激光功率對17-4PH 絲材激光熔覆組織及硬度的影響

王強(qiáng)，李洋洋，楊洪波，牛文娟，蘇成明，曹鵬，楊駒，王永剛，Dong QIU

（1. 西安建筑科技大學(xué) a.冶金工程學(xué)院 b.陜西省冶金工程技術(shù)研究中心，西安 710055；2. 陜西天元智能再制造股份有限公司，西安 710055；3. Center for Additive Manufacturing, School of Engineering,RMIT University, Melbourne 3053, Australia）

激光熔覆是新興起的一種材料表面處理技術(shù)，利用激光器發(fā)出的高能量激光束將合金粉末或絲材熔化于基體表面，從而在基體表面形成牢固的冶金結(jié)合的熔覆涂層，廣泛應(yīng)用于冶金、煤礦、工程機(jī)械制造等領(lǐng)域[1-3]。其中，送絲激光熔覆是通過高能量激光束將絲材熔化到基體表面，具有成形效率高、冷卻速度快、組織成形好、熱輸入變形小、生產(chǎn)過程無污染、絲材利用率高等特點(diǎn)，在制備耐磨、耐蝕等特殊性能的表面涂層方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。

絲材的選擇是影響送絲激光熔覆質(zhì)量的關(guān)鍵，近年來，國內(nèi)外學(xué)者對送絲激光熔覆的研究多集中在絲材種類的選擇上，不斷擴(kuò)展絲材的應(yīng)用范圍。如G?khan Demir[6]采用301 不銹鋼絲材作為熔覆材料，成功熔覆了700～800 μm 的形貌和組織較好的高精度薄壁件；P. Wanjara 等人[7]采用Inconel718 絲材作為熔覆材料，對熔覆層微觀組織進(jìn)行了研究，總結(jié)了熔覆層強(qiáng)化機(jī)理；黃梓麟等人[8]采用FV520B 不銹鋼絲材作為熔覆材料進(jìn)行表面修復(fù)，取得了良好的效果；清華大學(xué)Peng Wen 等人[9]采用ER410NiMo 絲材作為激光熔覆材料，得到了組織形貌完整、力學(xué)性能優(yōu)異的熔覆層；四庫等人[10]采用45 鋼絲材作為熔覆材料，得到了致密、無孔隙的金屬組織。國內(nèi)外學(xué)者已完成了對301 不銹鋼、Inconel718、FV520B 等多種不同材料的激光絲材熔覆工藝以及組織性能的研究，絲材激光熔覆在以上材料上，可以得到表面形貌完整、組織性能較好的熔覆層，為絲材激光熔覆的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而熔覆材料的應(yīng)用范圍仍在不斷擴(kuò)展，熔覆工藝和機(jī)理的研究仍需不斷的優(yōu)化和探索。

17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）是由銅、鈮構(gòu)成的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，在Cr17 不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有高強(qiáng)度、高硬度、高斷裂韌性和抗腐蝕特性，適于用作涂層材料[11-14]。然而17-4PH 不銹鋼作為激光送絲熔覆材料卻鮮有報道，且激光功率是影響熔覆成形質(zhì)量的重要因素之一，因此研究激光功率對17-4PH 絲材激光熔覆組織及性能的影響具有重要意義。本文選用17-4PH 不銹鋼絲材，在27SiMn 活塞桿表面進(jìn)行不同激光功率送絲熔覆，探究激光功率對熔覆層組織和性能的影響，并尋找最佳的激光熔覆功率，為17-4PH 不銹鋼絲材激光熔覆的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)基體材料采用直徑為99 mm 的27SiMn 鋼活塞桿，熔覆的絲材為17-4PH 不銹鋼，直徑為1.2 mm，化學(xué)成分如表1 所示。熔覆前，對活塞桿進(jìn)行打磨，然后用酒精清洗，去除表面污漬，提高激光能量吸收率。實(shí)驗(yàn)采用陜西天元智能再制造股份有限公司自主研發(fā)的ProLC-3000MT 高速絲材激光熔覆設(shè)備，激光波長為1064 nm，光斑直徑為3 mm。采用側(cè)向送絲的方式進(jìn)料，送絲速度為55 mm/s。送絲機(jī)具有加熱功能，絲材初始加熱溫度800 ℃。熔覆路徑為自左向右螺旋熔覆，掃描速度為45 mm/s，搭接率為65%。實(shí)驗(yàn)過程中，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，防止熔池和絲材被氧化。實(shí)驗(yàn)材料分別在1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000 W 下進(jìn)行了單層多道次激光熔覆。

