高质量沉积速率致密碳化钨/铁复合材料激光金属沉积高粉末质量流量参数优化

《Scientific Reports》：Optimizing high mass flow parameters for high rate laser metal deposition of dense tungsten carbide iron composites

　　

激光金属沉积（Laser Metal Deposition, LMD）是大型工程构件修复与表面防护中的关键技术。然而，当采用高陶瓷增强相含量时，其在工业5.0（Industry 5.0）中的更广泛应用仍受到沉积速率低以及易产生缺陷的限制。该研究考察了50 wt% WC增强铁基自熔合金在粉末送粉速率（F）45–140 g/min、激光能量密度（E）7.5–15 J/mm²以及作用时间（T）0.022–0.045 s条件下的激光金属沉积行为。通过对扫描速度（v）与粉末送粉速率（F）进行系统调控，并结合方差分析（ANOVA），识别出一个稳定加工窗口，其特征为低能量密度、短作用时间和高F。在该窗口内，高密度粉末流产生显著屏蔽效应，将稀释率限制在<10%，抑制了过度碳化物溶解并稳定了熔池，从而获得全致密、近无缺陷的沉积层；其中球形WC颗粒分布均匀，整体上保持完整，仅在界面局部发生溶解。在最优条件（E = 12 J/mm², F = 90 g/min）下，基体硬度通过枝晶细化与二次碳化物析出达到550 HV，同时成形速率与熔化效率也实现同步最大化。这些结果使得在工业相关生产率水平下制备厚层、高完整性沉积层成为可能。该成果通过实现高速率、近无缺陷的再制造与防护涂层策略，直接推动循环制造（circular manufacturing），从而延长构件服役寿命、降低原生材料消耗并减少隐含能耗。由此，该结果使LMD与工业5.0以人为中心的生产模式相契合，并通过提升资源效率及可持续材料利用，在能源、汽车和重工业领域对联合国可持续发展目标（UN Sustainable Development Goals, SDGs）作出可量化贡献。

该文发表于《Scientific Reports》，围绕激光金属沉积（Laser Metal Deposition, LMD）在高硬质颗粒含量金属基复合材料制备中的工艺优化问题展开。研究背景在于，增材制造（Additive Manufacturing, AM）因具备设计自由度高、材料适应性强等优势，已成为智能制造与工业5.0的重要技术支撑。其中，LMD尤其适合大型零部件制造、修复与表面强化，在能源、航空航天、汽车和重工业领域具有突出的工程价值。与传统制造相比，LMD能够在构件局部实现材料按需沉积，因此在延长零部件寿命、减少材料浪费和支持循环制造方面具有显著潜力。然而，LMD在工业化推广中仍面临两类核心瓶颈：其一是沉积效率和构建速率偏低；其二是在高陶瓷增强相含量条件下，熔池稳定性变差，易诱发孔隙、裂纹、相偏析、碳化物过度溶解及基体稀释等冶金缺陷。对于WC增强铁基复合材料而言，WC虽可显著提高耐磨性、强化基体并促进原位二次碳化物析出，但当其添加量较高时，由于WC与铁基体在线膨胀系数上的显著失配以及LMD快速热循环造成的陡峭温度梯度，沉积层更易累积残余拉应力，从而损害结构完整性。因此，在不依赖复杂硬件升级的前提下，探索高送粉速率、低能量密度条件下的稳定工艺窗口，对于实现高生产率与高冶金质量兼顾的LMD具有明确必要性。

基于上述问题，研究人员选取50 wt% WC增强铁基自熔合金体系，系统考察了高粉末质量流量条件下LMD工艺参数与成形质量之间的关联。论文的核心目标是：在提高沉积质量流率和构建效率的同时，抑制高WC含量所带来的开裂、孔隙和过度稀释等问题，并建立兼顾几何稳定性、冶金完整性与工业可扩展性的参数窗口。研究表明，粉末送粉速率和扫描速度共同决定了沉积层的几何特征、构建效率与熔化行为，其中高送粉速率配合较低能量密度和较短作用时间，可以通过粉末流对激光束的“屏蔽效应”显著降低基体受热和稀释程度，从而实现厚层、致密、近无缺陷沉积。最终，论文在E = 12 J/mm²、F = 90 g/min条件下获得了综合性能最优的工艺状态，证明高质量流量LMD制备致密WC-Fe复合沉积层具有可行性和工程意义。

