镍基高温合金广泛应用于航空航天工业当中。激光熔覆作为一种先进且有效的表面改性和增材制造技术，对镍基合金非常有效。然而，裂纹问题是激光熔覆过程中的一个大问题，从而限制了它的广泛应用。本文综述了激光熔覆镍基合金时的不同裂纹类型，主要为：凝固裂纹、液相裂纹，韧性尖端裂纹和冷裂纹等。抑制裂纹产生的措施也进行了介绍。另外一方面，技术层面上的优化，如激光熔覆参数和熔覆前的热处理等。另外一方面，冶金因素也有助于和需要给予更多关注来优化合金的成分和显微组织。激光熔覆镍基合金时裂纹的抑制也给与了提出，从而更好的扩大激光熔覆的应用范围。
论文亮点Highlights：
•
对激光熔覆镍基高温合金的过程中裂纹的形成进行了全面的综述。
•
论文主要集中在凝固裂纹、液相裂纹、韧性尖端裂纹和冷裂纹的形成机制上。
•
综述了在激光熔覆过程中镍基高温合金的裂纹抑制机制。
•
激光熔覆时裂纹形成的限制、面临的挑战和将来的发展趋势均给予了探讨。
背景介绍：
镍基高温合金在航空航天和石油化工等工业中是一个十分重要的合金材料。对镍基合金的需求也与日俱增，镍基合金具有优异的高温强度、耐腐蚀性能和抗氧化性能，使得该合金成为制造航空发动机、燃气轮机叶片、化工装备、核工业和其他高温以及高压工作的场合所使用的理想材料。如叶片、涡轮盘和高温传感器等材料。尽管随着镍基高温合金的预处理、性能测试和应用得到了快速的发展，镍基高温合金的表面磨损问题依然会由于在高温和高压环境中长期服役而受到损伤，从而会严重的损伤其机械性能。 除了固溶强化的作用之外，添加合金元素到高温合金中可以用来使结合的元素来形成强化的γ′析出相，γ′′二次强化相和γ/γ′共晶，碳化物、硼化物和其他的相组织，这些会强化晶粒边界。一些研究也显示， γ相具有有序的fcc和有序的fcc等相结构会严重的影响镍基合金的蠕变性能、压缩强度和其他性能。显微组织的演变和结构的改变同样会影响到高温合金的机械性能。
到目前为止，并没有十分有效的办法来完全抑制镍基高温合金的裂纹。尤其是在修复难焊接的高温合金的时候。随着科学与技术的进一步发展，以及研究人员对高温合金的深入理解，许多学者提出了不同的修复办法来提高镍基高温合金的耐磨性。图1所示即为镍基高温合金的表面修复技术的概述。
图1. 镍基高温合金的表面修复技术概述图
Denis等人曾经使用电子束来修复镍基高温合金，修复区域的拉伸强度可以达到最高值而且可以保持同原有镍基高温合金的显微组织的均匀性和性能相一致。Li等人使用激光成形技术来修复损伤的K465高温合金。然而，裂纹在修复的过程中出现。然而，由于K 465高温合金中高的Al+Ti含量，裂纹会在修复过程中出现。Alinaghian等人使用钎焊技术来修复Inconel 738LC。钎焊区域主要由富集Ni和Cr的硼化物以及镍基固溶体所组成。较大体积分数的脆性硼化物的形成导致了接头的剪切力的下降。从而导致不能满足镍基合金的使用要求。Ji等人则在在Inconel 718高温合金的表面制备出梯度的纳米结构，采用的办法是耦合超声和电弧脉冲，并且发现合金表面的严重的塑形变形会导致晶粒细化和提高了表面梯度纳米层的耐磨性。然而，严重的塑形变形也会限制合金的冶金性能。Karthik等人使用没有施加涂层的激光喷丸技术来对INconel 600高温合金进行改性。结果发现改变喷丸参数会显著的提高合金的硬度。然而，此种操作会在表面产生一定程度的粗糙度和较大的压应力的残余应力。这是一定程度上影响其显微组织和性能的主要原因。zhong等人则观察了在激光沉积INconel738粉末到定向的预合金的定向高温合金中，存在变化的晶粒边界和界面裂纹。受到热输入和局部成分的影响，会导致局部显微裂纹沿着晶粒边界扩展，最终扩展到沉积层。Song等人使用SLM技术来制备高温合金。尽管可以得到小的晶粒，其蠕变性能比较差。在SLM时较高的冷却速率会导致处理区域的收缩和在不同速率下的膨胀，从而导致较高的位错密度。由于受到枝晶间的δ析出相的影响，采用SLM制备的镍基高温合金的蠕变性能比较差。
