基體表面粗糙度對激光沉積不銹鋼形貌、組織及性能的影響

何振豐，高元，王志勇

（1.東北大學，沈陽 110819；2.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；3.中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110016）

目前，工業(yè)生產(chǎn)中零部件的高性能制造雖然有很大的提升，但是由于工況惡劣、受力復雜等原因，零部件的失效在所難免[1-2]，而傳統(tǒng)修復手段（如堆焊、熱噴涂等）具有熱變形大、結(jié)合性能弱、硬度不高等缺點[3-7]。還有一些特殊的零部件要求表面質(zhì)量高（高硬度、高耐磨性），有時超出了零件材料本身的性能極限，這就需要異種材料復合制造以達到表面高性能要求[8-10]。為此引入激光直接沉積技術(shù)，用不同的添料方式，激光輻照被沉積表面，使之與基體表面同時熔化形成涂層，這種工藝可控性高、適應性強，沉積層與基體冶金結(jié)合，可實現(xiàn)選區(qū)沉積，形成的組織致密[11-13]。Minlin Zhong等[2]針對Inconel738單晶葉片進行激光沉積修復，修復之后的拉伸性能達到了基體的80%。張霜銀等[14]研究激光沉積修復鈦合金的工藝，發(fā)現(xiàn)激光功率影響柱狀晶的生長規(guī)律，搭接率影響沉積質(zhì)量。薛雷等[15]對3種加工缺陷的Ti-6Al-4V合金進行激光修復，得到的修復件拉伸性能均達到鍛件水平。W.Gandyd等人[16]發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化的激光工藝參數(shù)下，In-738基體上激光沉積In-939，可獲得性能優(yōu)良的沉積層。H.So等[17]在低碳鋼、中碳鋼和不銹鋼上沉積司太立合金，得到了很好的常溫和高溫耐磨性能。王長貴等[18]改變參數(shù)對鑄鋼表面進行激光熔凝，在熔凝和相變硬化區(qū)獲得馬氏體、大量殘余奧氏體和碳化物的混合組織，硬化層深度達2 mm。日本Sodick公司和Matsuura Machinery采用選區(qū)熔化成形工藝與數(shù)控銑削復合制造機床，實現(xiàn)了內(nèi)含復雜冷卻流道注塑模具的高精度制造[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，改變金屬表面粗糙度可以很大程度上提高其對能量光的吸收[20]。Vorobyev等[21]用激光加工技術(shù)在鉑金表面制備微納米粗糙結(jié)構(gòu)，獲得了對能量光吸收較好的表面。Wang等人[22]在低碳鋼基體采用超音速火焰噴涂方法制備WC-Co涂層，發(fā)現(xiàn)粗糙度為0.059～9.0 μm時，涂層結(jié)合強度隨粗糙度的增加而變大。楊暉等人[23]發(fā)現(xiàn)，粗糙度在一個最佳的范圍內(nèi)，基體與涂層的冶金結(jié)合最好，并不是粗糙度越大越好。

但是，他們目前研究大部分集中在工藝調(diào)控組織性能，而對其表面形貌的影響并沒有論述。然而，基體表面粗糙度的不同，會在基體表面產(chǎn)生不同程度的陷光效應，進而對沉積層組織、性能產(chǎn)生影響，最終會對利用激光沉積技術(shù)修復與強化的零部件質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，本文關(guān)注點在于：激光沉積過程中基體表面粗糙度Ra的改變及沉積過程中陷光效應的存在，會對基體表面熱輸入量以及沉積層的化學成分產(chǎn)生影響。沉積過程中的熱輸入量密切影響著沉積層、熱影響區(qū)以及結(jié)合區(qū)的形貌、組織和性能。為了得到形貌、組織和性能優(yōu)良的沉積層，研究基體表面粗糙度對沉積層形貌、組織和性能的影響是非常必要的。

通過對不同機械加工方式獲得的P20鋼基體表面上沉積316L不銹鋼的形貌、組織等變化進行分析，獲得不同沉積狀態(tài)下沉積層形貌與表面特征的影響規(guī)律，結(jié)果可為模具激光修復提供理論與實驗依據(jù)，為沉積質(zhì)量控制提供新的思路，具有一定的工程價值和科學意義。

1 試驗

1.1 沉積層制備

本實驗采用316L不銹鋼粉末作為沉積材料，粉末粒度范圍為150—200目，基體材料為預硬化P20模具鋼，尺寸為50 mm×120 mm×30 mm，成分組成如表1所示。采用表面加工方式，包括球頭銑刀銑削、240#砂紙磨削、高速噴砂，在將P20模具鋼表面加工出不同粗糙度，其后續(xù)表面粗糙度值采用德國MarSurf PS1高精度粗糙度儀進行測量，具體數(shù)值如表2所示。

