激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究

喻佳臣，邱長軍

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

激光熔覆技術是利用高能量密度激光輻照金屬粉末使其與基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高質量的熔覆層。激光熔覆是一種高經濟效益、綠色環保的再制造技術[1]，它可以在普通的基材表面制備出抗氧化、耐腐蝕、耐高溫或高耐磨的涂層[2-3]。與電刷鍍、堆焊、熱噴涂等其他技術相比（如表1所示）而言具有以下明顯的技術優勢：1）激光熔覆制備的涂層與基材成冶金結合，界面結合強度高[4-6]；2）激光熔覆過程激光能量集中，其熱影響區域小，產生的熱變形量小，對于熔覆層形貌和其力學性能影響較小；3）激光熔覆工藝通常與移動平臺和機械手臂等自動化控制單元結合，可以提高熔覆質量必能處理較復雜的表面和難以處理的部分等，激光熔覆示意圖如圖1所示。

表1 常見的再制造技術及其特點[7]

圖1 激光熔覆原理示意圖[8]

馬氏體不銹鋼（Martensitic Stainless Steel，MSS）是一種高強度鋼種，具有優異的綜合力學性能、耐腐蝕性和良好的熱處理工藝性。根據不同的化學成分可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類；根據組織和不同的強化機理又可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼及馬氏體時效不銹鋼等。目前國內外研究主要集中在激光熔覆制備410、420、431、17-4PH馬氏體不銹鋼涂層組織與性能上。

本文重點綜述了激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究進展，并提出了主要問題和今后的發展方向。

表2 常用的馬氏體不銹鋼元素成分質量分數[11-18]%

1 馬氏體鉻鋼

1.1 410馬氏體不銹鋼涂層

410馬氏體不銹鋼強度高、機械加工性能優異，主要應用于一般用途刀刃、機械部件、餐具等。通過數值模擬來指導實驗有助于預測實驗結果提高實驗成功性，Maurizio等[9]通過激光熔覆在420不銹鋼表面制備了18%WC/410復合涂層，并通過數學模型、計算機模擬與檢測結果對比研究了不同粒徑WC顆粒的熱演化和溶解效率。結果表明，小于12 μm的WC顆粒由于超過其沸點溫度而無法到達基材，大于30 μm的WC顆粒無法達到其熔化溫度，因此會以固體形式存入熔池。此外將（0、2%、5%和10%）的Cr3C2粉末添加到410不銹鋼粉末中，在420不銹鋼表面制備Cr3C2/410復合涂層[10]。通過Thermo-calc專業軟件將模擬與實際實驗相結合，結果表明，隨著涂層中碳含量的增加，為了減少對材料力學性能產生負面影響的溶質俘獲效應，需要進行包括完全再奧氏體化和回火在內的沉積后熱處理。顯微硬度與金屬材料的力學性能息息相關，是評價涂層性能的重要指標之一，Zhu等[11]通過在410粉末中添加不同質量分數的TiC（0～15%）通過激光熔覆在Q235基材制備TiC/410復合涂層。涂層的主要組織由馬氏體、碳化鈦和M23C6析出相組成。當碳化鈦質量分數為15%時，激光熔覆層出現微裂紋和氣孔等缺陷。通過控制TiC質量分數（5%～15%），涂層的顯微硬度由462 HV提高至735 HV，磨損率由7.795×10－5mm3/（N·m）降低至0.149×10－5mm3/（N·m）。

1.2 420馬氏體不銹鋼涂層

420馬氏體不銹鋼具有較好的抗蝕性、耐磨性、硬度高和價格較低等特點，其廣泛應用于各類精密機械、儀器與儀表、交通運輸工具、家用電器等。原位熱處理工藝可以簡化工藝路線節約工藝成本。Sun等[12]利用激光熔覆技術使用420粉末修復300M鋼，通過引入每個熔覆道之間的激光空載時間（0 s、80 s）來控制原位淬火和回火順序，掃描方式示意圖如圖2所示，研究了激光修復后的組織、拉伸性能和磨損性能。結果表明，在熔覆層中加入較長的空載時間主要產生的組織為回火馬氏體，其塑性為17.4%，而未采用原位淬火和回火控制的熔覆層塑性為2.7%。使涂層的延伸性顯著提升，相比于之前提升了38%，而屈服強度和抗拉強度僅降低了5%～10%。減小殘余應力可以減小局部的應力集中，從而提高材料的力學性能。Mohammad等[13]研究了激光熔覆制備AISI 420馬氏體不銹鋼的縱向和橫向力學行為，結果表明，在565 ℃下進行1 h的熱處理，可以有效消除激光熔覆420不銹鋼的各向異性行為，其殘余應力明顯下降。此外，研究了與底座成30°角的零件制造技術（使用工作臺旋轉疊加來定位樣品，而沉積頭正對底座），以提高極限抗拉強度，并改善和部分消除方向性問題。Zhang等[14]通過激光熔覆技術在A36鋼上制備了不同質量分數（0～40%）的420/VC金屬復合涂層，并使用水射流切割機和動電位極化測試熔覆層的耐腐蝕性，研究表明隨著VC 質量分數增加，熔覆層的耐腐蝕性能也逐漸提高，但當VC的質量分數超過30%時耐腐蝕性能會隨著VC含量的增加而逐漸降低。

