激光熔覆馬氏體不銹鋼組織性能研究

陳翠玲，房鑫亮，劉 博，付田田，盧彥朋

(河北敬業(yè)增材制造科技有限公司，河北 石家莊 050000)

激光熔覆技術(shù)采用激光熱源將合金粉末熔覆于零件表面，使零件表面獲得較高的耐磨、耐腐蝕[1]和耐熱等性能。與熱噴涂和傳統(tǒng)堆焊相比，激光熔覆技術(shù)具有冷卻速度快、組織細(xì)小均勻、稀釋率低、母材熱影響區(qū)小[2]、零件變形小[3]等優(yōu)勢，且激光熔覆技術(shù)材料利用率高，能量消耗少，被認(rèn)為是先進(jìn)的綠色制造技術(shù)，成為表面改性和加工技術(shù)的研究熱點之一。激光熔覆層的性能受很多方面因素的影響，激光熔覆用粉末材料是影響覆層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，因此，開發(fā)激光熔覆配套合金粉末體系具有重要意義。

不銹鋼具有優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，同時具有良好的耐腐蝕性能，并且具有鐵基合金粉末生產(chǎn)成本低[4-5]、性價比高等優(yōu)點，成為重要的激光熔覆材料研究課題之一。馬氏體不銹鋼具有優(yōu)良的機(jī)械性能，被認(rèn)為是航空航天、石油化工等領(lǐng)域的重要材料。與奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼相比，馬氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及良好的耐腐蝕性能。

目前，研究較多的馬氏體不銹鋼激光熔覆涂層主要有AISI431、AISI420以及沉淀硬化馬氏體不銹鋼[6]。李勇作[7]等以傳統(tǒng)AISI431馬氏體不銹鋼的合金成分為基礎(chǔ)，添加釩元素進(jìn)行微合金化，結(jié)果表明釩元素可細(xì)化熔敷層的馬氏體組織，提高熔敷層耐腐蝕性能，當(dāng)釩元素含量為0.25%時，熔覆層硬度提高，具有最佳的拉伸力學(xué)性能。I. Hemmati[8]等在AISI304奧氏體不銹鋼基體上進(jìn)行單層和多層激光熔覆AISI431馬氏體不銹鋼合金粉末，研究了不同掃描速度下AISI431快速凝固產(chǎn)生的微觀組織特征變化，討論了微觀組織的變化對熔敷層硬度的影響：隨著掃描速度增加，馬氏體的晶界角度沒有差異，殘余奧氏體含量增加，導(dǎo)致熔敷層硬度降低。Kaimingwang[9]等人研究了Mo含量對AISI431激光熔覆層組織和性能的影響，結(jié)果表明：隨著Mo含量的增加，熔覆層耐腐蝕性能先增加后降低，當(dāng)Mo含量為2%時，熔敷層耐腐蝕性最好，隨著Mo含量再增加，熔覆層硬度降低。

由于在含氯離子(Cl-)介質(zhì)中，Cr-Ni奧氏體鋼容易發(fā)生因鈍化層破壞而腐蝕；若鋼中含Mo，在各種酸中均有改善耐腐蝕性的作用。本研究在傳統(tǒng)AISI431成分基礎(chǔ)上，通過添加適量的B，提高熔敷層的成型性；添加少量Nb、Mo等元素進(jìn)行合金化，提高合金系耐點蝕和晶間腐蝕等性能，研究了不同Nb含量對激光熔覆層組織以及硬度、耐腐蝕等性能的影響。

1 實驗材料及方法

不銹鋼合金粉末采用本公司真空氣霧化設(shè)備進(jìn)行制備，粉末粒度為-100～+300目，粒徑分布D10為60-70 μm，D50為80-100 μm，D90為160-180 μm，氧含量為300 PPm，合金粉末名義成分如表1。粉末形貌如圖1所示，由于合金粉末的空心粉率對激光熔覆層質(zhì)量具有重要的影響，因此對粉末的空心粉率進(jìn)行測定，空心粉率為3%，空心粉情況如圖2。

