激光熔覆增材制造是20世紀80年代興起的一種先進的制造技術(shù)。該技術(shù)集快速制造技術(shù)與表面改性技術(shù)于一體，具有廣闊的應(yīng)用前景；但覆層極易產(chǎn)生裂紋，且其原因多元，難以控制。激光熔覆增材制造的大規(guī)模應(yīng)用多受此制約，故而抑制熔覆裂紋的產(chǎn)生成為一個亟待解決的問題。

形成機理

激光熔覆增材制造過程溫度梯度大、能量密度高且非平衡，故而分析激光熔覆增材制造裂紋的形成機理對于裂紋控制具有積極意義。目前，國內(nèi)外對激光熔覆增材制造裂紋萌生與擴展的研究，多從以下三方面展開：

1）對金屬材料裂紋萌生與擴展的微觀理論進行研究，并提出了微裂紋描述方法；

2）對材料的微觀組織進行觀察，分析裂紋產(chǎn)生的機理；

3）對材料的組織結(jié)構(gòu)進行仿真，模擬裂紋的產(chǎn)生和擴展。

 

特別是關(guān)于熱裂紋的研究，諸多學(xué)者皆爭鳴般地提出了許多理論、假設(shè)、判據(jù)，如凝固裂紋理論就有強度理論、回流愈合理論、液膜理論、空穴理論、綜合作用理論等等。此外，裂紋的萌生判據(jù)有Pellini提出的應(yīng)變判據(jù)、Prokhorov提出的應(yīng)變率判據(jù)等。但可以肯定的是，從其萌生原因來看，覆層裂紋都是力學(xué)、冶金兩種因素共同作用的產(chǎn)物，無論是熱裂紋還是冷裂紋，其萌生和擴展也都與成形過程中的應(yīng)力密不可分。下面本文就裂紋形成的機理進行進一步梳理。

 

1. 從凝固過程上看

冷凝剛開始進行時，覆層的組成多為液相，因此晶體可以無束縛地生長，故而應(yīng)變難以集中。但隨著時間的推移，當固相占比積累到某一值時，封閉的結(jié)構(gòu)便在固相間形成了，晶間開始出現(xiàn)不連續(xù)且不能自由流動的液膜。當冷凝收縮時，固液兩相區(qū)晶間間斷的液膜處易引起應(yīng)變集中，繼而致使裂紋萌生。由于激光熔覆增材制造的冷凝過程極為迅速，裂紋萌生后又無新的液相來使之彌合，微裂紋進一步生長便會形成凝固裂紋?？梢哉f，晶間液膜是裂紋產(chǎn)生的條件，而局部應(yīng)變集中則是裂紋萌**展的前提 。與此同時，快凝、快冷作用在不均勻或偏析的組織中引起了較大的熱應(yīng)力，隨后產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。這種力極易沿晶萌生，而后快速沿脆性晶面生長，從而導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生 。

 

2. 從晶體結(jié)構(gòu)上看

激光熔覆增材制造成形時的急冷急熱易導(dǎo)致覆層萌生眾多位錯，這些位錯沿一定的方向滑移，當其碰到晶界中硬質(zhì)相顆粒的阻礙時，將于滑移帶末端造成位錯塞積，并致使應(yīng)力在塞積端集中。這種應(yīng)力一旦超過了材料的斷裂強度，就會出現(xiàn)開裂，裂紋開始形核。當覆層拉應(yīng)力大于裂紋擴展臨界應(yīng)力時，裂紋便產(chǎn)生了 。有時，過高的激光功率、過小的掃描速度或過長的保溫時間雖然會**減緩熔池的冷卻速率，但卻會使覆層晶粒尺寸過大，應(yīng)力過于集中，繼而增大了易開裂性 。此外，晶粒取向在一定程度上也影響著裂紋的萌生與擴展，研究發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展速率與晶粒取向差呈負相關(guān) 。

 

3. 從組織缺陷上看

覆層中的氣孔、夾雜等都可使覆層組織向著高裂紋敏感性的組織轉(zhuǎn)變，從而形成顯微缺陷或裂紋源?？梢钥隙ǖ氖?，在應(yīng)力應(yīng)變條件下，只有當裂紋源的尺寸超過臨界缺陷尺寸時，裂紋才開始萌生和擴展 。有時共晶組織也充當著裂紋萌生擴展的“催化劑”。柱狀晶界是*遲凝固的部位，此處各種偏析元素高度集中。相較于晶內(nèi)而言，晶界金屬的熔點低，裂紋敏感性高。當柱狀晶界上的液態(tài)金屬呈分散液膜狀時，在拉應(yīng)力的作用下，覆層極易因微應(yīng)變集中而發(fā)生沿晶開裂。對于含有脆性相的覆層，由于拉伸殘余應(yīng)力的累積，其易在凝固后的缺陷處引發(fā)裂縫。共晶組織可以起到引發(fā)位點，為脆性斷裂提供簡便的裂縫通道的作用，使裂紋沿著位于晶界處的樹枝狀脆性共晶相傳播 。此外，氣孔有時也扮演著裂紋萌生擴展的“導(dǎo)火索”，它可使覆層組織松散，甚至使覆層與基體剝離。同時，氣孔也是引起應(yīng)力集中 、增大覆層裂紋敏感性的主因 。

 

4. 從材料屬性上看

由于覆層與基材之間存在熱膨脹系數(shù)上的差異，故極易產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。該應(yīng)力表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，并且在覆層與基材結(jié)合處**，致使裂紋優(yōu)先從界面起裂。較大的溫差也極易導(dǎo)致約束熱應(yīng)力的產(chǎn)生。較大的溫差使覆層不同部位的冷卻速度不同，快冷的部位受相鄰組織的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，該應(yīng)力會導(dǎo)致冷卻*快的涂層表面優(yōu)先起裂。此外，熔覆時局部的急熱急冷極易引起熱應(yīng)變極度不均。在之后的快速冷凝過程中，因熔池縮小，同時受到基體和已凝固熔池的約束，覆層中會產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值可達數(shù)百兆帕。當覆層組織所受拉應(yīng)力高于其塑性形變極限應(yīng)力時，裂紋就會產(chǎn)生。