0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層熱疲勞性能

劉婧雯，包曄峰，張　舵，楊　可，蔣永鋒

（河海大學(xué)，江蘇常州213022）

0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層熱疲勞性能

劉婧雯，包曄峰，張舵，楊可，蔣永鋒

（河海大學(xué)，江蘇常州213022）

采用激光重熔工藝處理0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層表面，研究不同激光重熔工藝參數(shù)對(duì)堆焊層的顯微組織和熱疲勞性能的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過激光重熔處理后，堆焊層表面的晶粒得到明顯細(xì)化并產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。相比于原始堆焊層，經(jīng)過400次熱循環(huán)后，選用較小的激光功率進(jìn)行激光重熔處理后的表面，其熱疲勞裂紋的萌生周期較長(zhǎng)，裂紋在傳播過程中具有較小的增長(zhǎng)速率。選用較大的激光功率進(jìn)行激光重熔處理后，其裂紋萌生周期較短，但裂紋的增長(zhǎng)速率依然小于原始堆焊層。觀察1 000次熱循環(huán)后，不同激光參數(shù)處理后表面裂紋形貌，可知出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于經(jīng)過激光重熔處理后，堆焊層表面組織產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及沉淀強(qiáng)化而引起的。

熱疲勞；奧氏體耐熱鋼；激光表面重熔

0　前言

連鑄連軋工藝能耗低、生產(chǎn)效率高，在鋁板材生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。軋輥是鋁連鑄連軋機(jī)的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響鋁板材的質(zhì)量，同時(shí)軋輥是易耗品，其使用壽命關(guān)系到連鑄連機(jī)的維修保養(yǎng)周期。軋輥的工況非常嚴(yán)酷，熔融態(tài)的鋁液直接與軋輥表面接觸，軋輥表面溫度瞬時(shí)可達(dá)600℃以上，軋輥芯部通冷卻水，吸收表面熱量，使鋁液迅速凝固。在這種快速加熱和冷卻過程中，軋輥表面受到很大的熱沖擊，產(chǎn)生較大的循環(huán)熱應(yīng)力。同時(shí)，軋輥在軋制過程中還承受彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及表面摩擦應(yīng)力等。嚴(yán)酷的工況最終會(huì)使軋輥在長(zhǎng)時(shí)間工作后，表面出現(xiàn)變形、磨損和熱疲勞開裂，其中熱疲勞開裂是軋輥?zhàn)顬槌Ｒ姷氖问健?/p>

在軋輥表面堆焊一層具有良好耐熱疲勞性能的堆焊層，可提高軋輥的工作壽命和工作效率。堆焊方法也可修復(fù)失效的軋輥，實(shí)現(xiàn)廢輥再生，節(jié)約成本。選用0Cr15Ni25Ti2Al奧氏體耐熱鋼作為軋輥表面堆焊材料，選取不同的激光工藝參數(shù)對(duì)堆焊層表面進(jìn)行激光重熔處理，探究對(duì)堆焊層組織的影響。通過自制的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究不同組織對(duì)0Cr15Ni25 Ti2Al堆焊層耐熱疲勞性能的影響。

1　試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料及試樣準(zhǔn)備

選取0Cr15Ni25Ti2Al奧氏體耐熱鋼為堆焊材料，其化學(xué)成分見表1。在8 mm厚的Q235鋼板上采用鎢極氬弧堆焊方法施焊三層，施焊電流150 A，堆焊總高度約6 mm，焊后空冷至室溫，磨去表面2 mm堆焊層，用砂紙打磨至表面粗糙度Ra≤0.8備用。

表1　0Cr15Ni25Ti2Al奧氏體耐熱鋼化學(xué)成分％Tab.1Chemical composition of austenitic stainless steel

利用線切割方法，在堆焊鋼板上截取尺寸10mm× 7 mm×12 mm的試樣若干，按如表2所示的工藝參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行表面激光重熔處理并編號(hào)。激光重熔處理選用HAN’S LASER YAG系列激光焊接機(jī)，激光脈沖頻率10 Hz，脈沖寬度20 ms，激光光斑直徑1 mm，搭接率20％。

表2　激光重熔工藝參數(shù)Tab.2Laserparameteroflasersurfaceremeltingtreatment

1.2熱疲勞試驗(yàn)

熱疲勞試驗(yàn)在自制熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，熱疲勞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。氣缸帶動(dòng)試樣在感應(yīng)加熱線圈和循環(huán)冷卻水容器之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過自制單片機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱疲勞過程中加熱和冷卻時(shí)間的控制。通過調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱器的功率輸出，使得試樣在加熱過程中最高溫度穩(wěn)定在600℃±10℃，加熱時(shí)間7 s。冷卻過程采用循環(huán)冷卻水，水溫恒定在20℃±1℃，冷卻時(shí)間3 s。