该研究的意义主要体现在三个方面。首先，在工艺科学层面，论文明确了高送粉速率与低能量密度之间并非简单对立关系，而是可以通过合理匹配形成稳定加工窗口，从而突破传统LMD在高沉积速率下缺陷增多的限制。其次，在材料冶金层面，研究证实了适度降低热输入不仅不会削弱沉积层质量，反而有助于保持WC颗粒形貌完整、限制界面宏观溶解、促进基体枝晶细化和二次碳化物析出，从而提高硬度与组织均匀性。最后，在可持续制造层面，论文论证了该工艺路径能够支持高效再制造与防护涂层沉积，减少原材料浪费和能耗，对工业5.0、低碳制造及可持续发展目标具有直接支撑作用。

研究所采用的主要技术方法包括：以商业钢板为基体、50:50质量比的铁基自熔合金/WC预混粉末为沉积材料，利用3 kW同轴送粉激光金属沉积系统开展单道沉积实验；通过预实验确定扫描速度4000–8000 mm/min和送粉速率45–140 g/min的参数边界，以扫描速度和送粉速率为自变量，结合能量密度（E）与作用时间（T）建立工艺参数框架；采用方差分析（ANOVA）评估稀释率、宽高比、构建速率和粉末熔化效率的主导因素；通过光学显微镜测量单道几何尺寸，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察截面组织与界面特征，并对截面进行显微硬度测试以评价强化效果。

以下结合论文主体结果，对各部分内容进行归纳解读。

Statistical analysis results
研究人员首先利用方差分析（ANOVA）量化扫描速度（v）和粉末送粉速率（F）对几何特征及效率指标的影响。结果表明，不同响应变量受控机制存在明显差异。对于稀释率（D）和宽高比（A）等几何控制指标，F为主导因素，其贡献率分别达到89.76%和57.66%。这说明沉积过程中粉末输运体积及其对激光束的遮蔽作用，是决定熔池形态和基体熔化程度的关键。相比之下，对于构建速率（B）和粉末熔化效率（M），v为主导因素，贡献率分别为77.42%和45.92%，表明当材料供给充足时，系统能否高效将粉末转化为沉积体主要受能量输入和扫描节拍控制。模型验证结果显示，各响应的决定系数（R²）较高，调整R²与预测R²接近，残差服从正态分布，说明统计模型具备较好的拟合与预测能力，也反映了三次重复实验具有较高可重复性。

Influence of process parameters on bead geometry
该部分聚焦工艺参数对单道沉积几何形貌的影响，并进一步解释稳定加工窗口的形成机制。

Dilution control
研究结果显示，稀释率（D）主要受送粉速率（F）控制，并与F呈显著负相关。在较高送粉速率下，稀释率始终维持在较低水平，尤其当F = 140 g/min时，在整个考察能量密度范围内D均低于10%。论文将这一现象归因于高密度粉末流诱导的屏蔽效应：大量粉末颗粒在激光到达基体前先行吸收和散射部分能量，使得真正传递至基体表面的热流减少。这样一来，更多激光能量被用于粉末熔化而非基体过度熔化，从而显著降低稀释率。研究人员指出，控制低稀释对于保持合金化学成分稳定和实现可靠冶金结合至关重要，因此相较于单纯调整扫描速度或激光功率，优化送粉速率是精确调控稀释行为的更关键手段。

Aspect ratio
宽高比（A）随着扫描速度和送粉速率的增加而降低，即沉积道趋向于更高、更窄。该结果说明，道形不仅受沉积材料体积控制，也受熔池尺寸与流动性的共同影响。文中指出，铁基自熔合金中Si和B元素降低了熔池表面张力并提高流动性，使熔融金属更易铺展；同时，WC颗粒的存在要求足够的热输入来维持流动性，否则会抑制横向铺展。ANOVA结果中，F和v对A均有较高贡献，说明宽高比是材料供给与热输入耦合作用的结果。该分析对后续构建厚层稳定沉积道具有直接指导意义。

