激光熔覆修復(fù)15-5PH不銹鋼的拉伸性能及組織研究

劉海濤，司超陽，霍登平，張青絨，楊東輝

（1. 航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065；2. 西安鉑利特激光成形技術(shù)有限公司，西安 710072）

15-5PH是一種低碳馬氏體型沉淀硬化不銹鋼，具有強度高、耐蝕性好、韌性和低溫性能良好等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器工業(yè)、船舶制造等領(lǐng)域。尤其在航空制造領(lǐng)域，作動器部件廣泛采用15-5PH沉淀硬化不銹鋼，使作動器具有10年以上的服役時間和較長的維修周期[1]。

作動器部件在長期使用過程中易產(chǎn)生應(yīng)力開裂、機械磨損等缺陷，在制造過程中也會因誤加工而形成過切、啃刀等缺陷，這些缺陷的存在將顯著影響整個組件的使用性能，甚至導(dǎo)致報廢，從而造成很大浪費。面對這種情況，國內(nèi)外對修復(fù)技術(shù)做了大量研究，常規(guī)修復(fù)方法如電弧堆焊、氬弧堆焊和等離子弧堆焊等，由于輸入的熱量巨大，且要求將零件預(yù)熱到非常高的溫度，必將導(dǎo)致零件有較大的變形，甚至內(nèi)部組織發(fā)生變化，修復(fù)后的零件經(jīng)常無法使用。興起于21世紀初的激光熔覆修復(fù)技術(shù)很好地解決了此類問題，受到普遍關(guān)注。

激光熔覆技術(shù)是利用大功率高能量激光束, 結(jié)合CNC控制技術(shù)，在短時間內(nèi)將預(yù)先涂覆在零件表面的涂層或同步送粉與基體表面一起熔化后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，實現(xiàn)零件的增材制造或修復(fù)，后續(xù)結(jié)合機械加工或打磨，可恢復(fù)零件的幾何尺寸。在此過程中，激光加熱速率極快，并以基體金屬作為冷卻介質(zhì)，冷卻速率可達103 ～ 108 K/s, 使修復(fù)區(qū)域瞬間熔化和凝固。既可減小修復(fù)區(qū)氧化的幾率，又使晶粒來不及長大，較大的溫度梯度加劇了熔池的對流，使組織進一步細化，還可使其對基體的熱效應(yīng)降至最小限度，將零件變形和開裂的幾率控制到最小[2-3]。

綜上所述，激光熔覆技術(shù)具有修復(fù)質(zhì)量高、操作方便、熱影響區(qū)小等優(yōu)點，是一種非常好的零件快速修復(fù)技術(shù)。目前該技術(shù)在鈦合金零件修復(fù)上得到一定程度的應(yīng)用[4-5]，但鮮有15-5PH不銹鋼零件激光熔覆修復(fù)的報道。

本文主要研究了15-5PH沉淀硬化不銹鋼不同熔覆修復(fù)比例（25%、50%、75%、100%）對力學(xué)性能的影響，以及熔覆修復(fù)后試樣的斷口形貌、金相組織、內(nèi)部缺陷和顯微硬度。

1 試驗材料及方法

激光熔覆修復(fù)試驗在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室建立的LSF-I型激光立體成形設(shè)備上完成。該設(shè)備由RS-850型CO2激光器，LMP-408型4坐標(biāo)數(shù)控工作臺，DPSF-1型送粉器，同軸送粉噴嘴和惰性氣體保護箱等組成。試驗采用的主要工藝參數(shù)見表1。

試驗材料為15-5PH不銹鋼基材和粒徑為75～150μm的15-5PH球形粉末，基材和粉的化學(xué)成分見表2。15-5PH基材經(jīng)580℃時效硬化，硬度為31～38HRC。試驗前將粉末材料在150℃真空條件下(≤0.1Pa)進行烘干處理,以減少粉末吸潮對成形質(zhì)量帶來的不良影響,用砂紙對基材表面進行打磨處理,再用丙酮清洗干凈[6]。

表1 激光立體成形工藝參數(shù)

