2.2.4 熔覆搭接方式对熔覆层性能的影响
2.2.4.1 单道单层搭接
单道单层熔覆层的制备是等离子熔覆工艺中最简单、受外界影响最小的一种。单道单层熔覆层工艺的微观组织结构与熔覆工艺参数有很大关系，本章前三小节分别介绍了熔覆电流、送粉量和扫描速度对单道单层熔覆层性能的影响。熔覆层性能及其成型质量与熔覆工艺参数间并非呈线性递增或递减趋势，而是根据熔覆粉末材料不同，适度调节各个工艺参数才能得到性能优异的熔覆层。
2.2.4.2 单道多层搭接
用等离子熔覆技术进行尺寸修复或快速成型时，单层的熔覆层厚度或宽度不能达到工艺所需要的尺寸要求，需要在同一个部位进行反复的熔覆，即单道多层熔覆。在等离子熔覆层逐层堆积时，熔覆层经历了一个不均匀的加热和冷却过程，即一个特殊的热处理过程。在单道多层等离子熔覆时，层与层的结合区接近金属的熔点，先成型的熔覆层与后成型的熔覆层之间会有热影响，从而造成等离子熔覆层不均匀的组织与性能。因此，单道多层熔覆过程中受到工艺参数和外部因素的影响比单道单层熔覆要复杂很多。以下就单道多层搭接方式对熔覆层性能的影响进行阐述，重点研究了在熔覆过程中熔覆层与层之间的相互影响。
图2.18为多层熔覆时层与层的熔覆区及热影响区的显微形貌图。从图中可以看到，在层与层之间并没有形成平面晶组织。这是因为在进行多层熔覆时，往往后一层处于熔覆状态而前一熔覆层还未完全冷却，层间交界处温度梯度虽大，但不足以完全形成平面晶，仍以柱状晶外延方式生长。在熔覆层与层的分界处，可以看到明显的沉积层界面，表现为一条等轴晶细带。通过对分界处的进一步观察，可以发现熔覆区域热影响区的分界均是由晶粒形态发生急剧变化造成的。出现等轴晶带的原因在于后一熔覆层会对前一熔覆层从上至下的不同区域施加不同的热影响，使前一熔覆层顶部未熔化部分的组织发生重结晶，在快速冷却过程中形成细小的等轴晶带。
图2.18 单道多层等离子熔覆区及热影响区显微形貌
（a）熔覆区；（b）热影响区
图2.19为单道两层和单道三层熔覆层的显微硬度变化曲线，除层数不同外两样品的其他工艺参数相同。从图中可以看出两样品的平均显微硬度值是有差异的，熔覆单道两层样品的硬度明显要高于单道三层样品，但在最表面一层熔覆层上的硬度值又趋于相同。根据曲线的变化趋势，可以看出两者的相同点，即熔覆层的显微硬度值会呈现台阶形，熔覆几层就有几个台阶，每个台阶熔覆层硬度都会出现一次下降，该区域是重熔区。在下降之后硬度往往会有所上升但低于上一台阶的硬度值，这是进入了下一道熔覆层。出现这种现象的原因是，在进行多次等离子熔覆时，若熔覆的时间间隔太短，则前一道熔覆层中的热量不能完全散失，会对后一道熔覆层起到高温回火的作用。熔覆层数越多，积累的热量也就越多，样品的整体温度也越高，后一熔覆层的回火温度也越高，后一熔覆层的凝固组织就越来越接近于平衡凝固组织，因此硬度也就下降得越多。从图中还可以看出，样品最表面的硬度有所上升，这是因为顶层散热相对较快，样品表面的对流效应会对顶层产生空冷淬火的效果，导致顶层的显微硬度上升。
图2.19 单道多层熔覆层显微硬度变化曲线
2.2.4.3 单层多道搭接
单层双道搭接熔覆示意图如图2.20所示。熔池在基体A、相邻熔覆线B和该熔覆线已沉积区C的交界处形成，这三部分在与熔池毗邻处重熔，使得熔池凝固后和这三部分呈冶金结合，达到组织的致密性。成型过程中随着相邻轨迹间的距离不同，会出现不同的搭接效果。当成型轨迹间距离过大时，没有搭接或者搭接量不足，所得到的熔覆层表面起伏不平，对后续层的搭接成型造成影响；而搭接间距过小，搭接量过度，则会直接影响到当前正在成型的断面层高。因此，成型轨迹间距的选择要合适，以保证理想的搭接量使得成型后的表面为平面。