A—功率調(diào)節(jié)；B—電流值顯示；C—電壓值顯示；D—電源開關(guān)；E—?dú)飧?；F—電磁閥；G—單片機(jī)；H—接氣源；I—消音器；J—固定裝置；K—試樣；L—感應(yīng)加熱線圈；M—循環(huán)冷卻水。圖1　自制熱疲勞試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1Schematic diagram of the structure of the self-design thermal fatigue experimental installation

熱疲勞試驗(yàn)過程中，每50次熱循環(huán)后取出試樣，觀察試樣表面是否有裂紋萌生。裂紋萌生后每200次熱循環(huán)后，將試樣表面輕度拋光，觀察試樣表面裂紋的宏觀形貌并拍照，選用Digimizer圖像處理軟件測(cè)量和計(jì)算試樣表面裂紋的長(zhǎng)度與密度。熱疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，制備金相試樣，采用XJG-05臥式顯微鏡觀察熱疲勞裂紋形成的位置和擴(kuò)展路徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在不同激光工藝參數(shù)下，表面激光重熔處理對(duì)0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層耐熱疲勞性能的影響。

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1堆焊層顯微組織

不同激光工藝參數(shù)下0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層的顯微組織如圖2所示。0Cr15Ni25Ti2Al原始堆焊層中Ni含量較高，而Ni是強(qiáng)奧氏體形成元素，較高的Ni含量保證了堆焊層為純奧氏體組織而不出現(xiàn)鐵素體。同時(shí)由表1可知，原始堆焊層具有較大體積分?jǐn)?shù)的Mo、Nb、Ti、V等強(qiáng)碳化物形成元素，它們與碳元素相互結(jié)合可以形成多種碳化物。最終原始堆焊層的顯微組織如圖2a所示，主要由粗大的樹枝狀?yuàn)W氏體晶粒和沿奧氏體晶界析出的球狀碳化物構(gòu)成。

觀察經(jīng)過激光重熔處理后試樣的顯微組織，可以看到其奧氏體晶粒產(chǎn)生明顯細(xì)化。由計(jì)算可知，原始堆焊層晶粒尺寸40 μm，經(jīng)激光重熔處理后，組織的晶粒尺寸分別為2.5μm、2.0μm、5μm、4.5 μm，如圖2b～圖2e所示。激光重熔處理使得組織的晶粒尺寸縮小為原來(lái)的12～13倍，原先分布在奧氏體晶界上的球狀碳化物也隨之消失。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是激光本身具有較大的能量密度，激光掃過的區(qū)域會(huì)瞬時(shí)達(dá)到熔點(diǎn)以上的溫度，而激光光斑周圍的材料仍然處于較低的溫度，這樣就在激光掃描區(qū)域形成了較大的溫度梯度，從而使材料表面的組織在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生凝固和重結(jié)晶，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，原來(lái)高溫時(shí)溶于奧氏體組織中的合金元素也來(lái)不及擴(kuò)散，固溶于奧氏體中，最終形成單一細(xì)小的奧氏體組織[1]。對(duì)比圖2b～圖2e激光重熔試樣的晶粒尺寸可以看出，當(dāng)激光功率相同時(shí)，隨著激光掃描速度的增加，熔池高溫停留時(shí)間變短，晶核沒有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，激光重熔后晶粒更加細(xì)小。而當(dāng)激光掃描速度相同時(shí)，隨著激光功率的增加，熔池吸熱更多，需較長(zhǎng)時(shí)間凝固，晶核有充裕的時(shí)間長(zhǎng)大，晶粒相對(duì)較大。

圖2　不同激光工藝參數(shù)重熔堆焊層的表面顯微組織Fig.2Microstructure of hardfacing metal in different laser parameter

2.2熱疲勞性能

熱疲勞過程中試樣表面裂紋的長(zhǎng)度、密度（單位面積上裂紋的長(zhǎng)度）與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3a可知，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面裂紋長(zhǎng)度逐漸增加，不同熱循環(huán)次數(shù)后，熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度總體遵循2-1＜2-2＜1-1＜2-4＜2-3的規(guī)律。此處定義0.2 mm為熱疲勞裂紋的萌生長(zhǎng)度，由圖3a可知，400次熱循環(huán)后，除2-1試樣，其余試樣表面裂紋都已萌生，其中2-3試樣裂紋長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為0.69 mm，1-1試樣裂紋長(zhǎng)度為0.34 mm。600次熱循環(huán)后，各個(gè)試樣的裂紋長(zhǎng)度都有增長(zhǎng)，其中2-4試樣裂紋的增長(zhǎng)速率最大。800次熱循環(huán)后，1-1試樣的裂紋增長(zhǎng)速率最大，其裂紋長(zhǎng)度為0.76 mm，而2-1、2-2試樣的裂紋增長(zhǎng)速率有所下降。1 000次熱循環(huán)后，除2-4試樣，其余試樣裂紋的增長(zhǎng)速率達(dá)到最大值，其中1-1試樣的裂紋增長(zhǎng)速率最大，對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度為1.15 mm。