表1 27SiMn 鋼和17-4PH 不銹鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 27SiMn steel and 17-4PH stainless steel wt.%

將制備好的試樣放入無水乙醇，使用超聲波清洗機(jī)清洗30 min，然后打磨、拋光至鏡面狀態(tài)。使用金相腐蝕劑（1 g 氯化銅+3.5 g 氯化鐵+50 mL 鹽酸+2.5 mL 硝酸+50 mL 水+50 mL 酒精）進(jìn)行腐蝕，利用Reichert Jung (Leica) Polyvar 金相顯微鏡和 JSM-6460 掃描電子顯微鏡表征熔覆層的微觀組織。使用HVS-1000 硬度計，按照ASTM E384-2011 標(biāo)準(zhǔn)測量熔覆層和基體的硬度，實(shí)驗(yàn)載荷為200 g，荷載時間為15 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

對不同激光功率下的熔覆試樣橫截面的顯微組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)激光熔覆樣品的顯微組織均由熔覆層（Coating）、熱影響區(qū)（HAZ）和基體（Substrate）三部分組成，如圖1 所示。圖1a—d 分別是激光功率為1800、2200、2600、3000 W 時，熔覆試樣橫截面的顯微組織形貌。由于對絲材進(jìn)行了提前加熱，無論在低激光功率下，還是高激光功率下，熔覆試樣均沒發(fā)現(xiàn)孔隙、裂紋和未融合區(qū)域等缺陷，熔覆效果較好。為了更好地揭示激光功率對17-4PH 不銹鋼絲材激光熔覆微觀形貌的影響規(guī)律，對不同激光功率下得到的微觀形貌進(jìn)行了表征分析。圖1a 表征的是熱影響區(qū)的寬度，用d 表示。圖1c 說明的是熔覆層高度、基體穿透深度的表征方法，H1表示熔覆層高度，H2表示穿透深度，并且熔覆層穿透深度H2為相鄰三處穿透深度的平均值。圖2 為不同激光功率下的熔覆層高度、基體穿透深度和熱影響區(qū)寬度的測量值。當(dāng)激光功率為1600～2200 W 時，熔覆層的高度由1119 μm 降低到1006 μm，當(dāng)激光功率為2200～3000 W 時，熔覆層的高度由1006 μm 增加到1181 μm?；w的穿透深度和熱影響區(qū)寬度都隨激光功率的增加而增大。當(dāng)激光功率為1600 W 時，基體的穿透深度和熱影響區(qū)寬度的值最小，分別為44 μm 和441 μm；激光功率繼續(xù)增加，當(dāng)功率達(dá)到3000 W 時，基體的穿透深度和熱影響區(qū)寬度分別為310 μm 和638 μm，相較于激光功率為1600 W 時明顯增加。激光熔覆過程中，絲材在高能量激光作用下部分熔化，形成熔液，熔液在自身重力和表面張力的綜合作用下向熔池兩邊流動，即熔池的橫向擴(kuò)展[15]。當(dāng)激光功率較低時，熔池的流動性較差，熔池的橫向擴(kuò)展能力較小，因而熔覆層的高度隨著激光功率的增大而減??；當(dāng)激光功率較高時，作用于絲材的能量增加，熔池的流動性較好，熔池的橫向擴(kuò)展能力提升[16]，但由于搭接率較大，熔池的部分橫向流動會被阻礙，上一道次熔池的橫向擴(kuò)展會對下一道次熔覆層的高度起到疊加作用，因此熔覆層的高度會隨著激光功率的增大而增加。激光功率越大，形成熔池的能量越高，熱影響區(qū)的寬度和基體的穿透深度越大[17]，對基體的損傷就越大，因此激光功率的選擇不宜過大。

