激光金屬沉積與冷金屬過渡復合成形316L的組織與力學性能

崔鑫， 薛飛,2， 宋春男， 彭娜， 李勉

(1.西安交通大學，西安 710049；2.廣東增減材科技有限公司，廣東 佛山 528234；3.國家增材制造創新中心，西安 710075)

0 前言

316L不銹鋼是一種具有出色耐腐蝕性的材料，被廣泛應用于石油、化工及航空航天等行業[1-5]。這其中的一些零件結構復雜、精度要求高，采用傳統加工方法，其工序復雜、材料利用率低、切削余量大、加工工時長。增材制造可實現毛坯近凈成形，其缺陷控制優于鑄件毛坯，材料利用率顯著優于鍛件毛坯，可顯著減少加工余量，縮短產品研發周期。金屬增材制造工藝中包括激光金屬沉積(Laser metal deposition, LMD)和冷金屬過渡(Cold metal transfer, CMT)2種。LMD成形精度高，且熱變形程度及后續加工量相對CMT工藝較小，但成形效率相對較低[6]；而CMT工藝在電弧增材制造中，熱輸入相對較低[7]。相比于LMD工藝，其成形效率高、成本低[8]，但成形精度也較低。2種增材方法成形件的力學性能均優于鍛件。若能將LMD與CMT2種工藝相互結合，則可實現LMD成形精細與CMT成形高效的優勢互補。

關于316L不銹鋼激光金屬沉積方面的研究，李俊鑫[9]發現送粉速度主要影響晶粒形態，激光掃描速度和激光功率主要影響晶粒尺寸，提高激光功率或降低激光束掃描速度，會導致組織粗化，同時降低熔覆層硬度。賈文鵬等人[10]模擬了316L不銹鋼薄壁試樣凝固組織形態及分布，發現成形組織由均勻的細長柱狀晶組成，一般不發生等軸晶轉變，組織中的一次枝晶間距在6.5～17 μm范圍內。

關于316L不銹鋼CMT工藝方面的研究，賀立華[11]發現電弧增材成形316L不銹鋼試樣的凝固模式為 FA模式。重熔區域內組織生長方向由熔合線指向熔池中心，非重熔區域內組織向上生長。隨著層間溫度升高，δ鐵素體的含量也相應升高，且層間溫度越低，試樣拉伸強度越高。南昌航空大學的王曉光等人[12]通過試驗表明隨著熱輸入增大，側面成形誤差呈先減小后增大的趨勢，沉積有效率趨勢則呈先增大后減小，成形件顯微組織為γ-Fe和δ-Fe。楊倫[13]通過CMT方法打印了塊體，結果顯示CMT成形件組織為γ-Fe和δ-Fe，組織析出相為σ相與Cr23C6。

目前國內關于異種增材工藝復合也有了相應研究，王維等人[14]研究了LDM-SLM復合成形TC4鈦合金，研究發現2種工藝結合界面處由于發生重熔，形成了主要以α板條及α′馬氏體組成的熱影響區。Syed等人[15]采用將同時來自同軸噴嘴的粉材和來自旁軸噴嘴的絲材進料到沉積熔池中的形式進行了工藝研究，結果表明復合工藝與單獨的絲材或粉材沉積相比，整體沉積效率提高，且表面光潔度也得到改善。

文中提出一種LMD與CMT復合成形零件的方法，為了驗證該方法的可行性可行性，分別取CMT成形塊的沉積方向頂面、垂直于沉積方向的側面作為基底，在其上采用LMD成形復合試樣，對比2種增材制造工藝及結合界面的顯微組織與力學性能，為實現2種工藝復合成形零件的方法提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用X射線能譜儀(EDS)對試驗中使用的316L不銹鋼焊絲材料及粉末材料的化學成分進行了分析，成分分析結果見表1。

表1 316L不銹鋼絲材、粉材化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗設備

復合成形316L不銹鋼的LMD部分由3軸數控機床制備，采用氬氣(99.999%)對熔覆進行局部氣氛保護，配備Raycus銳科光纖激光器，最大輸出功率2 kW，配備同軸送粉噴頭、雙桶送粉器。熔覆頭底部到基體的工作距離為14 mm，光斑直徑約為2.5 mm。其他主要工藝參數通過前期工藝試驗獲得，見表2。

