淺談304鋼高速激光熔覆過程中掃描順序對熔覆層組織性能影響的研究

史強，馬欣，黃勇，王淵浩

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023）

激光熔覆技術是利用高能量的激光束快速熔化熔覆材料和基體表面，從而產生出一種與原有成分和性能均不同的涂層表面的改性技術，其具有熱影響小、對粉末成分即熔覆層性能可調控等諸多優勢。根據送粉方式的不同，激光熔覆技術可分為預置送粉激光熔覆和同步送粉激光熔覆兩種。304不銹鋼具有良好的力學性能和抗腐蝕性，目前被廣泛用于多種行業。近年來大量研究顯示，在熔覆過程中，工藝參數的不同對熔覆質量有著一定的影響作用，為了進一步研究預置送粉的激光熔覆技術在熔覆304不銹鋼材料時對材料組織劑力學性能的影響，本文采用27SiMn板材作為基體，對比不同激光掃描順序對熔覆層材料組織和力學性能的影響規律。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

基體材料采用27SiMn鋼材，尺寸為200mm×300mm×20mm；熔覆材料為304不銹鋼粉末，其粒度為100-300目，化學成分為：C≤0.08%，Mn≤2.00%,P≤0.045%,S≤0.030%,Si≤1.00%,Cr為18.0%～20.0%，Ni為8.0%～11.0%。

1.2 設備及參數

激光器為DLS-3000C半導體激光器，最大輸出功率為3000W，輸出波長為980nm，波長偏差為10nm。激光光斑直徑為φ3mm，設定功率為2500W，掃描速度設定為16mm/s,搭接率為1/2，掃描方式為復式掃描，熔覆層材料多層累加尺寸為170mm×120mm×17mm。

1.3 方法

以上述方法進行激光熔覆，將所得熔覆層材料進行線切割加工進而得到拉伸試樣和金相試樣。根據激光掃描先后順序不同，將所得的拉伸試樣和金相試樣進行區域劃分，將其范圍劃分為A、B、C、D四個區域。其中，A區和B區距離激光初始掃描點的位置最近，稱為先熔覆區域，C區和D區距離激光初始掃描點稍遠，稱為后熔覆區域。拉伸試樣的拉伸方向與研究過程中激光掃描的方向一致。從熔覆層上切割下的金相試樣為10mm×10mm×10mm的正方體，并對其進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕以及干燥處理后，使用光學顯微鏡對金相組織進行觀察研究，觀察面為垂直與激光掃描的一面。拉伸試樣取自熔覆層，不包括基體部分。試樣的標距為28mm，采用砂紙對其進行打磨后，再應用WDW-100電子萬能試驗機進行拉伸試驗，速率為1mm/min。對拉伸斷口的形貌特征應用掃描電鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

對高速激光熔覆層的四個區域的顯微組織形貌進行觀察可見，熔覆材料主要呈現出具有典型定向凝固特征的柱狀晶，這主要是由于在高速激光熔覆過程中，304鋼粉末在高能量、高密度的激光照射下迅速地熔化形成熔池，在掃描過后，熔池又迅速地凝固，在這個過程中，熔池內的晶粒與溫度梯度反方向生長，見表1。

表1 不同區域顯微組織形貌分析

通過對比可以看出，C區、D區的晶粒尺寸較大，而A區和B區的晶粒尺寸略小，這主要與A區、B區在高速激光熔覆過程中先熔覆，而C區和D區后被熔覆有關。在進行激光熔覆之前，基體和預置粉末均為常溫狀態，而在熔覆過程中，基體和粉末的溫度均逐漸升高，進而導致了后熔覆區域的熔池在凝固時溫度梯度小于先熔覆區域，進而C區、D區等后被熔覆區域的晶粒尺寸要明顯大于先熔覆區域晶粒。

2.2 力學性能

對不銹鋼熔覆層4個區域的拉伸試樣應力進行測量可見，A區、B區兩個區域的平均抗拉強度以及延伸率均略高于C區和D區，見表2。

表2 不同區域力學性能分析

通過分析可以看出，A區和B區的抗拉強度和延伸率均要高于C區和D區，這主要是由于A區和B區的晶粒尺寸相對小于C區和D區，柱狀晶的數量也明顯減少，而晶粒的尺寸和形狀會直接影響材料的機械性能，晶粒的尺寸越小，形狀約接近等軸晶，該材料的機械性能就越好，因此，拉伸試驗的結果與顯微組織研究結果相一致。同時，在高速激光熔覆過程中，先熔覆區域熔池中的金屬顆粒物會在熔覆過程中飛濺到未熔覆區域，進而導致未熔覆區域內預先放置好的粉末受到“污染”，使其在熔覆過程中出現夾雜的現象，進而導致拉伸過程中出現應力集中的情況，使C區、D區的拉伸性能略低于A區和B區。

2.3 拉伸斷口形貌

對比四個區域拉伸試樣的典型斷口形貌可見，高速激光熔覆304鋼斷口表面為典型韌性斷裂特征，即斷口部位均勻分布有韌窩，局部可見具有脆性斷裂特征的光滑表面。觀察可見斷口表面的韌窩較淺，平均直徑在3μm左右。相對而言，韌窩的尺寸越小材料的塑形越低，因此，較淺的韌窩表示材料延伸率較低，其與延伸試驗結果相一致。A區與B區可見斷裂區域呈現“河流狀”和“舌狀”的典型脆性解理斷裂花紋，其出現的原因可能是由于組織內存在大量粗大的柱狀晶，在拉伸過程中容易發生斷裂導致的。C區和D區兩個區域的斷口呈現明顯的夾雜現象，夾雜物的尺寸在400μm左右，根據能譜分析可以看出，其夾雜物主要為SiO2和Mn的氧化物。對比斷口形貌可見，先熔覆區域拉伸試驗斷口部位未見明顯的夾雜情況出現，而后熔覆區域的夾雜情況較為顯著，存在這些缺陷的部位則更加容易發生斷裂。因此，為了有效提高高速激光熔覆材料的機械性能，應減少這些導致應力集中的缺陷，如引入惰性氣體保護系統來預防熔覆過程中存在的氧化反應。

另外，可通過吸附裝置解決預置送粉高速激光熔覆技術操作過程中出現的粉末“污染”情況，繼而有效提高熔覆材料的機械性能。

3 結語

高速激光熔覆304鋼后熔覆區域的顯微組織中的柱狀晶較先熔覆區域的柱狀晶粗大，而平均抗拉強度和平均延伸率則較先熔覆區域有所降低。熔覆后拉伸斷口表現為韌性斷裂，局部為脆性解理斷裂，且存在夾雜現象。