圖1 熔覆試樣橫截面的顯微組織形貌及表征方法Fig.1 Cross-sectional view of the microstructure of the cladding sample under low laser power and high power: a) 1800 W heat-affected zone; b) 2200 W heat-affected zone; c) 2600 W heat-affected zone; d) 3000 W heat-affected zone

圖2 不同激光功率下熔覆層高度、基體穿透深度和熱影響區(qū)寬度的測量值Fig.2 Measurements of the cladding height, the penetration depth of the substrate and the width of the heat-affected zone under different laser powers

當(dāng)激光熔覆功率為1600、1800、2000、2200 W時，在熔覆層的底部，靠近基材的位置沒有等軸晶形成；而激光功率為2400、2600、2800、3000 W 時，靠近基材的位置有細(xì)小而致密的等軸晶形成。圖3 為激光功率為1800、2200、2600、3000 W 的熔覆層的微觀組織。由圖3a、b 可知，在基體和熔覆層的結(jié)合處有一條白亮帶，說明絲材和基體呈冶金結(jié)合狀態(tài)[18]，組織中板條馬氏體垂直于基體向上分布。圖3a、b 右上方為局部放大的板條馬氏體，沒有發(fā)現(xiàn)等軸晶。而從圖3c、d 可知，靠近基體的位置是由大量細(xì)小而致密的等軸晶組成。當(dāng)激光功率為1800 W 時，激光能量轉(zhuǎn)化的熱能在基體內(nèi)部傳導(dǎo)，使靠近基體位置處的溫度升高，導(dǎo)致奧氏體化溫度發(fā)生相變，在隨后的凝固過程中形成了板條狀馬氏體。當(dāng)激光功率升高至3000 W 時，熔池的能量較高，極高的能量將絲材快速熔化又快速冷卻凝固，靠近基材區(qū)域的過冷度較大，凝固速率較快，當(dāng)液體內(nèi)部滿足成分過冷時開始形核，晶粒來不及長大就已經(jīng)生成，因此形成了致密且尺寸均勻細(xì)小的等軸晶[19]。

圖3 熔覆層的微觀組織Fig.3 Microstructure and partial enlarged view near the substrate

激光功率不同，熔覆層的顯微組織略有差異。圖4 為不同激光功率下的熔覆層微觀組織變化。圖4a為激光功率為1800 W 的熔覆層微觀組織，由薄而長的板條馬氏體組成，厚度為2～4 μm，最大長度約為40 μm。圖4b 為激光功率為2200 W 的熔覆層微觀組織，由少量的沉淀粒子顆粒和厚而短的粗化板條馬氏體組成，厚度為3～5 μm，最大長度約為20 μm。圖4c 為激光功率為2600 W 的熔覆層微觀組織，由厚而長、排列整齊且具有方向取向的板條馬氏體組成，厚度為5～10 μm，長度超過80 μm，許多的沉淀粒子顆粒在馬氏體上彌散析出。圖4d 為激光功率3000 W 的熔覆層微觀組織，同樣由厚而長、排列整齊且具有方向取向的板條馬氏體組成，厚度為2～8 μm，長度超過100 μm，還有大量密集的沉淀粒子和許多黑色顆粒在馬氏體上彌散析出。吳曉瑜[20]等人在激光立體成形17-4PH 不銹鋼的研究中得出，馬氏體上彌散析出的細(xì)小沉淀粒子主要為NbC 型以及M7C3、M23C6型碳化物等。在激光熔覆過程中，激光作用的能量使17-4PH 不銹鋼的溫度達(dá)到熔點(diǎn)1400 ℃，17-4PH 不銹鋼絲材被迅速熔化。當(dāng)熔體冷卻到液相線溫度，首先凝固形成高溫鐵素體，隨著熔體溫度的降低，高溫鐵素體與液相的包晶轉(zhuǎn)變形成奧氏體。在激光的作用下，17-4PH 不銹鋼的冷卻速率極高，導(dǎo)致馬氏體相變的發(fā)生[2]。根據(jù)這種快速冷卻過程，可以推斷出高溫鐵素體枝晶的枝晶臂間距將影響奧氏體晶粒的尺寸，從而影響最終板條馬氏體的尺寸[21]。同時隨著激光功率的增加，熔池溫度增大，冷卻速率增大，從而影響了奧氏體晶粒的尺寸[22]。極大的冷卻速率使來不及完全長大的奧氏體轉(zhuǎn)變成略有差異的馬氏體。此外，大量過飽和的Cr、Mn、Nb 等合金元素以合金碳化物M7C3、M23C6等形式析出[23]。