近年来，激光熔覆技术作为一种先进的表面改性技术，已经成为镍基高温合金修复所使用的理想选择。通过添加熔覆材料到基材上，激光熔覆使用高能量密度的激光束来熔化添加的材料和基材中的一薄层材料来形成冶金结合的涂层。激光熔覆示意图见图2.得到的熔覆层不仅可以很好的保护基材不受腐蚀和氧化，同时还能提高基体材料的表面性能。
此外，熔覆层的表面厚度和粗糙度可以通过改变和优化激光参数以及小光斑来实现。同其他修复技术相比较，激光熔覆技术具有低稀释率、熔覆层致密度高、熔覆层与基材冶金结合以及对环境无污染等优点。并且广泛的应用到高温合金的修复上。Gabriel等人使用Co基合金在镍基高温合金材料上进行熔覆，得到了较好的性能。尽管这一激光熔覆技术可以得到很好的性能。激光熔覆是一种非平衡状态的凝固过程。在这一过程中，会有应力的生成和镍基合金相结构的改变。此外，其他因数如热性能和物理性能的差异以及熔覆层和基材之间温度的差异等都会不可避免的在熔覆区形成缺陷。这些缺陷主要由气孔、裂纹等组成，会严重影响到镍基高温合金的机械性能。使用激光熔覆的时候，有很多原因会造成缺陷的生成，包括激光参数、材料的性能、熔覆材料类别、工作环境等。在这些缺陷中，裂纹是最为重要且应该给予消除的。 当裂纹出现在工件的关键部位的时候，熔覆层中的微观裂纹就会扩展成大的裂纹，从而显著的降低熔覆的质量和服役性能。尤其是在高温和高压力的场合下。裂纹成为限制激光熔覆发展应用的一个瓶颈。采用激光熔覆来修复镍基高温合金在很长的时间内是一个难题，这在于有很多因素影响到裂纹的形成。此外，裂纹的形成种类和形成机制也比较复杂。所以很难完全排除裂纹的形成和消除裂纹对高温合金机械性能的影响。近年来，许多学者研究了一些办法来控制裂纹的生成，采用的是通过研究裂纹形成机制、观察裂纹的显微组织和进行冶金分析。
图2 激光熔覆系统
在本综述中，镍基高温合金的激光熔覆过程中裂纹的类型、特征和形成机制均进行了总结。裂纹抑制的研究进展也从两个方面进行了研究：一个是优化激光熔覆参数、激光熔覆前的热处理，一个是从冶金角度出发，主要是优化合金成分和改变显微组织。最后，激光熔覆时的裂纹控制研究的展望也给与了介绍。
2. Hot crack热裂纹
大多数热裂纹发生在固相线附近，并且具有高温晶间断裂的特征，并且大多数裂纹的横截面具有氧化的颜色。激光熔覆镍基高温合金的时候，其裂纹机制包括多物理场耦合和复杂的材料行为。在激光熔覆的时候，镍基高温合金经受着快速加热和快速冷却的过程，，从而导致极端的温度梯度和熔池中的应力梯度。这一极端的热循环会导致合金的元素重新分配从而形成不同的相结构和组织结构。此外，激光熔覆参数、基体的预热温度和不同的熔覆材料均会对镍基高温合金的相组成和显微组织产生影响。图3显示的是热裂纹和热循环之间的关系，这进一步的影响到热裂纹的敏感性。
图3. 热裂纹和热循环（DC，duty cycle）之间的关系图: (a) 热裂纹和热循环, (b)在50%DC的时候液相和固相的演变行为 , (c)在30%DC的时候液相和固相的演变行为
图4显示的是热裂纹的形貌图。Korsmik等人模拟了热源对样品的影响，结果显示在激光熔覆镍基高温合金的时候，由于杂质在固体和液体中的固溶度存在差异，会产生合金元素的偏析。依据热裂纹的研究结果，根据裂纹的形成机制和裂纹的形貌可以得到这一论断，热裂纹分为三种类型：凝固裂纹、液相裂纹和韧性尖端裂纹。热裂纹的类型见图5。三种热裂纹的形貌特征和裂纹机制也在如下进行讨论。
图4. 典型的热裂纹的形貌图: (a) 80 % DC, (b) 60 % DC, (c) 50 % DC.