為反映不同熔覆修復(fù)比例對15-5PH室溫拉伸性能的影響，確定飛機作動器部件激光熔覆修復(fù)技術(shù)的適用范圍，本文設(shè)計了缺損體積比分別為25%、50%、75%、100%的拉伸試棒。激光熔覆修復(fù)前，先加工成槽狀試樣（見圖1），槽底與中心線距離決定最終車加工后標(biāo)準(zhǔn)試棒取樣區(qū)域的熔覆修復(fù)比例。激光熔覆修復(fù)后，將槽狀試樣車加工成圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)試棒，取樣位置為圖1中槽型試樣橫截面中心位置，拉伸試樣軸心與槽型試樣軸心重合，修復(fù)區(qū)橫截面積分別占試棒徑向總橫截面面積的25%、50%、75%和100%。每種修復(fù)比例的試棒各4根。在ZWICK 250型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，分別測量了各試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率，與15-5PH基材制成的標(biāo)準(zhǔn)試棒拉伸數(shù)據(jù)進行比對。

5種類型試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)見表3，其中熔覆修復(fù)比例0是指利用15-5PH原材料加工的對照試棒，100%是指試樣平行段完全由激光熔覆修復(fù)材料打印后加工而成的試樣。

為研究熔覆修復(fù)后材料及其界面的微觀組織，特制備了兩塊尺寸為10mm×10mm×10mm的15-5PH試樣，在其中一個面激光熔覆15-5PH粉末，熔覆層厚度約5mm，沿熔覆界面法向制備金相試樣。

利用JSM-6390A 型掃描電子顯微鏡（SEM）研究不同修復(fù)比例拉伸試樣的斷口形貌特征。利用OLYMPUS GX71型倒置式金相顯微鏡觀察金相試樣的顯微組織形貌，并利用Duramin-A300顯微硬度計測試金相試樣不同區(qū)域的顯微硬度。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 熔覆修復(fù)試樣力學(xué)性能

圖3為室溫拉伸時5種試樣的抗拉強度、屈服強度、伸長率和斷面收縮率的均值變化圖?？估瓘姸入S熔覆修復(fù)比例增加呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象；屈服強度無明顯變化規(guī)律；延伸率和斷面收縮率隨熔覆修復(fù)比例增加呈先減小后增大趨勢。

由試驗結(jié)果可見，不同缺損體積比修復(fù)試樣的抗拉強度略高于基材和100%修復(fù)試樣，而基材試樣和100%修復(fù)試樣的抗拉強度接近。對試樣進行修復(fù)會提高材料的抗拉強度，該現(xiàn)象與試樣修復(fù)界面區(qū)域的硬度升高有關(guān)，這點在2.5節(jié)中可以看到。不同缺損體積比修復(fù)試樣的屈服強度并未表現(xiàn)出與抗拉強度相同的變化規(guī)律，在所研究的4種熔覆修復(fù)比例的試樣中，75%熔覆修復(fù)比例時屈服強度最高。不同缺損體積比修復(fù)試樣的延伸率和斷面收縮率均低于基材和100%修復(fù)試樣，修復(fù)試樣的延伸率和斷面收縮率隨著修復(fù)比例的增加而降低。由于基材和100%修復(fù)試樣上不存在修復(fù)界面，修復(fù)界面會降低試樣塑性，因此基材和100%修復(fù)試樣的延伸率和斷面收縮率均高于不同比例的修復(fù)試樣。

表2 15-5PH基材和球形粉化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2.2 熔覆修復(fù)試樣斷口形貌

缺損體積為25%、50%、75%的熔覆修復(fù)試樣斷口均為V形斷口，斷口形貌相似。V形斷口的兩個斷面方向分別沿修復(fù)界面和與軸線夾角呈45°。以50%熔覆修復(fù)試樣斷口形貌為例，其斷口的掃描電鏡照片如圖4所示。其中修復(fù)界面是斷口的穩(wěn)定形成面，表明修復(fù)界面的結(jié)合力弱于基體內(nèi)部的結(jié)合力。100%缺損體積比的熔覆修復(fù)試樣的斷口與基材制成的標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口一致。斷口特征為：心部受三向應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋，裂紋由中心向四周擴展導(dǎo)致斷裂。在斷口上存在斷裂過程中產(chǎn)生的二次裂紋（見圖5和6）。