圖2 兩種不同的掃描方式示意圖[11]

2 馬氏體鉻鎳鋼

2.1 431馬氏體不銹鋼涂層

431馬氏體不銹鋼涂層具有較高的強度、硬度、抗蝕性和韌性等優點，其廣泛應用于既要求強韌性又耐腐蝕的機械部件等。超高速激光熔覆技術光斑小，激光能量密度大，相對于傳統的激光熔覆技術效率高基體受熱小。Li等[15]采用超高速激光熔覆（EHLA）和常規激光熔覆（CLA）分別在27SiMn基體上制備了高質量的431不銹鋼涂層，研究結果表明，在90%的搭接率下，用EHLA制備了致密無缺陷的多層搭接涂層。與CLA相比，EHLA制備的涂層組織以纖細的枝晶為主，在整體范圍內更細小、更均勻其耐蝕性更好。CAMILA等[16]采用激光熔覆技術在AISI 1010基材上制備了431馬氏體不銹鋼涂層，研究了激光工藝參數、掃描速度、送粉速率對涂層形貌、組織、稀釋率和顯微硬度的影響。結果表明，熔覆層高度受掃描速度影響較大，熔覆層寬度受激光功率、掃描速度和離焦量的影響較大。激光功率的變化對稀釋率的影響大于對長寬比的影響，而掃描速度和離焦量的變化對稀釋和長寬比都有顯著影響，涂層組織主要由板條馬氏體組成，AISI 431不銹鋼熔覆層的顯微硬度約為基體的5倍。Wang等[17]通過激光熔覆技術在45鋼上制備了不同鉬（Mo）含量的431/Mo復合涂層，并通過各種檢測手段對涂層性能進行評價，研究發現隨著Mo含量的提升，M7（C，B）3型硼碳化物含量減少，M2B和M23（C，B）6型硼碳化物含量增加，馬氏體減少，而鐵素體量逐漸增加，組織結構更精細，顯微硬度降低但是耐磨性能顯著提高。添加6%Mo時其耐磨性能最佳可達到無Mo涂層的3倍以上。添加2%Mo時其耐腐蝕性能最佳。

2.2 17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼涂層

17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼涂層具有良好的熱處理工藝性，主要應用于海上平臺、航天渦輪葉片、機械部件等。王強等[18]通過激光熔覆技術在27SiMn 表面熔覆17-4PH不銹鋼絲材。結果表明，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度先降低后增加，基體的穿透深度和熱影響區增大，熔覆層的平均顯微硬度逐升高。當激光功率較低時，熔覆層的組織主要為較短且沒有取向性的板條狀馬氏體；當激光熔覆的功率較高時，主要由具有方向取向的板條狀馬氏體組成。綜合考慮激光功率對17-4PH不銹鋼絲材激光熔覆組織及硬度的影響，2600 W為最佳激光功率。鄧操等[19]通過激光熔覆與金屬粉末注射成形技術制備含有不同質量分數TiB2（0.5%、1%、2%、3%、4%）的混合粉末樣品。結果表明，TiB2的加入會引起熔覆層元素偏析，隨著TiB2含量的增加，硬度先增大后減小。與基材相比，熔覆層的耐磨性能有顯著提高，隨著TiB2含量的增加其磨損率也隨之升高，耐腐蝕性隨之降低，在熔覆層中添加適量的TiB2可以提升17-4PH鋼的綜合性能，當TiB2的質量分數為1%時，材料具有最佳的力學性能和相對較好的耐腐蝕性能。Lin等[20]通過激光熔覆技術對17-4PH進行修復，研究發現激光沉積區域與基體之間的界面呈現出致密的冶金結合，顯微組織主要由板條狀馬氏體和少量強化相顆粒組成，通過激光熔覆再制造后的17-4PH與鍛造的力學性能相當。

3 結語

馬氏體不銹鋼作為一種價格低廉、力學性能優異、耐腐蝕性好、應用范圍廣的金屬材料，目前大部分國內外學者對激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究集中在激光工藝參數、熱處理參數、強化元素及添加物上，對于主要存在的問題和發展方向提出以下建議。

1）工藝參數有待標準化。馬氏體不銹鋼作為一種鐵基合金材料其自熔性較差，故可能會出現氣孔、組織分布不均等問題，導致熔覆層質量不一，可以根據不同的牌號對其激光工藝參數形成相關的指導標準，這樣有利于形成標準化工業生產。

2）數值模擬方面等國產專業軟件缺乏。激光熔覆是光、粉、氣多物理場耦合的過程，利用數值模擬軟件對實際的實驗和生產有重大的指導意義，例如采用Jmatpro、Thermo-calc軟件對激光熔覆馬氏體不銹鋼涂層熱處理工藝參數進行模擬；利用ANSYS、Comsol對激光熔覆過程中的溫度場進行數值模擬。國產化數值模擬專業軟件有待于進一步發展。

3）對于激光熔覆馬氏體不銹鋼涂層熱處理工藝優化和建立相關的數據庫。對于激光熔覆馬氏體不銹鋼熱處理工藝方面研究較少，根據不同的材料和溫度區間建立相對應的數據庫，這樣有助于激光熔覆馬氏體不銹鋼在工業上大規模應用。