表1 合金粉末名義成分

激光熔覆采用TruDisk4002型號光纖激光器進(jìn)行熔覆，熔覆工藝參數(shù)如下：激光功率為2500 W，光斑直徑為5 mm，掃描速度為0.008 m/s，搭接率為50%，氬氣作為保護(hù)氣體，保護(hù)氣體流量為15 L/min。

圖1 粉末形貌圖

圖2 空心粉形貌

實驗基材采用20#鋼板，上熔覆兩層，砂輪機(jī)打磨后，采用TIME6610M型號維氏硬度計對熔覆層進(jìn)行硬度測定。熔覆層金相組織腐蝕使用硝酸、鹽酸1∶4溶液，采用BT-1600型號光學(xué)顯微鏡對熔覆層進(jìn)行金相組織分析，采用ZEISS EVO18型掃描電鏡分析熔覆層組織形貌。

采用同樣的熔覆工藝在20#鋼棒材上進(jìn)行熔覆，棒材直徑為70 mm，基材在車床進(jìn)行車削，再用酒精進(jìn)行清洗，以去除表面油污和灰塵，根據(jù)《GB/T 10125-2012 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》標(biāo)準(zhǔn)，采用LRHS-412-RY型鹽霧試驗箱進(jìn)行中性鹽霧試驗。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 熔覆層宏觀形貌

在此激光熔覆工藝下，熔覆飛濺很小，熔覆層厚度為1.2 mm，熔覆層表面光亮平整，成形良好(如圖3，Nb含量為3%時熔覆層)。將熔覆好的工件車削，車削后熔覆層保留厚度為0.8 mm，然后進(jìn)行滲透探傷，探傷后形貌如圖4，可看出熔覆層無裂紋和氣孔等缺陷。

圖3 激光熔覆后宏觀形貌

圖4 探傷后形貌

2.2 熔覆層組織

隨Nb含量增加熔覆層頂部掃描形貌如圖5。可以看出，熔覆層組織主要有網(wǎng)狀共晶組織、少量顆粒狀共晶組織和枝晶基體構(gòu)成。隨著Nb含量從0%增加到1.0%，枝晶尺寸減小，熔覆層組織得到細(xì)化。這是因為Nb元素是強(qiáng)碳化物形成元素，在熔覆冷卻過程中，Nb首先與C、N元素結(jié)合形成M(C、N)相，M(C、N)相尺寸很小，結(jié)合圖7(b)看出，尺寸小于2 μm，且在1400 ℃高溫時便析出，可作為非均勻形核的基底，且Nb的碳化物相熱穩(wěn)定性好，不易分解，不易氧化，阻礙晶界的增長，從而起到細(xì)化晶粒的作用。

圖6為熔覆層與基體結(jié)合界面金相組織，可以看出，基體和熔覆層結(jié)合處存在亮白的熔合線，表明基體和熔覆層之間良好的冶金結(jié)合。在熔覆層底部，形成垂直于熔合線的胞狀晶，這是因為在熔池的底部，溫度梯度高，凝固速率慢[9]，固液界面成分過冷小，因此形成胞狀晶；而隨著與熔合線的距離增大，成分過冷變大，形成樹枝晶。

2.3 熔覆層成分分析

為了解熔覆層微觀組織成分，對微區(qū)進(jìn)行EDS分析。圖7(a)為Nb含量為0%時，樹枝晶(區(qū)域1)和網(wǎng)狀共晶組織(區(qū)域2)的EDS結(jié)果，可以看出，樹枝晶組織的Fe含量相對較高，結(jié)合熔覆層顯微硬度為592.7 HV，說明樹枝晶主要為馬氏體組織，因為文獻(xiàn)[10]中提到馬氏體組織的顯微硬度為525.4 HV。網(wǎng)狀共晶組織的Cr含量相對較高，從熱力學(xué)角度分析為Cr的碳硼化物。圖7(b)為當(dāng)Nb含量為1.0%時，熔覆層掃描形貌及質(zhì)點能譜分析，能譜圖上看出，Nb的峰值很強(qiáng)，百分含量為18.49%，表明形成了NbC，掃描形貌看出析出的NbC，尺寸小于2 μm，呈粒狀、短桿彌散分布于基體，這是因為NbC的密度(7.79 g/cm3)與鐵的密度極為相近，因此利于NbC在鐵基上均勻分布[11]。

