激光熔覆中裂纹的产生主要与热应力、组织应力和约束应力有关。通过优化工艺参数，可以有效抑制裂纹的形成。以下是关键工艺参数的优化方法及具体措施：

1. 激光功率

• 优化原则：激光功率需在基材熔化和粉末完全熔化之间找到平衡。
  • 过低：熔池温度不足，粉末未充分熔化，导致未熔合或局部脆化，易产生裂纹。
  • 过高：熔池温度过高，热应力增大，熔覆层与基材界面热膨胀系数差异加剧，裂纹倾向增加。
• 推荐范围：
  • 对于常见金属材料（如镍基、铁基合金），激光功率控制在 1.5-3.0 kW。
  • 实验表明，当激光功率为 1800 W（如27SiMn钢表面熔覆）时，熔覆层塑性和结合强度最优，裂纹率最低。

2. 扫描速度

• 优化原则：扫描速度影响熔池冷却速率和热输入量。
  • 过快：熔池冷却过快，温度梯度增大，热应力集中，裂纹倾向增加。
  • 过慢：熔池过热，热应力积累，可能导致熔覆层与基材界面开裂。
• 推荐范围：
  • 扫描速度通常控制在 6-12 mm/s。
  • 对于高硬度材料（如WC颗粒增强涂层），扫描速度可适当提高至 10-15 mm/s，以降低热输入并减少裂纹。

3. 送粉量

• 优化原则：送粉量直接影响熔池的填充密度和热应力分布。
  • 过小：熔池填充不足，易形成孔隙或未熔合，导致裂纹。
  • 过大：粉末堆积过多，熔池流动性差，热应力集中，裂纹倾向增加。
• 推荐范围：
  • 单层送粉量控制在 10-20 g/min（根据材料类型调整）。
  • 研究表明，送粉速率为 4.3 g/min 时（配合2.382 kW激光功率），熔覆层高度和宽度最优，裂纹率最低。

4. 搭接率

• 优化原则：搭接率影响熔覆层的连续性和热应力分布。
  • 过低：搭接区熔合不良，界面应力集中，易产生裂纹。
  • 过高：熔覆层重熔区域过大，热输入累积，导致裂纹扩展。
• 推荐范围：
  • 搭接率控制在 30%-50%。
  • 对于多道熔覆，搭接率 35%（如HT250灰铸铁表面熔覆）可显著减少裂纹。

5. 光斑直径

• 优化原则：光斑直径影响熔池宽度和能量密度。
  • 过小：能量密度过高，熔池局部过热，热应力集中。
  • 过大：能量密度不足，熔池宽度不均，易产生裂纹。
• 推荐范围：
  • 光斑直径控制在 2-4 mm。
  • 使用 线光斑或矩形光斑（如2 mm×8 mm）可扩大熔覆宽度，减少搭接区裂纹。

6. 预热与后处理

• 预热基材：
  • 预热温度控制在 200-400℃，降低基材与熔覆层的温差，减少热应力。
  • 对于淬火钢或高碳钢，预热可有效缓解基材疲劳层与熔覆层的界面应力。
• 后处理：
  • 缓冷或退火：熔覆后缓慢冷却（如炉冷）或进行去应力退火（500-600℃保温1-2小时），释放残余应力。
  • 时效处理：对铝合金或镁合金熔覆层进行时效硬化，改善组织均匀性。

7. 材料选择与添加剂

• 粉末材料：
  • 选择韧性较好的材料（如镍基合金Ni60/Ni60A），避免高碳（C）或高硅（Si）含量材料。
  • 添加 稀土氧化物（如CeO₂）：细化晶粒，降低熔池表面张力，减少裂纹。研究表明，CeO₂含量为 1% 时，涂层裂纹率可降至0。
• 基材预处理：
  • 基材需清洁无油污、锈迹，表面粗糙度控制在 Ra 3.2-6.3 μm，增强熔覆层结合强度。

8. 工艺参数智能优化方法

• 响应面法（RSM）：
  • 通过设计实验（如中心复合实验）建立工艺参数（激光功率、送粉量、扫描速度）与裂纹率的回归模型，预测最优参数组合。
• 智能算法：
  • 使用 CWOA算法（混沌鲸鱼优化算法）或多目标优化算法，结合物理信息引导模型，快速收敛到最佳参数范围。
  • 例如，通过CWOA算法优化12Cr13钢表面熔覆15-5PH粉末时，可使稀释率、宽高比和显微硬度达到最优。

9. 其他辅助措施

• 保护气体：
  • 使用高纯度氩气（纯度≥99.99%）保护熔池，避免氧化和杂质引入。
• 熔池监控：
  • 采用高温场监测系统（如PID闭环控制），实时调整激光功率和扫描速度，保持熔池温度波动 ≤ ±15℃。
• 梯度过渡层：
  • 在基材与功能层之间设计 过渡层（如混合粉末），逐步调整成分和热膨胀系数，减少界面应力。

总结：典型优化参数组合

通过以上优化措施，可显著降低激光熔覆层的裂纹率，提升涂层质量和性能。实际应用中需结合具体材料、设备条件和工艺要求进行实验验证。