图5. 热裂纹的类型
2.1. 凝固裂纹Solidification crack
镍基高温合金中的凝固裂纹的机理主要是同凝固过程相关。对凝固裂纹来说，公认的理论主要包括液相膜理论（ liquid film theory）、晶体间桥理论（intergranular bridge theory）和凝固收缩补偿理论（solidification shrinkage compensation ）。这些理论均是基于大量的研究结果得到的。
镍基高温合金的凝固裂纹主要是孔洞的收缩和随后凝固阶段的高熔点碳化物所形成的。当熔池处于液相-固相两相共存的时候，γ胞和晶粒就会进行广泛的孕育，并生长而形成枝晶。合金的固溶元素持续进入枝晶液相中，析出形成一些硬而脆的碳化物，逐渐形成在凝固的过程中形成液相薄膜。此外，枝晶的存在会导收缩气孔的形成，这是因为此时没有足够的液相来补充枝晶。这一收缩应力和热应力就会在凝固的过程中产生，从而导致应力集中，并枝晶之间的溶体和液相薄膜会撕裂形成凝固裂纹，见图6所示。由于凝固裂纹形成过程的复杂性，研究人员将持续深入的研究凝固裂纹的形成机制。目前认为凝固裂纹的形成有两种情况，凝固阶段液相和缩孔的共存，以及应力/应变的共同作用。Ali Khorram 等人认为激光熔覆Inconel 713LC镍基高温合金的时候，其凝固裂纹的形成机制给予了揭示。在本研究中，他认为凝固裂纹主要发生在熔覆区的中间。由于高的温度梯度和凝固速率会导致较高的冷却速率，镍基固溶相(γ) 相，作为第一个出现的凝固相，开始凝固并生长成柱状结构。随着凝固的不断推进，薄的柱状 γ相和温度梯度的降低和凝固速率的降低而不断增加，具有低分配系数（low partition coefficient）的元素将被推送到枝晶区域的液相中间。最后，厚的β-NiAl相和MC碳化物就会在熔覆区中的γ相之间形成，液相薄膜在凝固阶段由于局部热应力的作用而被拉长。当局部应力超过了液相播磨的拉伸强度，凝固裂纹就会在中间形成。
(a) laser frequency of 18 Hz and the laser scanning speed of
120 mm/min, (b) laser frequency of 18 Hz and the laser scanning speed of 140 mm/min, (c) laser frequency of 20 Hz and the laser scanning speed of 120 mm/min,(d) laser frequency of 20 Hz and the laser scanning speed of 140 mm/min.
2.2. Liquation crack液相裂纹
激光熔覆镍基高温合金的时候，液相裂纹的形成主要是在热影响区的晶粒边界相成分的敏感性相的液化，或者是凝固过程中热影响区的晶粒边界的液化，或者是热影响区的晶体边界处的液相薄膜的形成。图7显示的是在激光熔覆过程中随着温度的变化液相薄膜的演变过程。此外，在金属凝固超过液相薄膜的表面拉力后，收缩应力就会产生，裂纹就会很容易的在热影响区的晶粒边界产生和沿着晶粒边界扩展。可以得出的结论为，两种情况下容易形成液相裂纹，一种是热影响区晶粒边界处的液相薄膜的形成，另外一个就是晶粒边界处的应力应变超过了液相薄膜的晶粒边界的拉伸极限。
近年来，许多研究者研究了激光熔覆镍基高温合金的液相薄膜裂纹的形成机制，并且发现激光熔覆的时候液相薄膜的产生主要同晶粒边界处的相结构有关。Cao等人研究了在GTD111高温合金表面激光熔覆IN625粉末的凝固组织的变化，并且揭示了液化裂纹的形成机制。
