Ni60A含量對激光再制造試件力學性能的影響*

劉 武，毛杰勇, 任 勇，陳桂榮

(南華大學 機械工程學院, 湖南 衡陽 421001)

Ni60A含量對激光再制造試件力學性能的影響*

劉 武，毛杰勇, 任 勇，陳桂榮

(南華大學 機械工程學院, 湖南 衡陽 421001)

采用激光再制造技術(shù)在Q235基材上熔覆三種不同成分配比的304不銹鋼粉末，分別為純304不銹鋼末，添加10%Ni60A的304不銹鋼粉末，添加15%Ni60A的304不銹鋼粉末，利用維氏顯微硬度計研究熔覆層表面維氏顯微硬度，利用萬能試驗機研究熔覆層拉伸力學性能。實驗結(jié)果表明：添加了Ni60A粉末的304不銹鋼再制造試件由于發(fā)生了固溶強化，使得維氏顯微硬度和抗拉強度顯著增強，延伸率則有所下降，且隨著Ni60A含量的增加，效果更明顯。

激光再制造；顯微硬度；抗拉強度；延伸率

1 引 言

激光再制造技術(shù)集先進的激光熔覆加工工藝技術(shù)、激光熔覆材料技術(shù)和其他多種技術(shù)于一體，不僅可修復具有復雜形狀、一定深度制造缺陷、誤加工或服役損傷的關(guān)鍵零部件，而且可使其使用性能達到甚至超過原產(chǎn)品的水平，大大節(jié)約貴重的金屬材料，提高材料的利用率，降低能耗，是一種低污染、低噪聲、節(jié)省被加工材料的綠色加工技術(shù)[1-10]。

由于在鋼中加入某些金屬合金元素，使得合金元素與鐵、碳及合金元素之間的相互作用而改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，使鋼得到更優(yōu)良的或特殊的性能，而在各種合金元素中，在鋼中加入鎳元素，具有固溶強化的效果，可顯著地提高鋼的硬度和強度。本實驗基于此原理，向304不銹鋼粉末中添加不同比例的Ni60A粉末，探究不同成分配比的304不銹鋼粉末激光再制造試件的綜合力學性能。

2 實驗材料和方法

選取Q235鋼板為基材，實驗前磨平鋼板表面，而后采用封閉式噴砂機進行噴砂處理，以除去油漬、銹跡等。實驗選取粒度為-120～+240目的304不銹鋼粉末及Ni60A粉末，配制成三種不同成分配比的304不銹鋼粉末，分別為：純304不銹鋼粉末，加入10%Ni60A的304不銹鋼粉末，加入15%Ni60A的304不銹鋼粉末，實驗前將各組粉末在保溫爐中干燥12 h，以除去水分。實驗采用的304不銹鋼粉末，其化學成分質(zhì)量百分比如表1所列。

表1 304不銹鋼粉末化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)

3 實驗裝置及參數(shù)選擇

實驗采用武漢團結(jié)激光生產(chǎn)的5 kW橫流CW CO2激光器進行激光再制造，激光再制造實驗參數(shù)：激光功率為2.2 kW，橢圓形光斑尺寸為3 mm×4.5 mm，送粉速度為6.3 g/min，掃描軌跡沿單一X方向，采用側(cè)向同步送粉方式，實驗過程無爆鳴聲。根據(jù)不同成分配比的304不銹鋼粉末，三組試件分別為：純304不銹鋼試件(試件1)，含10%Ni60A的304不銹鋼試件(試件2)，含15%Ni60A的304不銹鋼試件(試件3)。激光再制造過程如圖1所示。利用線切割技術(shù)將激光熔覆層沿掃描方向切成40 mm×6 mm×2 mm的非標拉伸試件，如圖2所示。每種配比的熔覆層成形試件可制成4個拉伸試件。采用HXD-1000B維氏顯微硬度計測量其維氏顯微硬度，采用WDW-20E微機控制電子式萬能試驗機進行拉伸力學性能測試。

圖1 激光再制造過程 圖2 三組拉伸力學試件

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 維氏顯微硬度

在三種成形試件表面各取10個點，利用維氏顯微硬度計進行測量，各組硬度測量值如圖3所示。從圖3中可看出：試件1，試件2，試件3的平均維氏顯微硬度分別為：247.48，327.72，328.38，試件2與試件3的維氏顯微硬度明顯高于試件1，且比試件1的維氏顯微硬度分別提高了32.42%，32.69%。