图2.20 单层双道搭接熔覆示意图[81]
图2.21为等离子熔覆单层四道搭接的金相组织照片，图2.21（a）、图2.21（b）、图2.21（c）分别为三个搭接区分界处的金相组织形貌。可以看到基体与前后两道熔覆层的明显差异，随着搭接次数的增加，熔覆层之间差异减小。在横向搭接熔覆时，由于搭接区基体不再是原始基体，而是前一道部分等离子熔覆层，因此搭接熔池边界重熔区基体的化学成分和晶体结构与熔池金属完全相同，为后一道熔覆层依附于前一道的部分溶解界面，形成具有相同或相近晶格结构和晶粒尺寸的凝固方式即为“外延生长”提供了条件。从图2.21（a）、（b）中可以看出，第二道熔覆层部分枝晶以非连续外延式向熔池生长，部分枝晶的生长方向继承了第一道熔覆层的结晶方向，而另一些树枝晶的生长方向发生了改变，这是由晶体学取向和热流方向共同决定的。从图中可以看出在枝晶转向的同时组织明显粗化，而此时部分热量传递主要通过前一道熔覆层来完成，而前一道熔覆层材料本身的传热系数比基体要低一些，同时为了提高制备效率熔覆间隔时间不足以使前一道熔覆层完全冷却，前道熔覆层所堆积的热量会对后一道熔覆层造成回火作用。以上三种情况的综合作用导致第二道熔覆层的组织粗大，在图2.21（a）中，左下方为第一道熔覆层的组织，右上方为变粗大之后的第二道熔覆层组织，两者之间还不能看出非常明显的枝晶转向区，但这种由于非连续外延生长[82]造成的枝晶转向区在熔覆层的中部即重熔区却更为明显。
图2.21 单层四道搭接熔覆层的三个搭接区金相组织
多道搭接熔覆层重熔区的金相组织如图2.22所示。在重熔区，枝晶转向区较宽，树枝晶的生长方向发生了显著变化，没有表现出明显的继承性，说明在此工艺下重熔区深度超过了枝晶转向区，此处重熔区熔覆层之间的冶金结合较图2.21中的交界处要好。图2.22（a）、（b）是更靠近底层的搭接区组织，图2.22（c）、（d）、（e）是更靠近表面的搭接区组织。对比图2.21可以看出，第二道熔覆层的组织更加粗大，这是因为在图2.22（a）、（b）中既不靠近基体也不靠近熔覆层表面的区域，冷却速度较慢且受到前道熔覆层热效应的影响更大，两者的综合作用促进了熔覆层组织的进一步生长。
图2.22 多道搭接熔覆层重熔区金相组织
（a）、（b）靠近基体区域；（c）～（e）靠近熔覆层表层区域
表2.5、表2.6分别为四道搭接和三道搭接样品的显微硬度值，其中四道搭接样品的熔覆电流为100A，三道搭接样品的熔覆电流为80A。对比两表可以看出，四道搭接样品整体的显微硬度值要低于三道搭接样品，这一结果与前述分析的电流对单层熔覆层硬度的影响规律相吻合。对于多道搭接工艺而言，重点考察搭接区交界处和重熔区及附近熔覆层组织的硬度值。以交界处为起点等距离测量熔覆层硬度，分为三组，对每一距离的硬度平均值再取平均值即为各道熔覆层的平均值。与多层等离子熔覆相似，在进行熔覆层搭接的同时，前道搭接会对后道搭接形成高温回火效应，造成硬度降低；搭接区硬度值降低之后转而上升，但下一道熔覆层的硬度要低于上一道的硬度。多层熔覆与多道搭接熔覆对熔覆层硬度的影响是相似的，造成这种影响的原因也相同。
表2.5 四道搭接熔覆层各区域显微硬度单位：HV0.1
表2.6 三道搭接熔覆层各区域显微硬度单位：HV0.1