由于基材的化学成分和熔覆层不同，激光熔覆时增加的热输入会使得基材和涂层有充分的时间进行反应。同时由于基材和涂层的热物理性质不同，特别是热膨胀系数不同。结果，比较敏感的裂纹相，如GTD-111高温合金中的γ' 相、 γ/γ' 共晶相和 MC碳化物相，由于激光熔覆的时候基材中内在的反应而经受着局部的液化。与此同时，由于高度的温度梯度和冷却速率的影响，由于冷却收缩集中在基材而产生大量的应力。最终，裂纹的收缩应力形成。裂纹敏感相的局部液化的液化薄膜在冷却过程中由于收缩应力 而最终在热影响区而形成液化裂纹，见图8(d-f)此外，Zhang等人使用原位观察和热模拟的办法来研究激光熔覆K447A镍基高温合金时在热循环下的液相薄膜的演化过程。大量的 γ' 相和碳化物相存在于K447A 高温合金当中。同时有 γ/γ'共晶存在于高温合金的晶粒间。 在这一研究中，晶粒间区域包含Ni21Hf8被认为是初始的熔化区域（ initial melting region (IMR)），其他的晶粒间区域被认为是通常的晶粒边界区域（general grain boundary region (GGBR)）。IMR区域的组成为大量的γ/γ', γ/Ni21Hf8和 部分的 γ/M5B3。 在激光熔覆的热循环过程中，在两相区域的液化区域中的相材料和在不同温度下的溶解，在晶粒间区域形成液相薄膜。晶粒间区域的裂纹的不均匀结构会导致液相薄膜的分布和厚薄不匀。与此同时，在γ'相的快速分解的作用下，产生巨大的收缩应力/应变。液相裂纹最终形成于晶粒间区域，(见图 8(a-c))。 依据这一研究，在激光熔覆的加热过程中，液相薄膜在晶粒边界生成，这主要包括析出相为主的相，其组成为 γ', MC, Ni21Hf8 和其他的共晶液相。随后，由于 γ'-Ni3(Al, Ti) 的析出和热输入的影响，熔覆层中的液相薄膜就会形成裂纹和形成液相薄膜雷文，其形成是由于固溶相的收缩造成的。
(a) the longitudinal section, (b) cracks in the heat affected zone, (c) microstructure in the heat affected zone, (d) crack morphology at scanning speed of 5 mm/s and powder feeding rate of 300 mg/s, (e) crack morphology at scanning speed
of 5 mm/s and powder feeding rate of 400 mg/s, (f) crack morphology at scanning speed of 6 mm/s and powder feeding rate of 300 mg/s.
2.3. 韧性尖端裂纹（Ductility-dip crack，又叫塑性失延裂纹）
塑性失延裂纹（Ductility-dip crack，简称DDC），通常发生于高温合金的多道焊接当中和不锈钢焊缝当中。塑性失延裂纹产生的温度低于固相线的温度。不同于凝固裂纹和液相裂纹，塑性失延裂纹的产生并不包括液相薄膜的生成过程，但它却依然是一种热裂纹，其形成机制不同于凝固裂纹和液相薄膜裂纹。图9显示的是DDC对温度间隙的敏感性。
DDC受到许多因素的影响，并且目前还没有一个完全统一的观点。经过多年的研究，大家能接受的理论观点认为是局部应变沿着晶粒边界积累导致的晶粒边界滑移，或者是由于晶粒间的碳化物析出造成的晶粒边界的增加的应力所造成的，或者是不纯的杂质的偏析造成的晶粒边界的脆性所形成的。Chen等人曾经指出，在实验研究中，镍基高温合金FM-52M的应变产生于高温下的拉伸变形，并且应变的幅度取决于温度和二次等因子。与此同时，晶粒边界倾向于在应力的作用下滑移，最终导致DDC的形成。此外，由于镍基高温合金中广泛且大量的合金元素的存在，一些杂质元素的偏析会导致晶粒边界裂纹的产生和DDC的形成。 Nishimoto等人指出杂质元素S和P在晶粒边界的存在会导致晶粒边界的脆性，最终导致DDC的形成。基于以上研究，可以发现元素的含量影响DDC的形成和扩展。基于以上研究，增加碳含量会促进碳化物在晶粒边界的析出，从而有效的改善了合金的抗裂纹的敏感性，图10所示为DDC萌生的示意图。