圖3 三種不同試件維氏顯微硬度值

實驗結(jié)果表明：在304不銹鋼粉末中添加Ni60A可大幅度地提高激光再制造試件的維氏顯微硬度，且隨著Ni60A粉末量的增加，維氏顯微硬度有相應的提高，但提高的幅度不大。這是因為相對于純304不銹鋼粉末而言，當成形粉末中添加了Ni60A后，在激光束的高溫輻照下，合金粉末迅速熔化所形成的熔池中鎳元素的含量增加，而在快冷凝固過程中，鎳元素能起到固溶強化的作用，且隨著鎳元素含量的增加，固溶強化效果相對更明顯。

4.2 拉伸力學性能

把非標拉伸試件裝夾在自制的拉伸夾具上，然后在WDW-20E微機控制電子式萬能試驗機(如圖4所示)上進行拉伸實驗，實驗在室溫下進行，拉伸速率為0.5 mm/min，拉斷后的拉伸試件如圖5所示。三種不同試件拉伸力學性能如表2所列。從圖5中可看出，試件1具有明顯的頸縮現(xiàn)象，說明斷裂過程發(fā)生了塑性變形，斷裂為韌性斷裂，而試件2和試件3無頸縮現(xiàn)象，斷裂為脆性斷裂。從表2中可以看出，試件2和試件3的平均抗拉強度都有了很大的提高，相對試件1分別提高了38.82%、52.36%。而平均延伸率相對試件1，試件2僅提高了6.81%，試件3卻降低了20.13%。加入Ni60A粉末的304不銹鋼成形試件強度得到了增強，其強塑積(抗拉強度與延伸率的乘積：бb×δ)也發(fā)生了顯著的變化，由試件1的20.51 GPa%提高至試件2和試件3的30.26 GPa%、24.96 GPa%。故從表2中可以看出，激光再制造試件熔覆層的綜合力學性能與Ni60A粉末的添加量相關(guān)。

圖4 WDW-20E微機控制電子式萬能試驗機 圖5 六種不同試件拉斷后的拉伸試件

實驗結(jié)果表明：在304不銹鋼粉末中添加Ni60A粉末，能大大提高激光再制造熔覆層的平均抗拉強度，且隨著添加的Ni60A含量的增加，平均抗拉強度顯著提高，但平均延伸率卻逐漸下降，甚至低于純304不銹鋼粉末激光再制造試件，這是因為在激光再制造過程中，Ni60A粉末中的鎳元素具有固溶強化的作用，從而提高了成形試件的平均抗拉強度，且隨著Ni60A含量的增加，固溶強化效果加劇，使得成形試件的斷裂由試件1的韌性斷裂向試件2和試件3的脆性斷裂轉(zhuǎn)變，平均抗拉強度逐漸提高，平均延伸率則逐漸降低，平均強塑積也逐漸降低。故添加10%的Ni60A的304不銹鋼激光再制造試件的綜合力學性能更優(yōu)良。

表2 三種不同試件拉伸性能比較

5 結(jié) 語

(1) 304不銹鋼粉末中添加Ni60A粉末，粉末中的鎳元素具有固溶強化的作用，能大大提高激光再制造熔覆層的維氏顯微硬度和抗拉強度，但同時降低了其塑性和韌性，使得延伸率下降。

(2) 隨著304不銹鋼粉末中Ni60A含量的增加，激光再制造熔覆層的維氏顯微硬度和抗拉強度逐漸提高，但延伸率和強塑積卻逐漸降低。

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Influence of Ni60A Content on Mechanical Properties of Specimens by Laser Remanufacturing

LIU Wu， MAO Jie-yong，REN Yong，CHEN Gui-rong

(MechanicalEngineeringSchool，UniversityofSouthChina，HengyangHunan421001，China)

The three specimen 304 stainless steel powders in the paper were prepared in Q235 substrate by laser remanufacturing, The three specimens were one standard 304 stainless steel powder, one kind of 304 stainless steel powder with 10%Ni60A and 304 stainless steel powder with 15%Ni60A.The surface hardness and the tensile mechanical properties of the cladding layer were investigated by using Vickers microhardness tester and universal testing machine respectively. The results showed that the Vickers microhardness and tensile strength of the 304 stainless steel specimens which added Ni60A power are enhanced considerable, while their elongation decreased , because of the solid solution strengthening. And with the increasing of Ni60A，the effects are more obvious.

laser remanufacturing；microhardness；tensile strength；elongation

2013-12-05

湖南省市聯(lián)合基金重點項目(13JJ8013);湖南省重點學科建設項目(湘教發(fā)[2011]76號)；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃(湘教通[2012] 318號)

劉 武(1988-)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，研究方向:材料表面改性。

TH744.5

A

1007-4414(2014)01-0054-03