表1 316L和P20化學成分Tab.1 Chemical compositions of 316L and P20 wt%

表2 P20模具鋼基體待沉積表面的粗糙度Tab.2 Surface roughness of P20 mold steel substrate to be deposited μm

沉積前用酒精清洗基體表面去除污物。沉積設(shè)備為本實驗室自主開發(fā)的金屬激光直接沉積增材制造系統(tǒng)，由2KW IPG 光纖激光器、水冷機組冷卻系統(tǒng)組成，激光傳輸方式為光纖傳輸，送粉方式為同軸送粉；執(zhí)行機構(gòu)采用史陶比爾RX160 機器人，控制器為工控機；掃描方式為工件固定，機器人帶動激光器和同軸送粉頭在三維空間運動[24]。工藝參數(shù)初步確定為：激光功率（P）1400～2000 W，掃描速度（Vs）4～6 mm/s，送粉速率8 g/min。根據(jù)功率密度變化組合設(shè)計，來確定各組試驗的工藝參數(shù)，并進行單道沉積實驗。然后從單道實驗中選取激光功率為2000 W、掃描速度為6 mm/s的工藝參數(shù)，在通入氬氣氣氛保護的熔池中，分別進行多道搭接實驗（搭接率為60%）、單道薄壁實驗（沉積10層）、多道多層實驗（搭接率為60%，沉積30層）。

1.2 性能測試及組織觀察

激光沉積后，對所有試樣進行線切割，切割后的試塊經(jīng)打磨、拋光及王水溶液（V(HNO3):V(HCl)=1:3）腐蝕后，用酒精沖洗，吹干。使用Zeiss Vert A1光學顯微鏡（OM）進行顯微組織觀察，并對其進行組織形貌分析。為了探究基體表面狀態(tài)對結(jié)合性能的影響，選取噴砂基體和銑削基體兩組多道多層實驗制備拉伸試樣，垂直于掃描方向獲取所需拉伸試樣，每組在同一位置取3個拉伸試樣，拉伸試樣寬度為4 mm，厚度為2 mm，沉積層和基體的高度各占1/2。在INSTRON 5582拉伸試驗機上進行拉伸試驗，獲取試樣的屈服強度和抗拉強度，加載方向垂直于掃描方向，隨后在TESCAN MAIA3掃描電子顯微鏡（SEM）上觀察斷口形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 形貌及組織

2.1.1 單道單層

根據(jù)功率密度（P/Vs）[25]變化組合設(shè)計來確定各組試驗的工藝參數(shù)，依據(jù)1.1節(jié)中給出的激光功率和掃描速度的范圍確定工藝參數(shù)，見表3。針對三種表面粗糙度，在氬氣保護下分別進行5組實驗，然后選取其中I、Ⅲ、V在氧氣狀態(tài)下進行單道實驗。圖1為在不同表面狀態(tài)（噴砂、磨削、銑削）基體上激光沉積得到的沉積層。圖2是沉積層形貌參數(shù)示意圖，整個沉積層尺寸包含熔高La、熔深Lb和熔寬Lw，稀釋率是表示沉積層質(zhì)量的一個重要指標，不易準確測量，本文用Lb/(La+Lb)[26]的值來近似表示稀釋率D（dilution）的大小，將所有測量結(jié)果列入表4。

表3 激光沉積工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of laser deposition

圖3為粗糙度對沉積層宏觀形貌的影響趨勢。由圖3a、b可看出，隨著基體表面粗糙度的變大，La與Lb呈增長趨勢，并且隨著激光密度的增加，La與Lb都有非常明顯的變大。在Ar保護狀態(tài)下，La和Lb的變化曲線較為平緩；而在Air環(huán)境下實驗，La與Lb隨粗糙度的變大，產(chǎn)生較為激烈的上升，增加幅度都達到了近100%。La和Lb最大增幅分別為0.16 mm和0.21 mm，且都發(fā)生在最低激光密度為233 (W·s)/mm的Air環(huán)境中。由圖3c可得，在Ar保護狀態(tài)下，隨基體表面粗糙度的變大，熔寬Lw的增長非常激烈，而Air環(huán)境下較為平緩。Lw最大增幅為1.3 mm，也出現(xiàn)在能量密度為233 (W·s)/mm且有Ar保護的狀態(tài)下。由圖3d可得，隨著基體表面粗糙度的增加，稀釋率D變化無明顯規(guī)律，但大多趨于55%；最低稀釋率（28.6%）出現(xiàn)在最高能量密度為425 (W·s)/mm的Air沉積環(huán)境中。