总结来说，研究人员目前还对DDC的形成机理抱有不同观点，这也同时表明在这里还有大量的工作可以开展，更加完美和令人幸福的观点将会得到。
3. 冷裂纹（Cold crack）
冷裂纹经常发生于凝固温度之下，并且冷裂纹的断裂呈现出光滑和金属的特性。然而，冷裂纹的形状比较复杂，经常呈现出分叉和交叉的特征。冷裂纹的生成比较缓慢，但一旦形成，就会对材料的强度和韧性产生巨大的影响 。在高温下，镍基高温合金倾向于形成冷裂纹。从而影响其服役寿命和机械性能。依据裂纹不同的形成机理和形状，冷裂纹可以分为三种类型，分别是延迟裂纹、硬化脆性裂纹和低塑形脆性裂纹。而延迟裂纹是追尾常见的冷裂纹。
延迟裂纹，又叫氢致裂纹，是氢诱导的裂纹，经常发生在具有较高的硬化倾向和具有较高氢含量的焊接区域。使用激光熔覆作为修复技术的时候，由于焊接热循环的不同而在不同的区域产生不同的显微组织和内部应力，从而影响到扩散氢氢的消亡、扩散和积累。一旦氢诱导的裂纹产生了，就会迅速的扩展，从而导致在镍基高温合金中产生失效。
氢脆的机制是一个非常复杂的工艺过程，这是因为氢会渗透扩散到材料当中，并且其变形也同时发生，从而显著的增加了对这一研究过程的困难。近年来，许多研究学者根据不同的材料在不同的氢放电的环境中的研究结果提出了不同的氢脆机理。Koichi Takasawa等人通过在充氢环境下INconel 617合金的拉伸试验来确定碳化物的晶粒边界在氢致裂纹处的 晶粒边界的影响。结果显示氢的吸收伴随着位错的移动，并且位错在晶界的迁移受到晶粒边界的阻碍。，导致位错在晶粒边界处的积累。当应变超过门槛值的时候，裂纹就会在基材和碳化物晶粒边界处的界面处被触发。Sathiskumar Jothi 等人研究了INconel 718高温合金的氢脆，使用的办法是采用慢应变速率的和原位氢放电测试的办法。结果表明氢诱导的裂纹开始于晶格中的微气孔，并且晶格中的空穴或微气孔会导致高的应力集中，从而成为这些晶格中的空穴或气孔边缘处的氢分离偏析的驱动力，从而在空穴的边缘产生裂纹。此外，Zhang等人的研究结果表明在高应力作用下导致的空的孕育沿着平面位错滑移带相互作用而形成，导致裂纹沿着位错滑移带形成和扩展。
4. 裂纹抑制措施Crack suppression measures
激光熔覆镍基高温合金的时候，裂纹是最具挑战性的课题。镍基高温合金中的显微组织、合金元素和机械性能强烈的相互关联，并且均对裂纹的敏感性产生影响。 基于晶粒尺寸和裂纹敏感性之间的关系，Shrivastava等人研究了两种不同经历尺寸的镍基高温合金XH67和在不同热处理条件下热影响区的裂纹敏感性。实验研究结果表明，裂纹的发生沿着晶粒边界在 1100℃的时候，在粗晶粒处长度为5 mm，而裂纹在1200℃的时候，对于 细小的晶粒来说，沿着晶粒边界为2mm。 这些结果显示，同粗大的晶粒相比较，细小的晶粒更能在高温下经受多个热循环和在热影响区具有更低的裂纹敏感性。目前来说，大多数的研究学者堵在寻找有效的办法来抑制裂纹的产生，主要是通过研究激光熔覆过程中的裂纹形成机理和观察每一区域的显微组织的变化来实现的。研究发现，镍基高温合金中的合金元素的含量会直接影响到激光熔覆时的显微组织。在激光熔覆时共晶结构的生长过程中和熔覆层底部的粗大的直径中，会由于枝晶偏析的存在而导致晶粒间弱化。裂纹经常沿着晶粒边界扩展。此外，在激光熔覆的时候，激光熔覆参数的选择也直接影响到熔池中的温度、凝固速率、残余应力和其他的因素，从而最终对裂纹的形成和抑制产生直接影响。基于以上关于激光熔覆镍基高温合金时的热裂纹和冷裂纹的机理研究，，裂纹的生成可以通过两个方面的措施来实现：一是工艺，主要是优化激光熔覆的参数、激光熔覆前的热处理，二是冶金方面的措施，主要是优化合金成分和改善显微组织。