Process productivity and efficiency
这一部分集中讨论高送粉条件下LMD的生产率和粉末利用效率，强调工艺窗口优化不仅是缺陷控制问题，也是工业经济性问题。

Build rate dynamics
构建速率（B）与v和F均呈正相关，但统计结果表明v的作用更为突出。这意味着仅提高送粉量并不能保证沉积效率同步提高，必须匹配相应的热输入和扫描节拍，才能使更多粉末真正被纳入沉积层。由于WC具有较高熔点、较高熔化潜热以及较高碳含量，其完全或部分熔化所需热输入明显高于普通金属粉末，因此在高WC负载条件下，热输入匹配显得尤为重要。论文据此指出，高沉积速率LMD的实质在于“材料供给能力”和“热处理能力”的平衡。

Powder melting efficiency (PME) and coating thickness
粉末熔化效率（PME）与单道涂层厚度（h）的联合分析揭示了工艺失稳边界。研究发现，在低送粉速率F = 45 g/min时，PME在较宽能量区间内保持40.6%–49.0%的较高水平，仅在最低能量密度E = 7.5 J/mm²时下降。相比之下，当F提高至90 g/min和140 g/min时，若E仅为7.5 J/mm²，PME会骤降至5.7%和5.3%，表现出明显的“崩塌式”失效。论文认为，这是粉末云过于致密、作用时间过短、激光被强烈散射与衰减后，基体表面无法形成稳定熔池所致。与此同时，随着E升高，沉积道高度呈规律性增加，在最大能量密度15 J/mm²下，不同F对应的厚度分别达到0.29 mm、0.56 mm和0.87 mm。综合PME与厚度结果，研究人员确定E ≥ 12 J/mm²是高送粉稳定沉积的关键阈值，该窗口可以同时维持较高粉末捕获效率和较大沉积厚度。

Microstructure characterization
在最优参数F = 90 g/min、E = 12 J/mm²下，沉积层显微组织表现出优良的复合结构特征。SEM结果表明，沉积层整体致密，WC颗粒与基体间界面结合良好，球形WC颗粒在基体中均匀分布，且大多保持原始球形形貌。论文认为，这种颗粒保形和均匀分布与低能量密度条件下熔池黏度较高、WC颗粒下沉时间受限有关，也说明稀释受到有效抑制。界面区域主要由外延生长的细小枝晶构成，少量WC颗粒偶见于界面附近，显示出良好的冶金结合状态。更高倍观察发现，WC/基体界面存在局部有限溶解，但颗粒整体得到保留。此种“局部溶解—整体保留”的状态有利于在增强界面结合的同时，避免连续脆性相网络形成。图像阈值分析进一步表明，优化窗口下沉积层平均孔隙面积分数仅为0.38%，主要为孤立的亚微米球形气孔，定量证明其接近无缺陷。论文还将这种高致密度归因于低E、短T与高F的联合作用：低热输入和短作用时间抑制WC过度熔化，高送粉流的屏蔽作用降低熔池峰值温度，从而减少脆性相形成并维持较大沉积厚度。

Hardness measurements
硬度分析显示，最优条件下基体硬度达到550 ± 15 HV，为所有测试参数中最高。由于测试区域避开了WC颗粒，因此该数值主要反映基体强化程度。研究人员将硬度提升归因于多个机制协同作用：其一，快速凝固促进枝晶细化；其二，部分溶解的WC向熔池中提供W和C，诱导原位二次碳化物析出；其三，WC颗粒可作为异质形核核心促进晶粒细化。硬度沿沉积层厚度方向呈由底部向顶部逐渐升高的趋势，说明顶部区域冷却速率更高，形成了更细的组织；而底部硬度相对较低，则与基体稀释作用有关。该结果进一步证明，优化参数不仅实现了高生产率，也同步提升了复合沉积层的力学性能。