表4 沉積層宏觀尺寸Tab.4 Dimension of morphology of deposition layer

綜上可知，隨著基體表面粗糙度的增大，沉積層的宏觀形貌尺寸隨之增加。這是因為隨著粗糙度的增大，陷光效應逐漸明顯，基體吸收的能量增大，基體熔化較多，熔池的寬度和深度也會增加。當粗糙度減小時，基體吸收的能量變少，由于粉末輸入量一定，此時會有粉末飛濺，致使沉積層粉末減少，沉積層寬度和高度也會減小。光在進入陷光結(jié)構(gòu)時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生一系列的反射、折射和散射，使得光程變長，介質(zhì)對光子的吸收量變大，而陷光結(jié)構(gòu)反射出去的光相應變少，此效應便是陷光效應[20]，見圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)，基體表面粗糙度對沉積層高度、深度、寬度及稀釋率的影響程度與沉積過程中有無Ar保護有關(guān)，還與激光密度有關(guān)。Air環(huán)境下氧化反應嚴重，會加大表面粗糙度對沉積層形貌的影響，尤其是在激光密度較低時，氧化反應的影響更明顯。由在Air狀態(tài)下出現(xiàn)的最低稀釋率（28.6%）可知，激光密度較大時，粗糙度的增加有利于沉積層與基體的冶金結(jié)合，并且氧化反應會加深這種影響。

圖5為沉積層底部金相圖，基體噴砂表面和砂紙磨削處理表面的粗糙度較大，沉積層與基體之間存在亮白線[27]，說明沉積層與基體形成較好的冶金結(jié)合。亮白線是在基體與沉積層之間形成具有一定厚度的區(qū)域，是熔池底部形成的平面晶。這是因為底部結(jié)晶凝固過程中主要靠基體散熱，溫度梯度很高。而在銑削基體表面沉積層界面處也存在亮白線，但不明顯，且不連續(xù)。在高倍下還可以看到，隨著基體表面粗糙度的增大，沉積層底部的晶粒尺寸越來越大，且生長方向趨于不明顯。

2.1.2 單道薄壁

在能量密度為333 (W·s)/mm下對噴砂表面和銑削表面進行單道沉積薄壁試樣，層數(shù)為10層。圖6為沉積10層的橫截面形貌，在低倍下可以看到，噴砂表面沉積高度達到6.8 mm，銑削表面沉積高度只有5.3 mm，可知在相同工藝參數(shù)下，基體表面粗糙度的變化對薄壁高度的增長有較大影響。在沉積前5層時，粗糙度大的噴砂基體表面沉積層高度為2.5 mm，而粗糙度小的銑削基體表面沉積層高度為1.25 mm，僅達到前者高度的1/2；而在后面6—10層沉積中，兩種基體狀態(tài)的沉積層增厚，厚度分別為4.35 mm和4.5 mm，差距很小，可得粗糙度的影響主要集中在前5層。這是因為沉積第1層時，類似2.1.1節(jié)提到的單層沉積，基體表面對能量的吸收不同，沉積層宏觀形貌也不同，在以后的逐層堆積過程中，這種影響是累積的，但是影響程度會逐漸衰減。在第5層之后，沉積層高度的增長基本一致，基體表面粗糙度不再對沉積層高度產(chǎn)生影響。薄壁截面的寬度分別為3.6 mm和3.7 mm，可得粗糙度堆積過程中，寬度方向不產(chǎn)生影響。另外，對比發(fā)現(xiàn)：噴砂基體表面的沉積孔隙率[28]為1.1%，而銑削表面孔隙率達到了3.5%，前者僅為后者的31%，可以看出表面粗糙度對孔隙率的影響很明顯。這是因為噴砂處理大大改善了沉積層與基體的結(jié)合狀況，使往后的沉積層具有非常好的接合面，從而減少了孔隙率，使沉積層組織致密。

從圖6高倍形貌可以看出，316L沉積層組織由長短不一的柱狀樹枝晶組成，這些枝晶沿垂直于層間界面的方向外延生長。從圖6a可以看出，沉積層與基體的界面為一條光滑平整的平面晶帶，二者有良好的冶金結(jié)合。靠近基體的枝晶是非常細長的柱狀晶和占多數(shù)的轉(zhuǎn)向樹枝晶，轉(zhuǎn)向樹枝晶截面呈典型蜂窩狀結(jié)構(gòu)。圖6b是沉積薄壁中部，沉積層組織包含垂直于層間界面的相對較大的柱狀晶和部分層間轉(zhuǎn)向樹枝晶。圖6c是沉積薄壁頂部，此部分組織轉(zhuǎn)向樹枝晶區(qū)的厚度大于中間和底部，而且柱狀晶相對粗大；最頂層由于受到保護氣體和大氣的冷卻，且未受激光再加熱，最外層組織反而較為細小[29-30]。