4.1. 优化激光参数
在激光熔覆时，采用适宜的激光参数来控制裂纹是有效的一种手段。采用激光参数来控制裂纹的形成是非常重要的。适宜的激光参数的选择可以抑制裂纹的形成、减少热应力、提高熔覆层的质量和部件的可靠性。镍基合金中等轴晶/柱状晶的转变、晶粒尺寸和相组成密切的同裂纹的抑制和扩展相关。由于激光熔覆的时候晶粒尺寸小和晶粒边界多，等轴晶会有效的抑制裂纹的扩展和提高合金的抗裂纹的能力。柱状晶的作用效率刚好相反。此外，相组成的改变也会影响裂纹的产生。例如，合金中有害的析出相会导致应力集中，从而促进裂纹的形成。因此，通过调节激光熔覆参数来控制合金的凝固状态、晶粒形貌和相结构，从而提高合金的裂纹抗力和和服役寿命。Jelvani等人研究了在INconel 718镍基高温合金的时候，激光熔覆参数对凝固组织的影响。结果显示，激光功率从150 W增加到300 W的时候，激光扫描速度增加到一定程度，等轴的晶粒结构在凝固的时候由于成分过冷的降低而增加。这有助于降低裂纹的敏感性。Lv 等人在激光熔覆Inconel 718高温合金的时候通过三维的有限元模拟温度场，并且对柱状晶向等轴晶的转变实施了模拟。结果表明，增加激光功率，降低扫描速度和降低预热温度会延迟柱状晶向等轴晶的转变。这是因为改变上述参数的时候可以获得一个较高的温度梯度和较低的凝固速率，造成单位面积中较低的孕育速率，并且其单个枝晶间距的膨胀会增加枝晶间距。通常来说，很难通过单个激光参数的改变来确定镍基高温合金激光熔覆时的裂纹生成与否。而激光熔覆参数的相互作用会改变相的组成和抑制裂纹的生成。Gopinath等人则通过对激光熔覆镍基高温合金中的在线监测来发现了冷却速率是随着激光扫描速度线性增加的。 当冷却速率降低的时候，熔覆层中的元素经受着严重的偏析，造成脆性Laves相的形成。镍基高温合金中主要强化相的合金元素的阻碍会导致裂纹和裂纹的加速生长。依据这一研究，随着激光熔覆功率的增加和扫描速度的增加，冷却时的应力会增加，凝固组织也会倾向于生成等轴晶，并且热影响区也会膨胀扩大，从而增大了γ' 相, γ-γ' 共晶和MC碳化物的裂纹敏感性，从而造成 熔覆层和基材处界面以及基材和热影响区的裂纹生成倾向。Khorram等人使用脉冲Nd: YAG激光来在Inconel 713 LC上熔覆 Stellite 31 粉末，并研究了激光频率、脉冲宽度和脉宽以及扫描速度对熔覆层显微组织和性能的影响。结果表明当熔覆参数为 激光频率为 12 Hz的时候，大多数的晶粒在界面处几乎是圆形和等轴的。但激光频率为20 Hz的时候，晶粒被拉伸并形成柱状晶。 当激光扫描速度逐渐降低的时候，枝晶间的粗化会在基材和熔覆层之间的界面处产生。当激光扫描速度和激光频率保持恒定的时候，晶粒的生长在高的传热方向逐渐形成柱状晶，随着脉冲宽度和热输入的增加而增加。 因此，热输入可以通过增加激光脉冲来实现，增加激光频率或降低扫描速度，将会导致晶粒在界面处从等轴晶向柱状晶转变，从而增加了裂纹的敏感性。Ali Khorram 等人不仅研究了Inconel 713 LC的凝固裂纹行为，还研究了激光熔覆参数和裂纹现象之间的关系。 研究指出，当激光扫描速度降低的时候，稀释率和熔覆层的深度同时会降低，造成熔覆层中的热应力减少，有利于形成窄且短的裂纹。此外，增加脉冲宽度并不会改变脉冲周期，使得加热时间增加，有利于气体在空穴中逸出。 最后，增加激光频率和热输入会导致熔覆深度增加和稀释率增加，如图11所示。同时增加了在熔覆区的二维热应力，这也会导致在该区域产生更多的裂纹。
图11. 裂纹长度和稀释率之间的关系: (a) the dilution rate of 65 %, (b) the dilution rate of 46 %, (c) the dilution rate of 30 %.