圖4 不同激光功率下熔覆層的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of cladding layer under different laser power

2.2 硬度分析

圖5 是不同激光功率下熔覆17-4PH 不銹鋼絲材的顯微硬度曲線。顯微硬度從熔覆層、熱影響區(qū)到基體呈現(xiàn)出三臺階狀，熔覆層和熱影響區(qū)的顯微硬度均高于基體。隨著激光功率的增加，熔覆層的顯微硬度明顯增大，最高可達(dá)479.4HV0.2。一方面，由于激光熔覆具有快速熔化、快速凝固的特點(diǎn)，在激光熔覆過程中，熔池對基體和熔覆層產(chǎn)生熱作用，細(xì)化了熔覆層和熱影響區(qū)的組織，使熔覆層和熱影響區(qū)的顯微硬度均高于基體；另一方面，由于17-4PH 鋼中Cr、Mn 等合金元素含量較高，隨著激光功率的增加，在高溫作用下，單相奧氏體基體中固溶了大量過飽和的合金元素。在快速冷卻過程中，這些過飽和的合金元素以金屬碳化物等形式不斷析出，大量均勻、細(xì)小的析出物分布在馬氏體上，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化[24]，使熔覆層的硬度增加[25]。當(dāng)激光功率小于2600 W 時，熱影響區(qū)硬度先增大后減小。這是由于在該激光功率范圍內(nèi)，靠近熔覆區(qū)的熱影響區(qū)組織在冷卻過程中形成馬氏體，并且沒有粗化，所以顯微硬度有上升的趨勢。遠(yuǎn)離熔覆區(qū)，由于熱傳導(dǎo)的熱量不足以使27SiMn 鋼完全奧氏體化，使其部分發(fā)生類回火現(xiàn)象，顯微硬度降低。并且距離熔覆區(qū)越遠(yuǎn)，回火馬氏體的比例就越大，硬度下降得越多，因此激光功率的選取不易過小。當(dāng)激光功率大于2600 W 時，熱影響區(qū)硬度迅速減小，軟化嚴(yán)重。

圖5 不同激光功率下熔覆試樣的顯微硬度曲線Fig.5 Microhardness of cladding samples under different laser powers

3 結(jié)論

1）隨著激光功率的增加，熔覆層的高度先減小后增加，而基體的穿透深度和熱影響區(qū)寬度都隨著激光功率的增大而增加。

2）激光功率不同，熔覆層的顯微組織略有差異。當(dāng)激光功率較低時，熔覆層的組織主要為較短且沒有方向性的板條馬氏體；當(dāng)激光熔覆的功率較高時，熔覆層的組織主要由具有方向取向的板條馬氏體組成，在靠近基材的位置，由細(xì)小而致密的等軸晶形成。隨著激光功率的增加，熔覆層彌散析出的碳化物顆粒逐漸增多。

3）相同激光功率下，熔覆層和熱影響區(qū)的顯微硬度均高于基體。隨著激光功率的增加，熔覆層的平均顯微硬度逐漸增加。

4）當(dāng)激光功率較小時，熔覆層沒有晶粒細(xì)小而致密的等軸晶形成，也沒有碳化物顆粒彌散析出，熔覆層硬度較低；當(dāng)激光功率較高時，熱影響區(qū)寬度和基體的穿透深度較大，對基體的損傷加大，且軟化嚴(yán)重。綜合考慮激光功率對17-4PH 不銹鋼絲材激光熔覆組織及硬度的影響，2600 W 為最佳激光熔覆功率。