圖5 隨著Nb含量增加熔覆層組織形貌(a)不含Nb；(b)Nb含量為0.3%；(c)Nb含量為1.0%

圖6 隨著Nb含量增加結(jié)合界面組織形貌100倍(a)不含Nb；(b)Nb含量為1.0%

圖7 熔覆層質(zhì)點能譜分析(a)Nb含量為0%；(b)Nb含量為1.0%

2.4 熔覆層硬度

圖8為熔覆層截面顯微硬度分布情況，可以看出，熔覆層硬度明顯高于基體硬度，當(dāng)Nb含量為0%、0.3%、1.0%時，熔覆層顯微硬度平均值分別為592.7 HV、611.6 HV、455.6 HV。當(dāng)Nb含量為0.3%時，熔覆層顯微硬度提高，主要是因為：一方面，Nb的添加使熔覆層的晶粒細(xì)化；另一方面，Nb的碳化物顯微硬度為2000～3200 HV，一定程度上可強(qiáng)化熔覆層。當(dāng)Nb含量為1.0%時，熔覆層硬度下降，主要是因為，Nb為縮小γ奧氏體相區(qū)元素[12]，使得合金系相區(qū)進(jìn)入鐵素體區(qū)，導(dǎo)致熔覆層鐵素體組織增加，熔覆層硬度降低，且Nb元素的增加會消耗基體中碳元素，使得熔覆層整體硬度下降。

圖8 隨Nb含量增加熔覆層硬度變化

2.5 熔覆層耐腐蝕性

將三種不銹鋼粉末采用相同的激光熔覆工藝進(jìn)行熔覆，根據(jù)《GB/T 10125-2012 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行中性鹽霧試驗。Nb含量為0%的熔覆試樣，在中性鹽霧試驗500 h，表面出現(xiàn)少量輕微腐蝕銹點，如圖9(a)。Nb含量為0.3%的熔覆試樣，中性鹽霧試驗720 h，表面光亮，如圖9(b)。Nb含量為1.0%的熔覆試樣，在中性鹽霧試驗4 h，表面出現(xiàn)較多輕微腐蝕銹點，如圖9(c)。這是因為，在不銹鋼中添加適當(dāng)含量的Nb，在熔覆層中優(yōu)先形成Nb的碳化物，減輕了因Cr的碳化物析出而引起的Cr的貧化程度[13]，改善了熔覆層的耐腐蝕性能。然而，過多含量的Nb，使熔覆層缺陷增多，對耐腐蝕性產(chǎn)生不利影響。

圖9 中性鹽霧試驗后熔覆層形貌(a)Nb含量為0%，中性鹽霧試驗500 h；(b)Nb含量為0.3%，中性鹽霧試驗720 h；(c)Nb含量為1.0%，中性鹽霧試驗4 h

3 結(jié)論

(1)熔覆層組織主要有網(wǎng)狀共晶組織、少量顆粒狀共晶組織和枝晶基體構(gòu)成。隨著Nb含量從0%增加到1.0%，枝晶尺寸減小，熔覆層組織得到細(xì)化。

(2)隨著Nb元素含量增加，熔覆層中析出NbC，熔覆層硬度先增加后減小，當(dāng)Nb含量為0.3%時，熔覆層硬度提高。

(3)Nb含量為0%的熔覆試樣，在中性鹽霧試驗500 h，表面出現(xiàn)少量輕微腐蝕銹點，Nb含量為0.3%時中性鹽霧試驗720 h，表面光亮，Nb含量為1.0%時，在中性鹽霧試驗4 h，出現(xiàn)較多輕微腐蝕銹點。