总结来说，激光熔覆工艺参数的设定，对熔覆的效率、熔覆质量和工件的性能都是至关重要的。有效的设置激光功率、扫描速度、脉冲宽度和其他参数，可以直接影响熔覆层的显微组织和性能。因此如何有效的选择工艺参数来实现激光熔覆技术的高质量和高效率是非常重要的。
4.2. 激光熔覆前的热处理
激光熔覆前的热处理也是一个非常重要的工艺过程，在提高和改善合金的综合性能方面非常重要，确保焊缝的质量和防止了裂纹的产生。激光熔覆前的热处理经过适当的加热、隔离、冷却和对材料进行其他处理，可以减少和消除对工件的各种不利的影响。从而实现减少裂纹的倾向。 因此该技术可以获得一定的期望的性能和采取一定的技术手段来实现激光熔覆层的高品质。在镍基高温合金中，Al、 Ti、 Cr、Mo及其其他合金元素的溶解，进而促进了相、碳化物和硼化物等平衡相的析出。研究也指出，二次相的成分熔化对裂纹抗力是非常有害的。控制每一相的含量和分布可以有效的提高合金的机械性能和腐蚀抗力。基于标准的固溶热处理和其他研究，研究人员通过预热处理的办法，适宜的温度和冷却速率，可以改变材料的显微组织，进而控制硼化物的形成和晶粒间B的偏析，从而有效的控制了镍基高温合金中的热影响区的裂纹。
基体的预热是一种非常重要的工艺，这是因为他不仅可以改变显微组织的形貌和在热过程中的应力分布状态，还会通过预热造成工艺过程中的热应力减少，从而减少裂纹的形成，还会用在多种工艺中。如SLM、等离子体弧焊接、激光沉积等等。这一预热工艺将会改变传热工艺和最终影响合金材料的显微组织和机械性能。
相关的研究显示预热是可以显著降低基材和熔覆材料之间的温度梯度的，从而有效的降低了热应力和激光熔覆时的裂纹的形成。此外，预热基材还会改变激光熔覆时的相结构，进而减少了裂纹的敏感性。Bidron等人通过预热不同的温度，激光熔覆CM-247 LC高温合金的裂纹敏感性，发现初生的 γ'相的含量在4mm厚度的基体合金中比在2mm后的其他合金上熔覆的要高。在不同的预热温度，发现预热温度低于1000℃比较合适。巨大的γ'并不能完全溶解，并且厚的基材在合金中承受的拉伸应力要比合金中的其他物质要多，从而容易在熔覆层产生热裂纹。不同的预热温度和裂纹长度之间的关系见图12.这一研究表明大多数的 γ' 相析出相在预热温度为1100℃及其以上温度的时候会完全溶解，二次相和小的析出相在分配时有利于抑制裂纹的再生。Jin等人模拟了激光熔覆Inconel 718高温合金时的温度场和流场的变化，使用的是三维计算流体动力学模型来研究和分析预热温度对凝固组织和裂纹行为的影响。实验结果表明随着预热温度的升高，冷却速率降低，减少了熔覆过程中的热应力，冷却速率也降低，从而减少了工艺过程中的热应力最终导致粗大的晶粒结构。与此同时，随着预热温度的升高枝晶间距也随之变大，造成熔池中大量的Nb原子迁移到枝晶间区域中，造成熔池中富集Nb，形成更多且粗大的和有害的Laves 相，液化裂纹更倾向于在凝固的过程中产生。此外，Nb含量的增加弱化；奥氏体中残余的合金元素的固溶度，这使得合金的机械性能进一步得到恶化。因此，预热温度的选择应该综合来考虑。
(a) average crack length versus laser power and energy density for a 400 ◦C preheating and two laser spot diameters (2 and 4.5 mm), (b) average crack length versus laser energy density for two distinct substrate preheating temperature (400 and 750 ◦C), and a 2 mm spot diameter.
