增材制造成形方向?qū)_蝕磨損性能的影響*

紀(jì)秀林 曹海鵬 姬翠翠 田松亞 嚴(yán)春妍 趙占西

(1.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心 江蘇常州 213022；2.汕頭大學(xué)工學(xué)院 廣東汕頭 515063；3.河海大學(xué)機電工程學(xué)院 江蘇常州 213022)

沖蝕磨損是多相流與機械部件接觸過程中造成的磨損，常見于噴砂清理、磨料水射流切割、泥泵及水輪機等工程應(yīng)用中。研究沖蝕磨損機制可以充分發(fā)揮其工程應(yīng)用性，同時減少對工業(yè)設(shè)備的損壞，降低經(jīng)濟損失和安全隱患[1]。受沖蝕磨損的部件，常采用堆焊、熱噴涂或者激光熔敷等表面技術(shù)進行強化處理。激光增材制造技術(shù)因其工藝靈活和冶金結(jié)合等優(yōu)點，在抗沖蝕部件的整體成形或修復(fù)方面具有突出的應(yīng)用前景。然而，增材制造獲得的部件中，存在著因逐層堆積而形成的晶粒取向和織構(gòu)各向異性[2-4]。電子束熔化(Electron Beam Melted，EBM)Ti-6Al-4V合金具有微觀組織梯度，且該梯度組織導(dǎo)致顯微硬度下降[5]。對于相同的孔徑，水平構(gòu)建的試件顯示出比垂直構(gòu)建的試件更高的疲勞壽命[6]。由激光選擇熔化(Selective Laser Melting，SLM)加工的分層方式引起的各向異性組織，導(dǎo)致力學(xué)性能和腐蝕行為的各向異性[7]。此外，拉伸強度[8]、殘余應(yīng)力[9]及氧化行為[10]等也都受到成形方向性的影響。逐層堆積形成的方向性對摩擦學(xué)性能的影響有待研究，目前的相關(guān)工作還很少。由于其他力學(xué)性能所受的明顯影響，是否可以預(yù)估摩擦學(xué)性能也會受到顯著影響？如果如此，對于激光增材制造而言，可通過影響與晶粒生長相反的熱流運動，比如激光掃描策略、激光束強度分布等對成形方向性加以調(diào)控[11]，進而優(yōu)化增材制造部件的摩擦學(xué)性能。然而，在線性往復(fù)式干摩擦條件下，SLM制備的316L不銹鋼在3個選擇的方向上，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的摩擦因數(shù)和磨損率的變化[12]。因此，為探討逐層堆積的成形方向?qū)δ嗌皼_蝕磨損性能的影響，本文作者開展激光增材制造鐵基合金的沖蝕磨損性能研究。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

試驗所采用的激光熔覆基體材料為40Cr鋼(250 mm×200 mm×10 mm)，試驗前用角磨機除去基體表面上的鐵銹，然后用乙醇溶液進行清洗。40Cr鋼的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C0.37%～0.44%，Cr0.80%～1.10%，Si0.17%～0.37%，Ni≤0.30%，Mo≤0.10%，Mn0.50%～0.80%，Cu≤0.30%，F(xiàn)e余量。選用具有良好的韌性、流動性、抗氧化性和潤濕性的FeCrNi合金粉末作為熔覆材料，粒度為200～100目，化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C0.12%，Cr21%，Si3.5%，Ni12，Mo1.8%，B1.2%，F(xiàn)e余量。

激光熔覆設(shè)備為配有六軸KUKA機器人的德國Laserline公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器(型號LDF 4.000-100)。波長為(980～1 020)±10 nm，最大輸出功率為4 400 W。送粉方式為側(cè)軸送粉，粉末粒子的推動力為氣壓與重力的聯(lián)合作用力。鏡頭為直徑5 mm的圓光斑，焦距為500 mm，純氬氣保護。FeCrNi合金的激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率P=1 700 W，掃描速度v=6 mm/s，送粉量R=15 g/min，送氣量Q=2.5 L/min，搭接率K=40%，每層垂直移動距離Z=0.7 mm。逐層堆積過程中，每堆積6層后將樣品置于200 ℃溫度下去應(yīng)力退火，并保溫1 h后爐內(nèi)緩冷，以減小熔覆層中的內(nèi)應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生。熔覆層制備完成后，利用線切割設(shè)備取FeCrNi合金堆積熔覆層的中間部位，并切成30 mm×30 mm×10 mm的塊體(不包含基體)，再切割成9個10 mm×10 mm×10 mm的沖蝕樣品，并標(biāo)號，如圖1所示。

