鉻對(duì)激光快速成型試件組織和力學(xué)性能的影響

閆夢(mèng)達(dá)，邱長(zhǎng)軍，陳 偉

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

鉻對(duì)激光快速成型試件組織和力學(xué)性能的影響

閆夢(mèng)達(dá)，邱長(zhǎng)軍，陳 偉

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

利用激光表面增材制造技術(shù)在基材上熔覆三種鉻含量不同的粉末，分別為5.12%、12.3%、17.2%，通過(guò)X射線衍射法測(cè)量各熔覆層中殘余奧氏體（AR）量，研究其力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，Cr含量是通過(guò)影響熔覆層AR量來(lái)影響熔覆層的硬度和抗拉強(qiáng)度，隨著Cr含量增加，熔覆層硬度和抗拉強(qiáng)度逐漸下降。

鉻；激光快速成型；硬度；抗拉強(qiáng)度

0 引言

激光表面增材制造自動(dòng)化系統(tǒng)由光功率2 kW～20 kW的連續(xù)激光器與5～8軸數(shù)控裝置組合集成。它利用高能量密度激光束在金屬基材表面輻照快速熔化形成熔池，同時(shí)向熔池中送入有特殊性能的材料、填充材料快速熔化擴(kuò)散和快速凝固在基材表面溶積一層0.1 mm至數(shù)厘米具有特殊物理、化學(xué)、力學(xué)性能的表層材料，并通過(guò)5～8軸數(shù)控裝置驅(qū)動(dòng)激光束掃描熔積出較高精度的表面幾何形狀。它是集材料制備表面成性和成形為一體技術(shù)，可大幅度提高技術(shù)部件表面性能，是國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的綠色制造技術(shù)[1-8]。

針對(duì)各種合金粉末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，在合金粉末中添加一定的Cr元素，不僅對(duì)晶體起到固溶作用，而且使得激光熔覆層被氧化鈍化，從而提高熔覆層耐蝕性能和抗高溫氧化性能，隨著鉻含量的增加，熔覆層殘余奧氏體體含量也隨之變化，從而影響試件的力學(xué)性能。本文在一定激光表面增材制造的試驗(yàn)基礎(chǔ)上探究鉻含量對(duì)激光快速成形試件力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

利用Q235作為基材，噴砂以去除油污。以三種種鉻含量不同的不銹鋼粉末（Ni：5%～6%、B：0.5%～0.6%、Si：0.5～0.7%、C：0.12～0.15%、Fe：其余）作為激光熔覆粉末材料制得試件A、B、C，其Cr含量分別為5.12%、12.3%、17.2%.試驗(yàn)所用設(shè)備為5 kW橫流CW CO2激光器，激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率為2.3 kW，橢圓形光斑尺寸為5.5 mm× 3.5 mm，掃描速度為6 mm/s，送粉速率為6.7 g/min，搭接率為50%，側(cè)向同步送粉。采用TH320型多功能全洛氏硬度計(jì)測(cè)量其洛氏硬度；利用X射線衍射法測(cè)量各熔覆層中殘余奧氏體（AR）量[9]，將試件切成如圖2所示非標(biāo)拉伸試件，利用采用WDW-20E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試件拉性能，如圖2所示。

圖1 拉伸試件示意圖（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鉻含量對(duì)熔覆層殘余奧氏體含量及顯微硬度的影響

利用X射線衍射法測(cè)量各熔覆層中殘余奧氏體（AR）量[10]，由表1可知，試件B、試件C分別比試件A的AR含量提高了134.48%、348.28%，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著鉻含量增加，熔覆層AR含量逐漸增加。

表1 鉻對(duì)熔覆層殘余奧氏體量（體積百分?jǐn)?shù)）的影響

在每個(gè)成型件表面各取10個(gè)點(diǎn)，利用洛氏顯微硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度，各組硬度測(cè)量如圖3所示，可知，試件A、B、C的平均洛氏硬度分別為53.9 HRC、51 HRC、45.1 HRC，試件B、C的洛氏硬度比試件A的洛氏硬度分別下降了5.38%、16.32%，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著鉻含量的增加熔覆層的硬度逐漸下降。鉻元素對(duì)熔覆層硬度的影響主要是通過(guò)影響熔覆層中AR的量來(lái)影響熔覆層的硬度。當(dāng)鉻含量從5.12%增加到12.3%，熔覆層中AR達(dá)到了34%，由于AR硬度低，熔覆層硬度逐漸下降，當(dāng)鉻含量從12.3%增加到17.2%，熔覆層中AR增加較快，所以當(dāng)鉻含量從12.3%增加到17.2%時(shí)試樣中熔覆層硬度下降較快。

圖3 鉻含量對(duì)試件硬度的影響

2.2 鉻含量對(duì)試件拉伸力學(xué)性能的影響

將非標(biāo)拉伸試件裝夾在自制的拉伸夾具上，然后在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.2 mm/min.三種試件的抗拉強(qiáng)度如圖4所示，可知，試件A、B、C的平均抗拉強(qiáng)度分別 1 238.6 MPa、1 080.6 MPa、940.6 MPa，試件B、C的抗拉強(qiáng)度比試件A的抗拉強(qiáng)度分別下降了12.75%、24.05%.結(jié)合表1可知，隨著Cr含量的增加，熔覆層中AR（體積百分?jǐn)?shù)）逐漸增加，當(dāng)Cr含量從5.12%增加到12.3%，AR量從14.5%增加到了34%，因?yàn)锳R會(huì)降低硬度，且穩(wěn)定性差，所以試件的硬度和抗拉強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)Cr含量為17.2%時(shí)，熔覆層中AR達(dá)到65%，熔覆層中AR量增長(zhǎng)快，所以試件C的硬度和抗拉強(qiáng)度下降較快。

圖4 鉻對(duì)試件抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

Cr含量是通過(guò)影響熔覆層AR量來(lái)影響熔覆層的硬度和抗拉強(qiáng)度，當(dāng) Cr含量從5.12%增加到12.3%為時(shí)，試件的硬度和抗拉強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)鉻含量從12.3%增加到17.2%，熔覆層中AR量增長(zhǎng)快，熔覆層的硬度和抗拉強(qiáng)度下降較快。

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Effect of Chromium on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Rapid Prototyping Specimens

YAN Meng-da，QIU Chang-jun，CHEN Wei
（Mechanical Engineering School，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Using laser surface additive manufacturing technology，three chromium powders with different contents were deposited on the substrate，respectively，5.12% ，12.3%and 17.2%.The retained austenite （AR） in the cladding layers was measured by X ray diffraction method.The test results show that the content of Cr affects the hardness and tensile strength of the cladding layer by affecting the amount of ARin the cladding layer.With the increase of Cr content，the hardness and tensile strength of the cladding layer decrease gradually.

chromium；laser rapid prototyping；hardness；tensile strength

TG456.7

A

1672-545X（2017）10-0064-02

2017-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51474130）；湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湘財(cái)教指[2014]85號(hào)）；湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（湘教發(fā)[2011]76號(hào)）；湖南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（湘教通[2012]318號(hào)）

閆夢(mèng)達(dá)（1992-），男，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：激光再制造；邱長(zhǎng)軍（1965－），男，湖南衡陽(yáng)人，教授，主要從事激光再制造方面的工作。