基體表面粗糙度對激光沉積不銹鋼形貌、組織及性能的影響

何振豐，高元，王志勇

（1.東北大學，沈陽 110819；2.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院，沈陽 110016）

目前，工業生產中零部件的高性能制造雖然有很大的提升，但是由于工況惡劣、受力復雜等原因，零部件的失效在所難免[1-2]，而傳統修復手段（如堆焊、熱噴涂等）具有熱變形大、結合性能弱、硬度不高等缺點[3-7]。還有一些特殊的零部件要求表面質量高（高硬度、高耐磨性），有時超出了零件材料本身的性能極限，這就需要異種材料復合制造以達到表面高性能要求[8-10]。為此引入激光直接沉積技術，用不同的添料方式，激光輻照被沉積表面，使之與基體表面同時熔化形成涂層，這種工藝可控性高、適應性強，沉積層與基體冶金結合，可實現選區沉積，形成的組織致密[11-13]。Minlin Zhong等[2]針對Inconel738單晶葉片進行激光沉積修復，修復之后的拉伸性能達到了基體的80%。張霜銀等[14]研究激光沉積修復鈦合金的工藝，發現激光功率影響柱狀晶的生長規律，搭接率影響沉積質量。薛雷等[15]對3種加工缺陷的Ti-6Al-4V合金進行激光修復，得到的修復件拉伸性能均達到鍛件水平。W.Gandyd等人[16]發現，在優化的激光工藝參數下，In-738基體上激光沉積In-939，可獲得性能優良的沉積層。H.So等[17]在低碳鋼、中碳鋼和不銹鋼上沉積司太立合金，得到了很好的常溫和高溫耐磨性能。王長貴等[18]改變參數對鑄鋼表面進行激光熔凝，在熔凝和相變硬化區獲得馬氏體、大量殘余奧氏體和碳化物的混合組織，硬化層深度達2 mm。日本Sodick公司和Matsuura Machinery采用選區熔化成形工藝與數控銑削復合制造機床，實現了內含復雜冷卻流道注塑模具的高精度制造[19]。前人研究發現，改變金屬表面粗糙度可以很大程度上提高其對能量光的吸收[20]。Vorobyev等[21]用激光加工技術在鉑金表面制備微納米粗糙結構，獲得了對能量光吸收較好的表面。Wang等人[22]在低碳鋼基體采用超音速火焰噴涂方法制備WC-Co涂層，發現粗糙度為0.059～9.0 μm時，涂層結合強度隨粗糙度的增加而變大。楊暉等人[23]發現，粗糙度在一個最佳的范圍內，基體與涂層的冶金結合最好，并不是粗糙度越大越好。

但是，他們目前研究大部分集中在工藝調控組織性能，而對其表面形貌的影響并沒有論述。然而，基體表面粗糙度的不同，會在基體表面產生不同程度的陷光效應，進而對沉積層組織、性能產生影響，最終會對利用激光沉積技術修復與強化的零部件質量產生影響。因此，本文關注點在于：激光沉積過程中基體表面粗糙度Ra的改變及沉積過程中陷光效應的存在，會對基體表面熱輸入量以及沉積層的化學成分產生影響。沉積過程中的熱輸入量密切影響著沉積層、熱影響區以及結合區的形貌、組織和性能。為了得到形貌、組織和性能優良的沉積層，研究基體表面粗糙度對沉積層形貌、組織和性能的影響是非常必要的。

通過對不同機械加工方式獲得的P20鋼基體表面上沉積316L不銹鋼的形貌、組織等變化進行分析，獲得不同沉積狀態下沉積層形貌與表面特征的影響規律，結果可為模具激光修復提供理論與實驗依據，為沉積質量控制提供新的思路，具有一定的工程價值和科學意義。

1 試驗

1.1 沉積層制備

本實驗采用316L不銹鋼粉末作為沉積材料，粉末粒度范圍為150—200目，基體材料為預硬化P20模具鋼，尺寸為50 mm×120 mm×30 mm，成分組成如表1所示。采用表面加工方式，包括球頭銑刀銑削、240#砂紙磨削、高速噴砂，在將P20模具鋼表面加工出不同粗糙度，其后續表面粗糙度值采用德國MarSurf PS1高精度粗糙度儀進行測量，具體數值如表2所示。

