17- 4PH不銹鋼激光修復45鋼組織及顯微硬度研究

戴浩，江訓焱，王燕

江西昌河航空工業有限公司 江西景德鎮 333002

1 序言

激光具有作用時間短、功率密度高、功率精確可調及熱影響區小的優點，被廣泛應用于3D打印及激光修復領域。激光修復通常以激光熔覆作為技術基礎，為零部件及工裝模具制備耐磨、耐蝕等特殊功能涂層，對斷裂、磨損（損傷）區域進行修復及表面改性，可延長設備使用壽命，是綠色制造的重要組成部分[1]。

45鋼是應用較廣泛的一類碳素鋼，在航空工業中被廣泛用于夾具、模具及力學、疲勞等性能測試工裝的制作[2]，使用過程中經常會發生斷裂、磨損失效，影響零件生產節點。17-4PH是一類沉淀硬化不銹鋼，具有優良的強度、硬度及耐磨性和耐蝕性[3]。工業上一般選用合適的金屬材料用于修復損壞的工裝、模具，這樣既能節約工裝制造成本，又能提升工裝表面耐磨性能。本文采用激光熔覆技術在45鋼表面熔覆沉積17-4PH不銹鋼，并對修復區域兩種鋼的微觀組織及顯微硬度進行了測試。

2 試驗方法

試驗基材選用45鋼，材料厚度為6mm，熔覆之前用2000#砂紙進行打磨，并依次用酒精、去離子水及丙酮擦洗干凈，放入干燥皿中備用。

17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為50～150μm，熔覆粉末在真空干燥箱內100℃下烘烤2h，除去熔覆粉末表面吸附的氣體和水分。選用光纖激光器（最高功率為3kW）及6軸聯動機械臂進行修復，激光熔覆試驗設備如圖1所示。激光熔覆修復工藝參數為：激光功率2kW，同軸送粉方式，送粉速率10g/min；激光光斑直徑3mm，掃描速率350mm/min，搭接率30%；保護氣氛為高純氬氣，送氣量為3L/min；單層熔覆金屬厚度為0.4～0.7mm，熔覆10個道次。

圖1 激光熔覆試驗設備

修復后的金屬依次用500#、1000#及3000#砂紙打磨縱截面，拋光后用10%的硝酸酒精溶液進行金相刻蝕并觀察金相；采用數字式顯微硬度計測試修復區縱截面維氏硬度，載荷為500g，保壓時間為10s。

3 結果分析與討論

3.1 金相組織

45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的縱截面金相如圖2～圖6所示。由圖2可知，熔覆層與基體之間的界面為良好的冶金結合，整個17-4PH不銹鋼熔覆層致密完整，不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷，表明激光修復參數合理；由圖3可知，基體中主要為珠光體和鐵素體，熱影響區在熔覆過程中反復受到加熱和急速冷卻，具有類似回火馬氏體的組織；由圖4可知，熔覆層（17-4PH不銹鋼）緊貼基體的部分形成了細小的等軸晶，這主要是由于首次熔覆時基體溫度較低且體積較大，熔融的17-4PH不銹鋼接觸冷基體的瞬間，熱傳導很快，過冷度極大，所以形成了數量眾多的細小等軸晶粒；隨著距熔覆界面距離的增加，熔覆道次也在增加，此時由于熱量積累，熔池與基體間的溫度梯度減小，過冷度降低，熔池在冷卻凝固過程中形核率下降，所以晶粒易長大；由圖5可知，搭接區也有大量明顯的細小等軸晶粒，主要是由于在多道搭接熔覆過程中，先期形成的熔覆層受到后續熔覆時熱量輸入的影響，發生重熔結晶，同時，反復加熱急冷也使后一道次的熔覆對前一道次的熔覆金屬層起到了類似激光淬火的作用，在搭接區生成了細小等軸晶；由圖6可知，兩個熔覆道次的界面同樣存在由細小晶粒組成的熔覆線，熔覆線以上為等軸晶，形成該現象的原因同樣是熔池與上一層固體接觸時過冷度較大，易形成細小等軸晶，隨著熱量積累，在熔覆線以上形成了柱狀晶[4-8]。

圖2 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的截面總體金相組織

圖3 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的基體及熱影響區金相組織

圖4 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆層金相組織

圖5 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的搭接區金相組織

圖6 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆道次界面層金相組織

3.2 顯微硬度

沿著基體到熔覆層上表面的方向，對45鋼基體、熱影響區及熔覆層的不同部位進行了顯微硬度測試，如圖7所示。熔覆層與熱影響區界面處的17-4PH不銹鋼硬度最高，其次為熔覆搭接區，再次為17-4PH不銹鋼熔覆層本體，且其硬度隨著距（本體45鋼/熔覆層）界面距離的增加有微弱的下降；隨后為45鋼熱影響區，硬度最低的為45鋼基體。

圖7 激光熔覆層不同部位的顯微維氏硬度

顯微硬度測試結果表明，熔覆層不同部位的硬度與其熔池凝固冷卻速度密切相關，冷卻速度越快，獲得的硬度越高；45鋼熱影響區的硬度高于基體是因反復加熱和急冷而起到了淬火的作用[9，10]。由于17-4PH不銹鋼熔覆修復區有著比基體45鋼更高的硬度，具有比基體更優良的耐磨性及力學性能，所以使用17-4PH不銹鋼修復45鋼工裝及模具技術可行，有著廣闊的應用前景。

4 結束語

本文通過使用17-4PH不銹鋼作為熔覆材料開展基于45鋼基板的激光熔覆工藝試驗，對熔覆區組織及顯微硬度進行分析，得出如下結論。

1）17-4PH不銹鋼熔覆層與基體之間形成了良好的冶金結合，熔覆層中不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷，因此使用17-4PH不銹鋼修復45鋼是可行的。

2）由于冷卻速度快，熔覆層貼近基體的部位、使搭接區形成了細小的等軸晶；在等軸晶之上，沿著熔覆層外表面方向，由于熱量積累冷卻速度降低，所以熔覆層內形成了柱狀晶；熱影響區形成了類似屈氏體的組織。

3）17-4P H不銹鋼熔覆層搭接區顯微硬度達到了526H V，熔覆層內細小等軸晶區域硬度為516HV，柱狀晶區顯微硬度為496HV；45鋼熱影響區硬度為377HV，基體硬度為280HV。由此可知，17-4PPH不銹鋼修復45鋼能顯著增加其耐磨性。