復合成形316L不銹鋼的CMT部分由焊接機器人成形系統制備，焊機采用Fronius公司的CMT Advanced 4000焊接電源。送絲機所用焊絲牌號為ER316L，焊絲直徑為1.2 mm，保護氣體采用98% Ar+2% O2氣體。其他主要工藝參數通過前期工藝試驗獲得，見表3。

表2 LMD成形主要工藝參數

表3 CMT成形主要工藝參數

1.3 試驗方案

對CMT堆積成形的樣塊表面進行銑削處理，在處理后的表面采用LMD工藝進行激光增材成形。沉積方向分別選擇與電弧增材同向、垂直兩個方向，獲得尺寸均勻、成形效果良好的試樣A和試樣B，試樣制取位置、實際成形塊體及拉伸試樣尺寸示意圖分別如圖1～圖3所示。

1.3.1金相制備

采用線切割截取316L不銹鋼金相試樣，經超聲清洗、鑲嵌、打磨、拋光，采用10 g FeCl3+30 mL HCl+120 mL H2O 的試劑進行腐蝕，金相組織在光學顯微鏡下觀察。

圖1 各工藝沉積方向及拉伸試樣取樣位置示意圖

圖2 實際成形塊體

圖3 棒狀拉伸試樣尺寸示意圖

1.3.2拉伸試驗

對316L不銹鋼激光增材制造成形件進行常溫拉伸試驗，測試指標包括屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率，為減小試驗偶然誤差，每種參數制作 3 組試樣。對于單一LMD或CMT試樣，力學性能測試包括平行方向(沿激光掃描方向)和垂直方向(沿沉積方向)2個方向的性能測試。對于激光增材和電弧增材界面處，包含平行沉積方向界面和垂直沉積方向界面2 種測試。

2 試驗結果及分析

2.1 組織分析

激光加工零件的性能取決于零件成形的微觀結構[16]，而金屬增材制造成形組織形貌主要取決于冷卻速度和溫度梯度[17]。316L不銹鋼激光金屬沉積試件沿沉積方向的顯微組織如圖4所示，可以看出試件主要由沿沉積方向持續外延生長的細長柱狀晶組成，但在層間二次熔覆區域，由于激光移動導致最高溫度梯度方向不斷發生變化，而枝晶是沿最接近溫度梯度方向擇優生長的[18]，致使層間重熔部分組織生長方向不完全沿基體豎直向上，因此層間出現局部不同方向的柱狀晶。熔覆層的層間組織呈現良好的冶金結合，保證了層間的結合強度，且層間熱影響區較窄，寬度約為20 μm。

圖4 LMD成形試樣組織圖

翟慎秋等人[19]發現，一次枝晶間距通常用來反映樹枝晶組織的細化程度，而凝固速度、溫度梯度都會影響一次枝晶間距λ1的大小。一般關系形式為：

λ1∝R-aG-b

(1)

式中：R為枝晶凝固速度；G為溫度梯度；a,b為常數。由式(1)知，枝晶凝固速度越快，溫度梯度越大，一次枝晶間距越小。觀察316L不銹鋼冷金屬過渡成形試樣組織如圖5所示，CMT成形組織也有明顯的外延生長特性，且比LMD組織更加稀疏，這是由于CMT堆積過程中熔池的溫度梯度較小，枝晶的凝固速度低于LMD成形，因此CMT組織的枝晶間距較大。

觀察316L不銹鋼復合工藝結合界面成形試樣組織，如圖6和圖7所示。圖6a、圖6b為LMD在銑削后CMT上表面，沿電弧增材沉積方向同相沉積結合界面組織，觀察發現當沉積方向相同時，絲粉材結合界面內枝晶均呈現顯著的外延生長特性，且LMD區域組織枝晶間距明顯小于CMT區域，在高倍顯微鏡下觀察到激光增材部分一次枝晶間距為3～18 μm，而電弧增材部分一次枝晶間距為12～28 μm，絲粉材結合界面組織致，密結合良好。圖7a、圖7b為激光增材在銑削后的CMT側表面，沿與電弧增材方向垂直沉積所得結合界面組織?？梢钥闯霎敿す庠霾呐c電弧增材沉積方向垂直時，結合界面依然形成了良好的冶金結合，電弧與激光增材成形組織均為樹枝晶，且沿各自沉積方向相互垂直生長。

