涂层厚度增大而增大基材预热温度对熔覆层开裂行为有定的影响，通过增加预热温度能有效抑制裂纹发生在激光熔覆的同时进行高频微锻造作用熔覆层，熔覆层表面发生微塑性变形，熔覆层原有的拉应力转变为压应力，即可减小或消除激光熔覆裂纹。选择适当的熔覆参数，提高基材预热温度，在激光熔覆的同时进行高频微锻造作用，使激光熔覆表面合金层产生微塑性变形，激光熔覆层特有的明显而规则枝状结晶组织被锻碎，激光熔覆层的开裂行为明显好转。关键词激光熔覆裂纹涂层厚度预热温度微锻造材料的硬度高低决定了热应力的大小。热应力的存在会导致基体材料的变形，并使熔覆层中裂纹方向与激光束的扫描方向呈正交。基体材料与熔覆层材料之间的物理参数如热膨激光束基材喷涂层等温线胀系数差异较大时，在两者之间会产生大的温度梯度，有可能导致裂纹的形成和长大，最终使熔覆表层产生开裂宏观裂纹或微观裂纹。组织应力是由于金属材料受热融化，固态金属在冷却过程中发生组织相变而产生。约束应力是由于激光熔覆后熔池温度过高以及熔池中已经熔化的部分材料受热膨胀，受到周围材料的约束作用，以及当激光光束移开后扫描区域的快速冷却，因其熔覆区域材料整体性而不能发生自由收缩作用而产生的。当热应力组织应力约束应力这三种残余应力的叠加大于材料的屈服强度时，熔覆层局部区域的塑性不足以承担发生的应变，由材料力学性能知识可知，就会使得熔覆后的涂层出现裂纹。此外，在激光融化金属过程中不可避免的会有气体存在，必然会使得激光熔覆层中出现气孔。在快速冷却凝固过程中，有部分因气体来不及逃逸出金属表面，会在熔覆层中产生气孔，由于熔液中的碳和氧反应或者金属氧化物被碳还原生产的二氧化碳氧化碳气体残留在熔覆层中形成反应气孔，有时也存在固体物质的挥发和湿气蒸发等非反应性的气孔，气孔的存在，不仅会大大降低熔覆层的质量，而且加大了裂纹产生的机率，并使裂纹扩展开来。国内外学者对激光熔覆过程中的裂纹问题做过许多研究，激光熔覆裂纹产生的原因很多，也比较复杂，但通过研究发现并致认为，激光熔覆裂纹主要还是与激光熔覆处理后材料内部存在较大的残余应力作用有关。事实上，任何裂纹都必须满足临界条件ε，即熔覆层材料发生的应变ε大于或等于熔覆层局部区域的塑性时，就会使熔覆层开裂。它主要与熔覆材料的特性主要是热膨胀系数激光熔覆过程中的热循环特性以及拘束条件有关，其中热应力所致应变的作用最为明显ν式中为杨氏模量，为泊松比，为熔覆层材料与基体材料的热膨胀系数之差，为熔覆层凝固温度与室温之差。当熔覆层的热膨胀系数大于基体的热膨胀系数时，，热应力表现为压应力，反之，，热应力表现为拉应力。热应力表现为拉应力时，熔覆材料与基体材料之间受拉，是裂纹出现的征兆，所以拉应力对于熔覆层的开裂而言，是种有害热应力。另方面，由于熔池中各处温度不同，温度场复杂，当产生大的温度梯度时，会加大热应力。此外，如果基材和熔覆材料的热膨胀系数不同，将使各层之间的热膨胀速率和收缩速率不致，也会产生热应力。因此，裂纹的产生主要是由熔覆层凝固过程中产生的应力应变与熔覆材料的强度和塑性之间的动态相互作用决定的。熔覆层裂纹的影响因素和表现形式熔覆层裂纹的影响因素熔覆层裂纹形成的原因很多，也较复杂，影响熔覆层裂纹的因素也很多，我们主要从三个方面来分析。工艺因素激光熔覆工艺因素参数与熔覆层裂纹数目多少和宽度有着密切关系。激光功率扫描速度光斑尺寸送粉速度等工艺因素参数都会对熔覆层裂纹数目和宽度产生重大影响。此外，基材预热温度熔覆层厚度搭接宽度等参数也会对熔覆层的裂纹敏感性有定影响。国内外学者经过研究致认为，熔覆层厚度越厚，熔覆层裂纹数目越多提高基材预热温度，能显著改善裂纹发生率。在课题实验中，我们通过多次实验，并借鉴国内外的研究经验，选取适当的熔覆工艺因素参数，把熔覆层裂纹减小到最小。组织因素激光熔覆层裂纹主要是凝固裂纹，其形成机制是熔覆层快速凝固过程中，初生的发达枝状结晶组织相互连接成网络，造成液体之间的流动不便，从而造成枝晶间液态金属凝固时液体来不及补充，枝晶组织相应的温度低，产生的较大的温度梯度差导致产生较大的残余应力，使熔覆层开裂。激光熔覆层组织对开裂敏感性的影响的研究目前主要集中在凝固组织方面。