基于铁基粉末的共轴激光熔覆技术在球墨铸铁上的几何特性预测建模与优化

《Journal of Materials Research and Technology》：Predictive Modeling and Optimization of Geometrical Characteristics in Coaxial Laser Cladding of Fe-Based powder on nodular Cast Iron

本研究系统探究了激光功率、扫描速度和粉末进给率对Fe基涂层几何特性的影响，通过60次单道实验和线性回归分析，建立了高精度预测模型（R2≥0.81），提出最佳工艺窗口（稀释率10-40%，润湿角<80°），为铸铁表面改性提供理论依据。

　　
该研究系统探究了激光功率、扫描速度和粉末进给率对铁基涂层几何特性的影响，并基于实验数据构建了多响应协同模型与工艺优化图谱。研究采用50mm直径的球墨铸铁基板，通过连续光纤激光器（2kW）进行 coaxial 激光熔覆，以氩气作为载气与保护气体。实验参数覆盖400-1200W激光功率、5-11mm/s扫描速度、50-200mg/s粉末进给率三个维度，通过60组单道熔覆实验获得涂层几何特征数据。

在数据处理方面，研究采用线性回归分析建立工艺参数与涂层几何特征的关联模型。通过参数敏感性分析发现，粉末进给率与扫描速度对涂层几何形貌的影响最为显著，其中进给率增加15%，涂层高度可提升200%；扫描速度降低至5mm/s时，涂层宽度较11mm/s时扩大30%。而激光功率的调节主要影响熔深与稀释率，当功率从400W提升至1200W时，熔深增加1.5倍，但稀释率仅波动在10-40%区间。

工艺优化方面，研究构建了三维参数空间图谱（功率-进给率-扫描速度）。图谱显示，最佳稀释率区间（10-40%）对应功率范围800-1200W，进给率150-200mg/s，扫描速度5-8mm/s。在此范围内，涂层厚度与宽度比（H/W）可控制在0.3以下，有效避免熔池边缘的未熔合缺陷。值得注意的是，当扫描速度超过8mm/s时，稀释率与润湿角呈现非线性增长，导致孔隙率增加。

涂层性能分析表明，进给率每提升50mg/s，润湿角增加约20°，而扫描速度每提升1mm/s，稀释率增加约8%。但通过工艺参数的协同调整，可在保证润湿角低于80°（防止孔隙）的前提下，将稀释率控制在35%以内。研究特别指出，当激光功率达到1000W时，即使提高扫描速度至11mm/s，仍能保持熔深在0.8-1.5mm范围内，这对修复大型铸铁部件具有重要意义。

实验验证部分显示，通过优化后的工艺参数（1000W/5mm/s/200mg/s），单道熔覆厚度可达1.6mm，经三次搭叠后总厚度达4.8mm，且稀释率稳定在18%-22%之间。这种参数组合在修复球墨铸铁曲轴时，能够形成连续致密的Fe基合金层，其硬度较基材提升40%，磨损率降低60%。

研究创新点体现在三个方面：首先，针对铸铁基材的特殊热物理特性（导热系数0.6W/m·K，比热容0.5kJ/kg·K），建立了具有普适性的参数模型；其次，通过工艺图谱将原本离散的二维参数空间扩展为三维优化区域，使参数调整精度提升至±5%；最后，开发出基于润湿角-稀释率的二元判别准则，成功预测了98%的优质熔覆道。

实际应用中，该工艺已成功应用于汽车变速箱齿轮的修复。某案例显示，通过调整激光功率至1200W，进给率200mg/s，扫描速度6mm/s，成功在直径150mm的齿轮轴表面制备出厚度2.3mm的梯度涂层，其疲劳寿命较基材提升3倍，且未出现裂纹或孔隙缺陷。监测数据显示，该涂层在800℃高温下的剪切强度达到580MPa，优于传统堆焊工艺的450MPa。

该研究为激光熔覆工艺提供了关键理论支撑：当激光功率与进给率的比值超过0.8时，熔深与涂层密度的相关性显著增强；扫描速度与进给率的比值控制在1.2以下，可有效抑制气孔形成。这些发现已被纳入国际焊接协会（IIW）的激光熔覆操作规范，成为当前行业技术标准的重要参考依据。