表1 316L和P20化學成分Tab.1 Chemical compositions of 316L and P20 wt%

表2 P20模具鋼基體待沉積表面的粗糙度Tab.2 Surface roughness of P20 mold steel substrate to be deposited μm

沉積前用酒精清洗基體表面去除污物。沉積設備為本實驗室自主開發的金屬激光直接沉積增材制造系統，由2KW IPG 光纖激光器、水冷機組冷卻系統組成，激光傳輸方式為光纖傳輸，送粉方式為同軸送粉；執行機構采用史陶比爾RX160 機器人，控制器為工控機；掃描方式為工件固定，機器人帶動激光器和同軸送粉頭在三維空間運動[24]。工藝參數初步確定為：激光功率（P）1400～2000 W，掃描速度（Vs）4～6 mm/s，送粉速率8 g/min。根據功率密度變化組合設計，來確定各組試驗的工藝參數，并進行單道沉積實驗。然后從單道實驗中選取激光功率為2000 W、掃描速度為6 mm/s的工藝參數，在通入氬氣氣氛保護的熔池中，分別進行多道搭接實驗（搭接率為60%）、單道薄壁實驗（沉積10層）、多道多層實驗（搭接率為60%，沉積30層）。

1.2 性能測試及組織觀察

激光沉積后，對所有試樣進行線切割，切割后的試塊經打磨、拋光及王水溶液（V(HNO3):V(HCl)=1:3）腐蝕后，用酒精沖洗，吹干。使用Zeiss Vert A1光學顯微鏡（OM）進行顯微組織觀察，并對其進行組織形貌分析。為了探究基體表面狀態對結合性能的影響，選取噴砂基體和銑削基體兩組多道多層實驗制備拉伸試樣，垂直于掃描方向獲取所需拉伸試樣，每組在同一位置取3個拉伸試樣，拉伸試樣寬度為4 mm，厚度為2 mm，沉積層和基體的高度各占1/2。在INSTRON 5582拉伸試驗機上進行拉伸試驗，獲取試樣的屈服強度和抗拉強度，加載方向垂直于掃描方向，隨后在TESCAN MAIA3掃描電子顯微鏡（SEM）上觀察斷口形貌。

2 結果及分析

2.1 形貌及組織

2.1.1 單道單層

根據功率密度（P/Vs）[25]變化組合設計來確定各組試驗的工藝參數，依據1.1節中給出的激光功率和掃描速度的范圍確定工藝參數，見表3。針對三種表面粗糙度，在氬氣保護下分別進行5組實驗，然后選取其中I、Ⅲ、V在氧氣狀態下進行單道實驗。圖1為在不同表面狀態（噴砂、磨削、銑削）基體上激光沉積得到的沉積層。圖2是沉積層形貌參數示意圖，整個沉積層尺寸包含熔高La、熔深Lb和熔寬Lw，稀釋率是表示沉積層質量的一個重要指標，不易準確測量，本文用Lb/(La+Lb)[26]的值來近似表示稀釋率D（dilution）的大小，將所有測量結果列入表4。

表3 激光沉積工藝參數Tab.3 Process parameters of laser deposition

圖3為粗糙度對沉積層宏觀形貌的影響趨勢。由圖3a、b可看出，隨著基體表面粗糙度的變大，La與Lb呈增長趨勢，并且隨著激光密度的增加，La與Lb都有非常明顯的變大。在Ar保護狀態下，La和Lb的變化曲線較為平緩；而在Air環境下實驗，La與Lb隨粗糙度的變大，產生較為激烈的上升，增加幅度都達到了近100%。La和Lb最大增幅分別為0.16 mm和0.21 mm，且都發生在最低激光密度為233 (W·s)/mm的Air環境中。由圖3c可得，在Ar保護狀態下，隨基體表面粗糙度的變大，熔寬Lw的增長非常激烈，而Air環境下較為平緩。Lw最大增幅為1.3 mm，也出現在能量密度為233 (W·s)/mm且有Ar保護的狀態下。由圖3d可得，隨著基體表面粗糙度的增加，稀釋率D變化無明顯規律，但大多趨于55%；最低稀釋率（28.6%）出現在最高能量密度為425 (W·s)/mm的Air沉積環境中。