圖3　熱疲勞裂紋與熱循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.3Relationship between thermal fatigue crack and cycle times

圖3b為熱疲勞裂紋密度與熱循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。熱循環(huán)次數(shù)較低時(shí)，原始堆焊層裂紋密度低于激光重熔試樣，約為0.16 mm-1。隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，原始堆焊層裂紋密度的增加速率明顯高于激光重熔試樣。當(dāng)熱循環(huán)次數(shù)為600次時(shí)，原始堆焊層的裂紋密度已超過激光重熔處理后的2-1、2-2試樣，約為0.65 mm-1。當(dāng)熱循環(huán)次數(shù)為1000次時(shí)，原始堆焊層的疲勞裂紋密度為1.43mm-1，僅低于2-3試樣。

2.3熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理

2.3.1熱疲勞裂紋的萌生機(jī)理

由于電磁感應(yīng)加熱具有明顯的集膚效應(yīng)和較快的加熱速度，使得試樣在加熱過程中具有較大的循環(huán)熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱疲勞裂紋的萌生周期變短。400次熱循環(huán)后試樣表面裂紋形貌如圖4所示。對(duì)于原始堆焊層（見圖2a），由于奧氏體晶界處不均勻球狀碳化物和低熔點(diǎn)共晶的存在，導(dǎo)致在熱循環(huán)過程中晶界處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力[2]，以及晶界處材料強(qiáng)度降低。這樣，當(dāng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力大于晶界處的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在晶界處產(chǎn)生塑性形變，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，塑性形變不斷積累，最終使得熱疲勞裂紋主要在奧氏體晶界處萌生，如圖4a所示。

而對(duì)于經(jīng)過激光重熔處理后的試樣，由于激光重熔對(duì)堆焊層表面產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使得合金元素固溶于奧氏體中，避免了低熔點(diǎn)共晶和碳化物在晶界處形成，從而使裂紋不容易在晶界處萌生，增加了裂紋萌生的周期，2-1、2-2試樣如圖3a所示，在400次熱循環(huán)后裂紋長(zhǎng)度小于原始堆焊層1-1。觀察圖4b，經(jīng)過400次熱循環(huán)后，激光重熔表面出現(xiàn)許多小的黑色凹坑，部分裂紋從凹坑處萌生并向前擴(kuò)展。該黑色凹坑主要是由于表面碳化物在高溫時(shí)發(fā)生氧化而形成的氧化腐蝕坑，裂紋在此處極易發(fā)生萌生并向前擴(kuò)展[3]。觀察圖4c，在激光光斑與光斑的搭接處發(fā)生裂紋的萌生，這主要是由于光斑搭接處是重熔組織與基體的交界處，在該處具有較大的殘余應(yīng)力，裂紋容易在應(yīng)力集中處發(fā)生萌生?？紤]到激光工藝參數(shù)，較大的激光功率會(huì)增加光斑搭接處的殘余應(yīng)力值，從而使裂紋更加容易在光斑搭接處萌生，導(dǎo)致如圖3a所示的2-3、2-4試樣在400次熱循環(huán)后裂紋長(zhǎng)度大于原始堆焊層1-1。同時(shí)，較大的激光功率使得加熱時(shí)組織具有較高的溫度，會(huì)促使合金碳化物從固溶體中析出，隨著焊接速度的降低，合金碳化物析出量增多并有時(shí)間長(zhǎng)大，粗大的碳化物又會(huì)產(chǎn)生氧化腐蝕斑[4]，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的萌生，從而使得在400次熱循環(huán)后，2-3試樣的裂紋長(zhǎng)度大于2-4試樣。

2.3.2熱疲勞裂紋的擴(kuò)展

1 000次熱循環(huán)后試樣表面裂紋形貌如圖5所示。由圖5a可知，原始堆焊層由于晶界處碳化物和低熔點(diǎn)共晶的存在，裂紋主要沿奧氏體晶界向前擴(kuò)展，裂紋在擴(kuò)展過程中阻力較小，從而具有較大的裂紋增長(zhǎng)速率[5]。觀察單條熱疲勞裂紋的形貌可知，裂紋的長(zhǎng)度總體較長(zhǎng)，在傳播過程中出現(xiàn)較多的彎折，裂紋尖端分叉較少，相互之間也沒有太多的干預(yù)。