圖5 CMT成形試樣組織圖

圖6 LMD平行于CMT沉積方向成形結合界面組織

圖7 LMD垂直于CMT沉積方向成形結合界面組織

2.2 力學性能分析

針對LMD區域、CMT區域分別制取了力學拉伸試樣，試驗結果見表4。可以看出LMD拉伸試樣各項性能均優于CMT拉伸試樣，相比于CMT試樣橫向抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率分別提高了25.89%，35.49%及26.44%，縱向抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率分別提高了19.58%，24.37%及20.42%。

表4 LMD與CMT橫向(縱向)拉伸試樣力學性能對比

LMD工藝比CMT工藝成形組織致密度更高，晶粒更細，而細晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強度、硬度和塑性，這是由于細晶粒受到外力后，發生塑性變形可以分散在更多的晶粒內進行，致使塑性變形較均勻，應力集中較小，且晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越有利于抑制裂紋的擴展。因此LMD成形件性能更加優異。

由于LMD與CMT 2種工藝均存在顯著的各向異性，致使2種工藝復合的成形件力學性能的各向異性更為復雜。LMD與CMT復合成形結合界面拉伸性能見表5?？梢钥闯觯Y合界面的抗拉強度及屈服強度均可達到鍛件國家標準，但斷后伸長率較低。對于常溫力學性能而言，同向于CMT沉積方向的拉伸試樣的抗拉強度、屈服強度與CMT工藝縱向拉伸試樣相近，而垂直于CMT沉積方向的拉伸試樣抗拉強度、屈服強度與CMT工藝橫向拉伸試樣相近，斷后伸長率均比CMT單工藝低。

表5 LMD與CMT結合界面的力學性能

由于試樣2個部分的拉伸應變對于拉伸應力的關系不同，圖8為單工藝各方向拉伸應變曲線圖，表示2種單工藝各自拉伸應變關于拉伸應力的關系，可以看出當拉伸應力達到558.7 MPa 時，CMT部分豎向拉伸應變幾乎已經到達其斷裂極限，而LMD部分縱向對應拉伸應變卻很小，表明該部分幾乎沒有明顯延伸，因此導致沉積方向同向時，結合界面力學性能與CMT豎向對應性能相近，同理，當拉伸應力達到587.51 MPa 時，CMT部分橫向拉伸應變幾乎已經到達斷裂極限，因此沉積方向垂直時，結合界面力學性能與CMT橫向對應性能相近。

圖8 單工藝各方向拉伸應力應變曲線

2.3 拉伸斷口分析

復合拉伸試樣斷裂位置均位于CMT組織區域，這也證明結合界面處的力學性能優于CMT區域。觀察發現拉伸試樣存在著明顯的頸縮現象，說明試樣塑性較好。圖9和圖10為LMD沿不同沉積方向成形的復合界面拉伸試樣的斷口形貌，其宏觀斷口形貌較為粗糙，微觀斷口有大量的韌窩存在，且韌窩淺而小，均為等軸韌窩形貌，這表明試樣的斷裂方式均為韌性斷裂。

圖9 同向沉積拉伸試樣宏觀、微觀斷口形貌

圖10 垂直沉積拉伸試樣宏觀、微觀斷口形貌

3 結論

(1)CMT與LMD各自成形316L不銹鋼試樣，內部顯微組織均為呈現外延生長特性的樹枝晶，且LMD組織的一次枝晶間距較CMT組織枝晶間距小。

(2)由于LMD過程試樣凝固速度、溫度梯度均比CMT更快，因此LMD成形組織比CMT成形組織更加細小、致密，致使316L材料LMD試樣的力學性能整體高于CMT試樣。橫向抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率分別比CMT提高了25.89%，35.49%及26.44%；縱向抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率分別比CMT提高了19.58%，24.37%及20.42%。

(3)CMT與LMD復合制造成形拉伸試樣，沉積方向同向時，結合界面力學性能與CMT單工藝縱向對應力學性能相近。沉積方向垂直時結合界面的抗拉強度與CMT單工藝橫向對應力學性能相近，且2種沉積方式拉伸件均斷裂于CMT部分，表明結合界面處的力學性能優于CMT部分。

(4)2種工藝沉積方向同向或垂直時，CMT區域微觀斷口均存在大量等軸韌窩，表明試樣的斷裂方式為韌性斷裂。