在课题实验中，我们采用高频微锻造作用熔覆层时，也对熔覆层表面显微组织进行了观察，发现高频微锻造作用后，熔覆层的显微组织发生了改变，激光熔覆层特有的明显而规则枝状结晶组织被锻碎。由此可见，熔覆层组织进行分析，对熔覆层裂纹研究有定意义。残余应力因素激光熔覆后熔覆层的残余应力状态受熔覆层材料与基体材料的物理参数不同而影响，也受熔覆工艺参数的影响。熔覆层中微裂纹的产生扩展与微观组织中残余应力的分布状态有重要关系。在课题实验中，我们采用高频微锻造作用熔覆层时，也通过测量熔覆层的残余应力状态，使其残余应力分布由拉应力转变为压应力，从而减小或消除熔覆层的裂纹。由此可见，测定微观残余应力分布，对解决熔覆层开裂问题具有重要意义。熔覆层裂纹的表现形式前苏联著名热处理裂纹问题专家МЛИНКИНЕИ认为，只有在最大拉应力存在或作用的部位，才有导致裂纹的可能性和危险性，目前这说法得到了我国热处理界的广泛认同。对于激光熔覆工艺来说，熔覆层的最大拉应力及其存在的部位是分析熔覆层裂纹的出发点。在软基体上熔覆，出现的主要问题是基体的变形在硬基体上熔覆，出现的主要问题是涂层的开裂。熔覆层的裂纹有多种表现形式，如表面裂纹，在单道激光熔覆工艺中，熔覆层的裂纹方向与激光束的扫描方向垂直，并且裂纹呈平行分布在多道搭接时，裂纹的方向与单道激光熔覆时不同，由垂直于激光束的扫描方向变成网状分布此外，还有沿过渡区扩散的裂纹。现阶段人们研究最多的是与基材表面相垂直的裂纹，因为这类裂纹较易被发现和被检测研究。文献认为，激光熔覆层中的裂纹主要是凝固裂纹，其形成机制主要是熔覆过程中枝状结晶组织的快速冷却凝固中所形成的较大残余应力，激光熔覆层中先共晶体与共晶组织界面是最主要的裂纹源，熔覆层中夹杂边界及熔覆层与基材界面处的微孔洞也是熔覆层的裂纹源，并指出激光熔覆层开裂起始点并无定所。文献研究表明，在镍基碳化物基材上熔覆金属陶瓷粉末中，由于自身的抗氧化性以及与基体材料的结合性能较差等性质，裂纹的形成与扩展主要还是由于的性质所导致。凝固裂纹沿金属的枝晶方向扩展，并穿过颗粒。通过对含量的调整和往熔覆材料中添加增加韧性和塑性的元素，可以改变熔覆层残余应力的性质，从而能调控熔覆层裂纹的数量和宽度。目前大量的研究发现按出现的部位不同，熔覆层裂纹主要有宏观裂纹与显微裂纹两种。宏观裂纹的形成宏观裂纹起源于熔覆层和基体结合处，并迅速沿着与激光束扫描速度垂直的方向扩展贯穿整个熔覆层。宏观裂纹主要出现在熔覆层侧面。因熔覆层材料与基体材料之间的物理参数不同，主要表现为热膨胀系数泊松比弹性模量等参数不样，而热膨胀系数是其最大的影响物理参数。不同的热膨胀系数使得基体材料与熔覆层材料在激光束的快速加热和快速冷却过程中的热膨胀速率和收缩速率不致，从而在熔覆过程中产生拉应力。熔覆材料的塑性随着熔覆过程中温度的上升将降低，当产生的残余应力叠加达到甚至超过材料的强度极限时，由于熔覆材料的塑性下降，当其不足以承担发生的应变时，就会使得熔覆层和基体界面上出现裂纹，由于沿着激光扫描方向处应力值最大，因而裂纹沿着与扫描速度垂直的方向传播。文献研究表明，基体和熔覆层交界处的面积相同而热膨胀系数的不同必然导致方受压方受拉，从而会在熔覆层与基体交界处形成较大的拉应力。根据强度理论，当两者之间的最大应力大于材料的强度极限熔覆层材料的自身强度以及熔覆层和基体材料的结合强度，即时，便会在基体与熔覆层之间产生裂纹，甚至发生脆性断裂。文献研究了在钢基体上激光熔覆不锈钢粉末，熔覆实验结束后观察熔覆层的表面形貌，其宏观裂纹清晰可见。文献研究表明，激光熔覆过程中产生了个三维残余应力场，激光束扫描方向上的残余应力最大，裂纹沿着与激光束扫描速度垂直的方向传播，并且呈平行均布开来。显微裂纹的形成在激光熔覆过程中听到清脆的金属断裂声，激光熔覆过程结束后，由于激光光斑较小，使得熔池很小，所形成的裂纹也很小，通过肉眼无法进行观察分析，必须借助显微镜，通过观察发现熔覆层表面有很多细小的裂纹，由于借助于显微镜观察，把这类熔覆层裂纹称为微观裂纹。激光束照射在基体材料表明，在其快速加热过程中，基体熔池的升温速度达，熔池里已熔化的部分涂层材料因受热膨胀，但受到周围及心部区域材料的约束，产生约束应力。熔