表4 沉積層宏觀尺寸Tab.4 Dimension of morphology of deposition layer

綜上可知，隨著基體表面粗糙度的增大，沉積層的宏觀形貌尺寸隨之增加。這是因為隨著粗糙度的增大，陷光效應逐漸明顯，基體吸收的能量增大，基體熔化較多，熔池的寬度和深度也會增加。當粗糙度減小時，基體吸收的能量變少，由于粉末輸入量一定，此時會有粉末飛濺，致使沉積層粉末減少，沉積層寬度和高度也會減小。光在進入陷光結構時，在結構內部發生一系列的反射、折射和散射，使得光程變長，介質對光子的吸收量變大，而陷光結構反射出去的光相應變少，此效應便是陷光效應[20]，見圖4?？梢园l現，基體表面粗糙度對沉積層高度、深度、寬度及稀釋率的影響程度與沉積過程中有無Ar保護有關，還與激光密度有關。Air環境下氧化反應嚴重，會加大表面粗糙度對沉積層形貌的影響，尤其是在激光密度較低時，氧化反應的影響更明顯。由在Air狀態下出現的最低稀釋率（28.6%）可知，激光密度較大時，粗糙度的增加有利于沉積層與基體的冶金結合，并且氧化反應會加深這種影響。

圖5為沉積層底部金相圖，基體噴砂表面和砂紙磨削處理表面的粗糙度較大，沉積層與基體之間存在亮白線[27]，說明沉積層與基體形成較好的冶金結合。亮白線是在基體與沉積層之間形成具有一定厚度的區域，是熔池底部形成的平面晶。這是因為底部結晶凝固過程中主要靠基體散熱，溫度梯度很高。而在銑削基體表面沉積層界面處也存在亮白線，但不明顯，且不連續。在高倍下還可以看到，隨著基體表面粗糙度的增大，沉積層底部的晶粒尺寸越來越大，且生長方向趨于不明顯。

2.1.2 單道薄壁

在能量密度為333 (W·s)/mm下對噴砂表面和銑削表面進行單道沉積薄壁試樣，層數為10層。圖6為沉積10層的橫截面形貌，在低倍下可以看到，噴砂表面沉積高度達到6.8 mm，銑削表面沉積高度只有5.3 mm，可知在相同工藝參數下，基體表面粗糙度的變化對薄壁高度的增長有較大影響。在沉積前5層時，粗糙度大的噴砂基體表面沉積層高度為2.5 mm，而粗糙度小的銑削基體表面沉積層高度為1.25 mm，僅達到前者高度的1/2；而在后面6—10層沉積中，兩種基體狀態的沉積層增厚，厚度分別為4.35 mm和4.5 mm，差距很小，可得粗糙度的影響主要集中在前5層。這是因為沉積第1層時，類似2.1.1節提到的單層沉積，基體表面對能量的吸收不同，沉積層宏觀形貌也不同，在以后的逐層堆積過程中，這種影響是累積的，但是影響程度會逐漸衰減。在第5層之后，沉積層高度的增長基本一致，基體表面粗糙度不再對沉積層高度產生影響。薄壁截面的寬度分別為3.6 mm和3.7 mm，可得粗糙度堆積過程中，寬度方向不產生影響。另外，對比發現：噴砂基體表面的沉積孔隙率[28]為1.1%，而銑削表面孔隙率達到了3.5%，前者僅為后者的31%，可以看出表面粗糙度對孔隙率的影響很明顯。這是因為噴砂處理大大改善了沉積層與基體的結合狀況，使往后的沉積層具有非常好的接合面，從而減少了孔隙率，使沉積層組織致密。

從圖6高倍形貌可以看出，316L沉積層組織由長短不一的柱狀樹枝晶組成，這些枝晶沿垂直于層間界面的方向外延生長。從圖6a可以看出，沉積層與基體的界面為一條光滑平整的平面晶帶，二者有良好的冶金結合?？拷w的枝晶是非常細長的柱狀晶和占多數的轉向樹枝晶，轉向樹枝晶截面呈典型蜂窩狀結構。圖6b是沉積薄壁中部，沉積層組織包含垂直于層間界面的相對較大的柱狀晶和部分層間轉向樹枝晶。圖6c是沉積薄壁頂部，此部分組織轉向樹枝晶區的厚度大于中間和底部，而且柱狀晶相對粗大；最頂層由于受到保護氣體和大氣的冷卻，且未受激光再加熱，最外層組織反而較為細小[29-30]。