2.1.3 多道搭接

多道搭接沉積的表面平整，無裂紋、氣孔等常見缺陷[31]。圖7a為搭接沉積層截面，縱向尺寸H為熔高La與熔深Lb之和，橫向尺寸L為熔寬Lw。對于同一沉積層截面，隨著搭接的進行，H和L都產(chǎn)生了由大到小的往復變化，圖7a中數(shù)值為縱向、橫向尺寸分別測出的最大值與最小值。由圖7b可知，隨著粗糙度的增大，H由0.72 mm增加到1.55 mm，L由2.5 mm增加到3.42 mm，并且縱向尺寸H的內(nèi)部增長范圍持續(xù)變大，而橫向尺寸L的范圍保持穩(wěn)定。這是因為較粗糙的基體表面對激光能量的吸收較強，使沉積過程中熔池增大，更多粉末熔化進入熔池。也可以看出，在相同工藝參數(shù)下的單道實驗結(jié)果僅交替出現(xiàn)在多道實驗中。

如圖8所示，隨著基體表面粗糙度的增加，沉積層的柱狀晶組織粗化且不均勻。這是因為基體表面粗糙度增大，使得沉積過程中熱輸入量和溫度梯度相應增加，熔池中液態(tài)金屬凝固的時間變長，熔池結(jié)晶速率減緩，所以因而得到的沉積層組織更加粗大，且不均勻。

2.2 力學性能分析

由于熔化沉積成形塊由許多微小的熔池相互疊加而成，形成大量魚鱗狀界面[32]，因此已成形的沉積層對相鄰的下一沉積層沉積難免會產(chǎn)生影響。在噴砂表面基體和銑削表面基體上進行相同工藝參數(shù)的沉積，堆積出兩個沉積層數(shù)為30的塊體。如圖9所示，垂直于掃描方向獲取所需拉伸實驗樣塊，每組在同一位置取3個拉伸試樣。在相同條件下對兩組試樣進行拉伸試驗，激光沉積掃描方向與加載方向垂直。由圖10可知，斷裂都發(fā)生在316L沉積層區(qū)域。計算每組3個拉伸試樣的屈服強度σ0.2及抗拉強度σb，其平均值代表該組的力學性能，如圖11所示?？梢钥闯?，兩種表面狀態(tài)基體的σ0.2分別為327.41 MPa和323.52 MPa，σb分別為540.93 MPa和523.12 MPa，普通鍛造態(tài)316L不銹鋼的σ0.2與σb分別為240 MPa與530 MPa左右，可知激光沉積316L不銹鋼對抗拉強度的影響較??；而沉積層316L的屈服強度遠高于普通鍛造態(tài)316L，屈服強度的提升是由于激光沉積過程中，316L沉積層內(nèi)部細小晶粒致密排列所致。對比兩組實驗結(jié)果，噴砂基體上沉積層的試樣抗拉強度稍高于銑削基體上沉積層的強度，這是由于基體表面粗糙度會對沉積層內(nèi)部的孔隙率產(chǎn)生影響，其機理分析見2.1.2節(jié)，孔隙率的變化最終影響了沉積試樣的力學性能。圖12為不同放大倍數(shù)下激光沉積316L不銹鋼拉伸斷口形貌。從圖12a可見，試樣斷口相對平齊，但存在明顯撕裂。經(jīng)放大之后，由圖12b可觀察到比較均勻的塑性韌窩和明顯的白色撕裂棱，表現(xiàn)出良好的塑性，斷裂機制為微孔的聚合與長大[33]。

3 結(jié)論

1）單道沉積過程中，基體表面粗糙度對沉積層存在明顯影響，隨粗糙度的增大，沉積層宏觀形貌尺寸（熔寬、熔高、熔深）會增加，并且在Air環(huán)境下，熔高、熔深的增加幅度達到了100%，而熔寬的增加較平緩；結(jié)合區(qū)稀釋率趨于55%，最低稀釋率（28.6%）出現(xiàn)在最高能量密度為425 (W·s)/mm的Air沉積環(huán)境中。

2）粗糙度對沉積薄壁的高度增長有顯著影響，在本實驗中前5層的沉積中，噴砂基體表面的沉積高度達到2.5 mm，銑削表面的沉積高度僅有1.25 mm；噴砂基體上沉積層內(nèi)部孔隙率僅為銑削基體的31%。對于多道搭接沉積，粗糙度的影響主要集中在沉積層截面的縱向（H），粗糙度的增大使內(nèi)部柱狀晶變粗大，且不均勻。

3）兩種表面狀態(tài)基體的σ0.2分別為327.41 MPa和323.52 MPa，可知激光沉積對屈服強度的影響很??；而σb分別為540.93 MPa和523.12 MPa，基體表面粗糙度增大，沉積層內(nèi)部的抗拉強度隨之增強，可知基體表面粗糙度變大，會一定程度地改善沉積層內(nèi)部的力學性能。通過對斷口SEM分析可知，由于粗糙度對內(nèi)部孔隙率的影響，從而影響了沉積試樣的力學性能。