圖4　400次熱循環(huán)后裂紋形貌Fig.4Crack morphology after 400 thermal cycles

激光重熔后的試樣如圖5b～5e所示，熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度較短，裂紋尖端容易產(chǎn)生分叉，裂紋與裂紋之間也產(chǎn)生較多橋接。出現(xiàn)上述裂紋形貌的原因是激光重熔后發(fā)生固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用[6]。晶間碳化物的消失和較多晶界的存在使得裂紋在擴(kuò)展過程中受到較大阻力[7]，導(dǎo)致激光重熔后試樣表面的裂紋長(zhǎng)度較短，裂紋增長(zhǎng)速率較小。同時(shí)，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，原來(lái)固溶于奧氏體晶粒中的合金元素會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的熱作用而在基體上產(chǎn)生細(xì)小的沉淀析出相[8]。由表1可知，由于V、Nb、W、Mo等強(qiáng)碳化物形成元素的存在，隨熱循環(huán)的增加，在奧氏體基體上可析出細(xì)小的合金碳化物[9]。原始堆焊層具有較大體積分?jǐn)?shù)的Al、Ti以及高的Ni含量，隨熱循環(huán)次數(shù)的增加，在奧氏體基體上容易沉淀析出γ'-Ni3（Al，Ti）型金屬間化合物，該沉淀相具有和奧氏體相同的晶體結(jié)構(gòu)，只是點(diǎn)陣常數(shù)有差異，其強(qiáng)度隨著溫度的增加而增加，高溫時(shí)對(duì)組織產(chǎn)生明顯的沉淀強(qiáng)化作用。由于細(xì)小碳化物和較好性能的金屬間化合物的存在，使得裂紋在擴(kuò)展過程中遇到較大的阻礙，從而進(jìn)一步減小裂紋的增長(zhǎng)速率。同時(shí)，由于析出相的存在，裂紋在擴(kuò)展過程中遇到析出相時(shí)會(huì)繞過析出相發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得激光重熔后試樣表面裂紋出現(xiàn)較多分叉，分叉的裂紋和早期形成的裂紋之間相互橋接，熱裂紋以這樣的形式向前擴(kuò)展傳播。

3　結(jié)論

（1）經(jīng)激光重熔處理后，由于較快的冷卻速度，0Cr15Ni25Ti2Al堆焊層組織發(fā)生細(xì)化和固溶強(qiáng)化。激光功率越小，掃描速度越快，晶粒尺寸越小。

（2）原始堆焊層表面的熱疲勞裂紋易在晶界處萌生，其熱疲勞裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)且彎曲，主要沿奧氏體晶界向前傳播。激光重熔后堆焊層表面的熱裂紋主要在氧化腐蝕斑和光斑搭接處萌生，其熱疲勞裂紋長(zhǎng)度較短并且出現(xiàn)較多分叉與橋接。

（3）激光重熔工藝參數(shù)不同，材料熱疲勞抗力不同。采用較低激光功率處理后的堆焊層，其熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度和密度小于原始堆焊層。而采用較大激光功率處理后的堆焊層，其熱疲勞裂紋的長(zhǎng)度和密度大于原始堆焊層。

（4）經(jīng)過不同激光工藝參數(shù)處理后的堆焊層，其裂紋密度的增長(zhǎng)速率小于原始堆焊層。

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Thermal fatigue performance of 0Cr15Ni25Ti2Al welding cladding

LIU Jingwen，BAO Yefeng，ZHANG Duo，YANG Ke，JIANG Yongfeng
（Hohai University，Changzhou 213022，China）

Laser remelting process is adopted for 0cr15ni25ti2al hardfacing layer surface processing,to study the different laser remelting process parameters on the effect of the microstructure of surfacing layer and thermal fatigue performance.The results show that the grains on original welding cladding are refined and generate solution strengthening effect after laser surface remelting. Comparing with original welding cladding，after 400 times thermal cycle，the initiation period of thermal fatigue crack on the surface treated by laser remelting with lower laser power is longer and the growth rate of thermal fatigue crack is slower.While using higher laser power，the thermal fatigue crack has shorter initiation period while the growth rate is still slower.The morphology of thermal fatigue crack after 1000 times thermal cycle with different laser parameters shows that the grain refining，solution strengthening and precipitation strengthening of welding cladding after laser surface remelting treatment result in above phenomenon.

thermal fatigue；austenitic heat resistant steel；laser surface remelting

圖5　1000次熱循環(huán)后試樣表面裂紋形貌Fig.5Crack morphology after 1 000 thermal cycles

TG405

A

1001－2303（2016）04－0005-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.02

2015-11-11

中央高校專項(xiàng)業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)（2014811614）

劉婧雯（1991—），女，陜西咸陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事焊后熱處理、不銹鋼堆焊層組織與性能的研究。