2.3 熔覆修復(fù)試樣微觀組織

圖7為熔覆修復(fù)15-5PH試樣金相組織，可以看出熔覆修復(fù)試樣組織共分為3個區(qū)域：基材區(qū)、熱影響區(qū)和修復(fù)區(qū)。

表3 試樣拉伸性能數(shù)據(jù)

熱影響區(qū)是修復(fù)區(qū)和基材區(qū)的過渡區(qū)域,深度約為1mm，在靠近修復(fù)區(qū)和靠近基材區(qū)的不同區(qū)域顯微組織有較明顯的差異。熱影響區(qū)由尺寸較小的α板條長大合并所形成的粗大α板條構(gòu)成,等軸α基本消失,趨于形成新的晶界。熱影響區(qū)晶粒沿修復(fù)區(qū)至基材區(qū)方向長大，呈現(xiàn)明顯的定向生長規(guī)律，該現(xiàn)象因熔覆過程中的熱量由修復(fù)區(qū)至基材區(qū)傳遞導(dǎo)致?；膮^(qū)為沉淀硬化馬氏體組織，呈等軸狀和板條狀的雙態(tài)組織[7-10]。

圖1 缺損體積比為25%的槽修復(fù)試樣尺寸Fig.1 Sample with 25% cladding layer

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Tensile test specimen

圖3 不同缺損體積比15-5PH在室溫下的抗拉強度、屈服強度、延伸率、斷面收縮率均值Fig.3 Average tensile strength/yield strength/elongation/reduction of 15-5PH with different cladding rates at room temperature

圖4 缺損體積比50%的熔覆修復(fù)試樣斷口Fig.4 Fracture of a sample with 50% cladding layer

圖5 缺損體積比100%的熔覆修復(fù)試樣斷口Fig.5 Fracture of a sample with 100% cladding layer

圖6 基材試樣斷口Fig.6 Fracture of 15-5PH sample

2.4 熔覆修復(fù)試樣表面和內(nèi)部缺陷

經(jīng)X射線檢測，熔覆修復(fù)試樣內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔。按ASTME1444-2001進行磁粉探傷檢查，熔覆修復(fù)試樣內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷，符合MIL-STD-1907 A級驗收要求。

2.5 熔覆修復(fù)試樣顯微硬度

激光成形修復(fù)零件中修復(fù)區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)的硬度及其分布情況將對修復(fù)后零件的性能帶來很大影響。如果修復(fù)區(qū)較基材區(qū)硬度過高，會導(dǎo)致韌性嚴重降低，甚至在局部產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致整個零件失效。

從圖8可以看出，修復(fù)區(qū)硬度為313～324HV，基材區(qū)硬度為354～362HV，熱影響區(qū)硬度為355～452HV，其中修復(fù)區(qū)的硬度略低于基材區(qū)。值得關(guān)注的是，熱影響區(qū)的硬度明顯高于另外兩個區(qū)域，其原因是激光熔融修復(fù)過程中熱影響區(qū)組織重新加熱，所受影響相當(dāng)于進行了時效處理，因此硬度較高。

3 結(jié)論

（1）15-5PH不同熔覆比例試樣的抗拉強度均高于基材，但塑性隨著修復(fù)比例的增大而降低。25%熔覆比例時抗拉強度最高，力學(xué)性能最好。

圖7 修復(fù)區(qū)微觀組織Fig.7 Microstructure of cladding reparation

圖8 15-5PH熔覆試樣顯微硬度Fig.8 Microstructure hardness of 15-5PH cladding sample

（2）熔覆界面的結(jié)合力較基體內(nèi)部的結(jié)合力弱，修復(fù)試樣的斷口均呈V字形。

（3）15-5PH熔覆試樣的微觀組織分為修復(fù)區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)，其中熱影響區(qū)的組織呈現(xiàn)明顯的方向性。

（4）15-5PH熔覆試樣不同區(qū)域的硬度值有差異，其中熱影響區(qū)的硬度最高。

參 考 文 獻

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