異質異構金屬激光熔覆成形工藝研究

趙 萌，解乃軍，史建軍，花慧敏，施文博

(1.南京工程學院 機械工程學院，江蘇 南京 211167；2.南京工程學院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167)

激光熔覆成形(Laser Cladding Forming，簡稱LCF)技術作為一種兼顧成形效率和高性能成形一體化需求的先進制造技術，以激光為熱源熔化金屬材料，以逐層疊加的方式制備實體零件[1-3]。LCF成形速度較SLM(激光選區(qū)熔化)技術快30倍以上；適用于鈦合金、鋁合金、鎳合金、不銹鋼等材料的增材制造[4-7]；能夠賦予材料新的性能，降低制造成本，節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬元素[8]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，激光熔覆成形技術日益發(fā)展成熟，在航空航天、醫(yī)學等領域有了廣泛應用[9]。而隨著這些領域的發(fā)展，單一材料制造的零件性能已無法滿足特定產(chǎn)品的功能要求，人們對金屬工件的性能要求越來越高，將多種材料組合成單個組件以擴展其功能范圍的能力對于復雜工程系統(tǒng)的不斷優(yōu)化具有巨大的價值[10-11]。

鑒于此，本文根據(jù)貝殼微觀結構的仿生模型的研究證明具有磚泥結構的異質異構對抗沖擊性能有明顯的提升為研究雙材金屬界面結合能力[12-15]，現(xiàn)選用ln718作為泥，T91、SSL316、SSL304以及Fe30作為磚，進行兩兩結合，用交叉與層疊兩種結構驗證不同金屬材料熔凝過程中的兼容性和層間界面的結合能力，為工業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 試驗樣件制備

本次實驗的樣件來自南京中科煜宸激光技術有限公司生產(chǎn)的LDM8060激光送粉熔覆成形設備，其設備結構組成見圖1。

圖1 LDM8060激光熔覆成形設備組成

選用在模具行業(yè)具有耐熱性的ln718與冶金行業(yè)常用的T91、SSL316、SSL304以及Fe30四種鐵基合金進行兩種結構的組合。

針對磚泥結構，本實驗設計了如圖2所示的異質材料交叉結構，即每塊磚均沿同向放置，上下、左右相鄰的磚均為異質材料；圖3所示的異質材料層疊結構，即同一層磚沿同向放置，相鄰層的磚則為垂直交疊放置。圖3中黑色代表異質材料中的“泥”即ln718，白色為異質材料中的“磚”即T91、SSL316、SSL304、Fe30，樣塊按如下設計結構進行打印。

圖2 交叉結構

圖3 層疊結構

選用鎳基718(In718)作為“磚”，并將其分別與鐵基T91、不銹鋼SSL304、不銹鋼SSL316和鐵基Fe30為“泥”的材料進行異質熔凝結合。由前期的實驗基礎可知，LDM8060激光熔覆成形設備的最佳工作光斑大小為3 mm，此時光粉耦合效果可獲得最大粉末利用率，因此未熔粉末對相鄰異質熔道的污染影響最小。根據(jù)這一實驗結果，確定熔道高度為0.3 mm。由正交實驗方法，確定激光熔覆成形過程中，激光功率、送粉量、掃描速度對單道熔覆層高度的影響規(guī)律，獲得了最佳工藝參數(shù)組合為：激光功率P=1 000 W，掃描速度V=16 mm/s，送粉量mp=7 g/min。制成的異構試樣分別標記為T1、T2、T3、T4、S1、S2、S3、S4。材料和結構組合如圖4所示。

圖4 異質異構試樣組合

選擇上述實驗方法和工藝參數(shù)進行了不同異質材料組合的成形實驗，成形體尺寸為寬度方向：20道，高度方向：50層，樣件總體尺寸：30 mm×30 mm×10 mm。打印樣件如圖5所示。由圖5可以看出，所有成形樣塊在長、寬、高方向上均保持了較好的尺寸精度，沒有出現(xiàn)塌陷、開裂、氣孔等缺陷。