4.3. 优化合金成分和显微组织
镍基高温合金属于一类具有Ni、Cr、Co和其他金属元素作为强化相和碳化物作为主要的颗粒增强相。如前面论文中所报到的，镍基高温合金中的W和Mo元素是容易形成碳化物的元素，并且粗大的碳化物阻碍了液相在热循环中的在修整，并且容易在应力拉伸和收缩的过程中在晶粒边界产生裂纹。 除了镍基高温合金中的固溶元素所造成的裂纹行为之外，添加其他元素并不会在一定程度上影响裂纹的行为。研究发现增加合金元素会增加二次相的含量，同时还会增加净化杂质元素。所以其含量必须严格加以限制。否则就有可能产生其他裂纹的危险。 许多研究人员研究表明在激光熔覆的时候根据高温合金的冶金性能来控制合金的成分是一种非常有效的方法。Zhou等人研究了具有高Al+Ti含量的Inconel 718LC 镍基高温合金的裂纹形貌，并提出一种十分有效的办法来通过纳米TiC颗粒改性的办法来抑制了裂纹的产生。通过纳米颗粒的改性之后，晶粒的形貌逐渐改变成等轴晶，晶粒尺寸的长度-枝晶比降低了60%。晶粒的尺寸降低了17%。具有大角度晶粒边界的密度的细小晶粒的形成和之线形态的晶粒边界会限制和阻碍热裂纹的生成。依据相关的材料，许多镍基高温合金具有生成有害的Laves相的倾向，这是由于在凝固的时候元素偏析形成的。Laves相是一种硬且脆的相，会导致裂纹的生成和裂纹的扩展，严重的降低了合金的机械性能和高温耐腐蚀性能。 依据相关研究，当少量的V元素添加到激光熔覆的Inconel 718高温合金的时候，V会在奥氏体基材凝固的固溶体中形成细小的碳化物，从而在晶粒边界产生钉扎作用，阻碍了晶界的迁移和枝晶的生长，由此减少了元素的偏析和和使得元素变得均匀。通过表面分析，发现V均匀的分布在枝晶和枝晶之间。添加的衡量元素细化了凝固时的显微组织。Laves相的形貌会从杆状转向颗粒状，其体积分数也降低。与此同时，增加的V还会抑制Nb元素的偏析。其气孔率也显著降低，如图13所示。
此外，研究发现合金元素对裂纹的影响不在于孤立的二在于同所处的系统有关。多元素的加入经常会比单一元素的影响更加复杂。Kou等人研究了碳元素含量对镍基该问合金K416B的显微组织的影响，发现当碳含量增加到一定程度的时候，MC碳化物的体积分数和尺寸均增加，但晶粒尺寸却显著减小。然而，随着碳含量的增加，合金的共晶成分降低，晶粒尺寸增加，晶粒边界变少。M6C的存在降低了高温合金的拉伸性能，增加了高温合金的裂纹倾向。此外，增加B元素到镍基高温合金当中，可以促进各种各样的共晶成分的形成，改变了高温合金原有的相结构和成分含量，增加了激光晶界的粘性和强度，最终增加了抑制裂纹生成的能力。值得注意的是，过量的碳含量会形成脆性的碳化物，增加裂纹形成裂纹的危险。
5. 面临的挑战和未来的发展趋势
总的来说，镍基高温合金在激光熔覆的过程中属于非常容易产生裂纹的。许多裂纹，诸如凝固裂纹、液化裂纹和韧性尖端裂纹均是镍基高温合金中比较常见的裂纹，从而严重的限制和影响了镍基合金的机械性能。使用激光熔覆镍基高温合金的时候，所面临的最大障碍在于如何有效的避免裂纹的形成和提高合金的机械性能，从而确保工件在恶劣的工作环境中具有高的服役性能。恶劣的工作环境和和激光熔覆时产生的不同的裂纹需要得到进一步的研究。尽管在本文中已经有一些措施可以实现激光熔覆镍基高温合金的无裂纹，但这些方法不具有普遍性，对不同的合金还需要采取不同的办法。
目前来说，激光熔覆镍基高温合金还处于持续不断地研究的阶段。大多数现有的关于裂纹的研究方法是基于激光熔覆后的显微组织表征和相的演变。目前还很难实时的获得裂纹萌生和扩展的信息。基于目前研究者所关注的，如下的几个领域将会是将来的研究重点：
(1) 增加激光熔覆镍基合金的种类。使用不同的镍基高温合金来作为熔覆修复材料可以更好的理解不同类型裂纹的形成机制和得到更加优化的加工参数和抑制裂纹生成的成分优化。
(2) 结合多种分析测试技术，大量的表征技术用来精准的捕获到激光熔覆过程中的诸如应力变化、裂纹萌生和扩展、相的转变等瞬态信息，从而可以提供出防止各种类型裂纹形成的技术和手段。
来源：长三角G60激光联盟