Residual stress and cracking susceptibility analysis
针对50 wt% WC高增强比例复合体系易开裂的问题，论文从热膨胀失配和界面冶金反应角度进行了分析。WC与铁基自熔合金的热膨胀系数差异显著，在LMD快速加热—冷却循环中会在颗粒/基体界面诱发较大的局部拉应力；若热输入过高，则WC过度溶解释放大量W和C，促使连续脆性共晶碳化物网络形成，为宏观裂纹扩展提供通道。值得注意的是，在未进行基体预热的条件下，优化窗口内仍实现了宏观裂纹完全抑制。论文将其归因于低能量密度和高质量流量的共同热缓冲作用：致密同轴粉末流在喷嘴下方形成高浓度颗粒云，对激光产生光学和热学双重屏蔽，降低熔池峰值温度与热梯度，从而减小瞬态残余应力；同时，有限热暴露抑制WC宏观溶解，保留较柔韧的初生基体相，阻止界面微裂纹萌生。该结论说明，优化窗口能够在不依赖额外复杂预热或外部硬件的情况下，实现厚层复合沉积的可靠制备。

Strategic relevance for governance and industry
论文进一步从工业治理与可持续制造角度阐明了结果的战略意义。实验表明，在最优参数下体积构建速率达到4083.4 mm³/min，而在最高生产负载F = 140 g/min时可进一步达到5959.4 mm³/min，显示出高质量流量LMD在工业生产率方面的潜力。就材料利用而言，当工艺处于E ≥ 12 J/mm²稳定窗口时，PME可稳定在42%以上，最优条件达到46.6%，显著降低原始粉末过喷浪费；相比之下，在E = 7.5 J/mm²低能量边界下，PME塌陷至5.3%–5.7%，造成严重材料浪费。论文据此指出，优化窗口可将粉末浪费降低85%以上。此外，文中引入单位能量体积熔化效率指标，显示在12 J/mm²低能量密度和高送粉负载下，其数值达到1.97–1.98 mm³/J，说明能量更多被用于有效沉积复合材料，而不是以深度传导形式消耗于基体稀释。这些量化结果为政策制定者和产业界评估LMD在重工业再制造中的能效与资源效益提供了依据。

综上，论文讨论部分强调，稳定的高送粉—低热输入工艺窗口能够重新平衡高生产率与高冶金质量之间的矛盾。其关键机理在于利用密集粉末流的屏蔽效应调节激光—粉末—基体三者之间的能量分配，降低基体过热和碳化物过度溶解，同时维持足够的熔池稳定性和沉积厚度。研究并未依赖昂贵硬件升级，而是通过参数优化实现了致密、近无缺陷的高WC含量铁基复合沉积层，因此具有较强的工程可实施性。论文也明确指出，当前结果主要基于单道实验，后续仍需在多层沉积、服役性能验证以及更复杂热历史条件下继续考察，但其已为高效修复和表面防护型LMD提供了可靠的工艺基础。

研究结论可译述如下：该研究证明了采用50 wt% WC增强铁基自熔合金进行激光金属沉积的可行性，为工程构件修复与性能提升提供了一种高沉积速率解决方案，并兼具优异性能与经济优势。具体而言：（1）粉末送粉速率（F）是控制稀释率和宽高比的主导因素，贡献率为57%–90%；高送粉速率（>90 g/min）可通过激光束屏蔽效应稳定实现<10%的低稀释，从而保持沉积层化学组成和冶金结合。（2）扫描速度（v）对构建速率和粉末熔化效率具有主导控制作用，贡献率为45%–77%；所确定的低能量密度、短作用时间工艺区间可在不损害层完整性的前提下实现生产率平衡。（3）低能量密度、短作用时间和高送粉速率的组合可获得近无缺陷沉积层，并具有优异的碳化物保留率、均匀的WC分布及极小的界面溶解。（4）在优化条件E = 12 J/mm²、F = 90 g/min下，基体通过晶粒细化和原位碳化物析出实现550 HV硬度，同时在屏蔽效应作用下获得较大的沉积厚度。整体而言，该工艺在低热输入和高质量流量下表现出的稳定性，为智能化、低碳制造转型提供了坚实技术基础，并有助于推动面向修复的可扩展LMD工艺发展。