圖5 異質異構金屬打印樣塊

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

由圖6(a)可以看到，交叉結構中，T91的組織晶粒較為粗大，這主要是由于T91中碳含量較高，同時In718成形的過程中，過大的熱輸入量對其長生的熱影響作用大，使得T91的組織結構產(chǎn)生了再結晶；SSL304和SSL316的組織均出現(xiàn)了不同程度的微裂紋，這主要是由于不銹鋼材料的硬度較高，再成形過程中，熱循環(huán)的影響對不同熱膨脹系數(shù)異質材料之間的擠壓而造成的；Fe30的組織結構則為出現(xiàn)較為明顯的缺陷。交叉結構樣塊中，In718材料的微觀組織晶粒細小，均未出現(xiàn)明顯的缺陷，符合“磚”結構材料的要求。

對圖6(b)層疊結構的微觀組織分析，與交叉結構的情形類似，T91組織中出現(xiàn)了明顯的氣孔，而不銹鋼材料則有微裂紋的存在。

以上結果說明，本實驗確定的工藝方法和工藝參數(shù)組合對成形結構的影響不大，具有較好的普適性。

圖6 異質異構樣塊微觀組織

2.2 微觀組織結構

由圖7(a)可以看出，交叉結構的樣塊均出現(xiàn)了明顯的異質材料界面過渡區(qū)域，但范圍有所差異。其中，T91材料的過渡區(qū)較大，且晶粒粗大，這與微觀組織的分析保持一致；而SSL304材料的界面過渡區(qū)較T91有所減小，過渡區(qū)晶粒粗大，但右側的本體區(qū)域晶粒較小，沒有受到In718成形過程或熱循環(huán)的影響；SSL316的界面過渡區(qū)呈明顯的曲線分布，且過渡區(qū)域不明顯；Fe30的過渡界面平整且無明顯的過渡區(qū)域，兩側的In718和Fe30的微觀組織分布非常均勻，晶粒細小。

由圖7(b)對層疊結構的分析也可以看出類似的規(guī)律，但是可以發(fā)現(xiàn)，層疊結構的界面過渡區(qū)域的不規(guī)則性要大于交叉結構，這可能跟樣塊的結構存在關系。

圖7 異質材料結合界面電鏡分析

2.3 界面元素分布

通過對異質材料結合界面過渡區(qū)的進行組織觀察發(fā)現(xiàn)，不同材料之間界面大小形態(tài)均存在較大差異。

對交叉結構的樣塊過渡區(qū)元素分布進行了EDS測定，如圖8所示。可以明顯看出在4類樣件的過渡界面上，元素含量發(fā)生“突變。這是由于不同材料之間元素成分差別較大造成的，但與界面電鏡圖像不一樣的是，元素分布并不存在明顯的過渡區(qū)。這說明在異質材料界面熔凝過程中，并沒有發(fā)生元素滲透，這主要是由于本實驗選擇的鎳基合金In718和與之組合的4種鐵基材料具有相近的熔點(均在1 200～1 300 ℃)，在試驗較大寬高比的情況下，激光提供的能量剛剛滿足熔池形成的基本條件，而沒有多余的能量去熔化相鄰熔道的異質金屬。

通過對鎳基合金In718和4種鐵基合金中Fe、Ni含量及彈性模量的進一步對比(見圖9)，可以發(fā)現(xiàn)：In718中Fe含量為18%，與此含量最近的為Fe30中的56%；In718中Ni含量為55%，與此含量最近的也為Fe30中的35%；彈性模量則是In718與Fe30相差最大。這說明，在近熔點異質材料成形時，彈性模量差異大、元素成分含量相近有利于形成性能良好的界面。

3 結 論

(1)采用了交叉和層疊兩種結構模擬了珍珠層結構。從工藝過程上看，這兩種結構對成形參數(shù)的限制不大，均可以獲得致密度為100%的成形樣件。

(2) 進行的以鎳基材料為“磚”，4種不同鐵基材料為“泥”的實驗中，微觀結構和界面形貌出現(xiàn)了較大差異。其中In718+Fe30的組合，從實驗分析的角度看，性能為最優(yōu)。但整體上，鎳基材料與鐵基材料組合的冶金結合機理和界面韌性機理尚不明確。需針對樣件的力學性能，包括：微觀硬度、拉伸實驗、沖擊實驗等需制備新的試樣，驗證仿生結構對材料性能的改變。

圖8 異質材料結合界面EDS元素分布

圖9 異質材料Fe， Ni成分及彈性模量對比