45钢激光熔覆Ni60合金粉末工艺参数的多目标优化

嵇友迪; 龚红英; 徐培全

45钢激光熔覆Ni60合金粉末工艺参数的多目标优化

上海工程技术大学材料工程学院, 上海 201620

基金项目: 上海工程技术大学研究生校企产学合作资助项目((17)CL-003)

详细信息

作者简介:
嵇友迪（1994−），女，在读硕士，研究方向为材料塑性成形及先进加工技术. E-mail：1479950260@qq.com

通讯作者:
龚红英（1974−），女，教授，博士，研究方向为材料塑性成形及先进加工技术. E-mail：ghyyw1974@163.com

中图分类号: V261.8
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出版历程
- 收稿日期: 2021-04-13
- 刊出日期: 2022-02-23

Multi-objective optimization of process parameters of 45 steel laser cladding Ni60 alloy powder

School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China

摘要

摘要: 为延长零件使用寿命，降低生产成本，在45钢表面激光熔覆Ni60熔覆层可以达到生产要求，避免资源浪费，实现绿色制造. 通过层次分析法确定权重，建立三水平三因素的正交试验，分析熔覆层的宏观和微观形貌、摩擦磨损特性、显微硬度. 结果表明：优化后的工艺参数为激光功率3 kW，扫描速度12 mm/s，搭接率45%. 合适的工艺参数可以使组织晶粒得到细化，避免裂纹和气孔的产生. 优化工艺参数得到的涂层耐磨性更好，摩擦因数比基体低，磨损失重比基体少，磨损机制为磨粒磨损，硬度为基体的3倍.
- 层次分析法 /
- 正交试验 /
- 多目标优化 /
- 激光熔覆 /
- 显微硬度
Abstract: In order to extend the service life of the parts and reduce the production costs, the laser cladding of the Ni60 molten coating layer on the 45 steel surface can meet the production requirements, avoid the waste of resources and achieve green manufacturing. The weights were determined by analytic hierarchy process and a three-level, three-factor orthogonal test was established to analyze the macro and micro morphologies, friction wear characteristics and micro hardness of the molten coating layer. The results show that the optimized process parameters are laser power of 3 kW, a scanning speed of 12 mm/s and overlap rate of 45%. The suitable process parameters can refine the tissue grain and avoid the generation of cracks and pores. The coating obtained by optimizing the process parameters has better wear resistance, lower friction coefficient, less wear weight loss than the base, the wear mechanism is abrasive wear and the hardness is three times that of the base.
- analytic hierarchy process /
- orthogonal test /
- multi-objective optimization /
- laser cladding /
- microhardness

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图 1 层次分析结构图

Figure 1. AHP structure diagram

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图 2 搭接示意图

Figure 2. Schematic diagram of lap joint

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图 3 试样宏观形貌分析

Figure 3. Analysis of macromorphologies for samples

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图 4 试样10熔覆层显微组织

Figure 4. Microstructure of cladding layer for sample 10

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图 5 45钢和试样10 的摩擦因数

Figure 5. Friction coefficient of steel 45 and sample 10

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图 6 45钢和试样10 的磨损失重

Figure 6. Wear and lost weight of 45 steel and sample 10

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图 7 材料磨痕图

Figure 7. Material wear trace patterns

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图 8 试样10熔覆层显微硬度

Figure 8. Microhardness of cladding layer for sample 10

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表 1 矩阵标度含义

Table 1. Matrix scale meaning

标度	含义
1	两个因素相比，具有同样重要性
3	两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要
5	两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要
7	两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要
9	两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要
2，4，6，8	上述两相邻判断的中值
倒数	因素i与j比较的判断，则因素j与i比较的判断a_ji=1/a_ij

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表 2 随机一致性指标${\rm{RI}}$

Table 2. Random consistency index${\rm{RI}}$

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
${\rm{RI}}$	0	0	0.58	0.90	1.12	1.24	1.32	1.41	1.45	1.49	1.51

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表 3 Ni60合金粉末主要化学成分

Table 3. Main chemical composition of Ni60 alloy powder %

C	Cr	Si	B	Fe	Ni
0.5~1.0	14.0~19.0	3.5~5.0	3.0~4.5	<8.0	余量

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表 4 激光熔覆试验工艺参数

Table 4. Process parameters of laser cladding test

试验序号	A₁/kW	A₂/(mm·s⁻¹)	A₃/%
1	1.5	6	15
2	1.5	9	30
3	1.5	12	45
4	3.0	6	30
5	3.0	9	45
6	3.0	12	15
7	4.5	6	15
8	4.5	9	45
9	4.5	12	30

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表 5 正交试验结果

Table 5. Orthogonal test results

试验序号	B₁	B₂/(10⁻⁴×g)
1	538.0	190
2	677.4	194
3	791.4	172
4	774.3	169
5	876.3	179
6	764.4	173
7	441.1	186
8	530.1	179
9	589.0	178

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表 6 显微硬度极差分析

Table 6. Range analysis of microhardness range

参数	A₁/kW	A₂/(mm·s⁻¹)	A₃
均值1	668.933	584.467	604.833
均值2	799.000	694.600	680.233
均值3	520.067	708.933	702.933
极差	278.933	124.466	98.100

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表 7 磨损量极差分析

Table 7. Range analysis of wear range

参数	A₁/kW	A₂/(mm·s⁻¹)	A₃
均值1	185.333	181.667	180.667
均值2	173.667	184.000	180.333
均值3	181.000	174.333	179.000
极差	11.666	9.667	1.667

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