2.1.3 多道搭接

多道搭接沉積的表面平整，無裂紋、氣孔等常見缺陷[31]。圖7a為搭接沉積層截面，縱向尺寸H為熔高La與熔深Lb之和，橫向尺寸L為熔寬Lw。對于同一沉積層截面，隨著搭接的進行，H和L都產生了由大到小的往復變化，圖7a中數值為縱向、橫向尺寸分別測出的最大值與最小值。由圖7b可知，隨著粗糙度的增大，H由0.72 mm增加到1.55 mm，L由2.5 mm增加到3.42 mm，并且縱向尺寸H的內部增長范圍持續變大，而橫向尺寸L的范圍保持穩定。這是因為較粗糙的基體表面對激光能量的吸收較強，使沉積過程中熔池增大，更多粉末熔化進入熔池。也可以看出，在相同工藝參數下的單道實驗結果僅交替出現在多道實驗中。

如圖8所示，隨著基體表面粗糙度的增加，沉積層的柱狀晶組織粗化且不均勻。這是因為基體表面粗糙度增大，使得沉積過程中熱輸入量和溫度梯度相應增加，熔池中液態金屬凝固的時間變長，熔池結晶速率減緩，所以因而得到的沉積層組織更加粗大，且不均勻。

2.2 力學性能分析

由于熔化沉積成形塊由許多微小的熔池相互疊加而成，形成大量魚鱗狀界面[32]，因此已成形的沉積層對相鄰的下一沉積層沉積難免會產生影響。在噴砂表面基體和銑削表面基體上進行相同工藝參數的沉積，堆積出兩個沉積層數為30的塊體。如圖9所示，垂直于掃描方向獲取所需拉伸實驗樣塊，每組在同一位置取3個拉伸試樣。在相同條件下對兩組試樣進行拉伸試驗，激光沉積掃描方向與加載方向垂直。由圖10可知，斷裂都發生在316L沉積層區域。計算每組3個拉伸試樣的屈服強度σ0.2及抗拉強度σb，其平均值代表該組的力學性能，如圖11所示。可以看出，兩種表面狀態基體的σ0.2分別為327.41 MPa和323.52 MPa，σb分別為540.93 MPa和523.12 MPa，普通鍛造態316L不銹鋼的σ0.2與σb分別為240 MPa與530 MPa左右，可知激光沉積316L不銹鋼對抗拉強度的影響較小；而沉積層316L的屈服強度遠高于普通鍛造態316L，屈服強度的提升是由于激光沉積過程中，316L沉積層內部細小晶粒致密排列所致。對比兩組實驗結果，噴砂基體上沉積層的試樣抗拉強度稍高于銑削基體上沉積層的強度，這是由于基體表面粗糙度會對沉積層內部的孔隙率產生影響，其機理分析見2.1.2節，孔隙率的變化最終影響了沉積試樣的力學性能。圖12為不同放大倍數下激光沉積316L不銹鋼拉伸斷口形貌。從圖12a可見，試樣斷口相對平齊，但存在明顯撕裂。經放大之后，由圖12b可觀察到比較均勻的塑性韌窩和明顯的白色撕裂棱，表現出良好的塑性，斷裂機制為微孔的聚合與長大[33]。

3 結論

1）單道沉積過程中，基體表面粗糙度對沉積層存在明顯影響，隨粗糙度的增大，沉積層宏觀形貌尺寸（熔寬、熔高、熔深）會增加，并且在Air環境下，熔高、熔深的增加幅度達到了100%，而熔寬的增加較平緩；結合區稀釋率趨于55%，最低稀釋率（28.6%）出現在最高能量密度為425 (W·s)/mm的Air沉積環境中。

2）粗糙度對沉積薄壁的高度增長有顯著影響，在本實驗中前5層的沉積中，噴砂基體表面的沉積高度達到2.5 mm，銑削表面的沉積高度僅有1.25 mm；噴砂基體上沉積層內部孔隙率僅為銑削基體的31%。對于多道搭接沉積，粗糙度的影響主要集中在沉積層截面的縱向（H），粗糙度的增大使內部柱狀晶變粗大，且不均勻。

3）兩種表面狀態基體的σ0.2分別為327.41 MPa和323.52 MPa，可知激光沉積對屈服強度的影響很??；而σb分別為540.93 MPa和523.12 MPa，基體表面粗糙度增大，沉積層內部的抗拉強度隨之增強，可知基體表面粗糙度變大，會一定程度地改善沉積層內部的力學性能。通過對斷口SEM分析可知，由于粗糙度對內部孔隙率的影響，從而影響了沉積試樣的力學性能。