圖1 激光逐層堆積塊體的取樣示意(其中1、2、3、4、5、6、7、8、9分別表示取樣的序號；A表示XY上面、B表示XZ正面、C表示XY下面、D表示XZ背面、E表示YZ左面、F表示YZ右面)Fig 1 Sampling of blocks cladding layer by layer(1,2,3,4,5,6,7,8 and 9 represent the serial number of samplingrespectively,A for XY top,B for XZ front,C for XYbottom,D for XZ back,E for YZ left,F for YZ right)

1.2 試驗方法

將沖蝕樣品用240、600、1 000、1 500、2 000目的砂紙進行打磨，然后拋光。使用HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶50的腐蝕液對樣品的拋光表面進行腐蝕。采用奧林巴斯CX31P-GOUT型金相顯微鏡進行金相組織觀察。熔覆層的維氏硬度用HXD-1000TC顯微硬度計來檢測(載荷1.96 N，保荷時間15 s)。采用X-ray Pert MPD PRO X射線衍射儀分析熔覆層的物相(Cu的Kα靶，掃描角度20°～100°，掃描速度8°/min)。微觀組織及沖蝕形貌用FEI Quanta 200掃描電鏡進行觀察。

沖蝕磨損試驗前，先將樣品經(jīng)1 000目砂紙打磨，確保一致的表面粗糙度。在實驗室自制的沖蝕磨損試驗機上進行沖蝕試驗。沖蝕介質(zhì)為水砂混合體，單次沖蝕所用砂質(zhì)量9 kg，采用長江口硬度約1 100HV的河砂，粒徑350～780 μm，沖蝕時間為30 min，沖蝕角度為30°。其他相關(guān)沖蝕參數(shù)為：電機頻率50 Hz，流體壓力0.5 MPa，砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，噴嘴直徑8 mm，沖蝕速度10 m/s，噴嘴至試樣距離60 mm。熔覆層的質(zhì)量損失為樣品沖蝕前后的質(zhì)量之差。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層的組織結(jié)構(gòu)

圖2(a)(b)(c)所示分別為堆積熔覆層水平表面(XY)、橫截面(YZ)和縱截面(XZ)上的低倍顯微組織。由圖2(a)可見，堆積熔覆層表面(XY)的熔合線少，這是因為文中試驗采用的工藝參數(shù)為直徑5 mm的光斑，40%的搭接率，因此在表面上每隔3 mm左右才會有一道熔合線。FeCrNi合金激光熔覆逐層堆積時，由于每層熔覆層的材料一樣，在層與層之間的結(jié)合處都表現(xiàn)出良好的銜接性。由圖2(b)可以看出，堆積熔覆層橫截面(YZ)的顯微組織呈明顯的魚鱗狀形貌，即相鄰熔覆層之間的邊界輪廓線為圓弧形曲線，且每一條輪廓曲線都包含了層間熔合線和層內(nèi)熔合線。這是由于激光能量在光斑內(nèi)呈高斯分布造成的，光斑中心能量高，熔化粉末多，光斑兩側(cè)能量低，熔化粉末少，使得單道熔覆層橫截面(YZ)的幾何形狀為圓弧形，形成魚鱗狀形貌。由圖2(c)可以看出，堆積熔覆層縱截面(XZ)的顯微組織呈明顯的光柵狀形貌，即上下相鄰熔覆層之間的邊界輪廓線為直線，且每條輪廓線均為層間熔合線，無層內(nèi)熔合線。由圖2可以看出，堆積熔覆層截面(XZ、YZ)的顯微組織圖上的熔合線較為明顯，而表面(XY)上的熔合線則不易觀察，這是因為堆積熔覆層截面熔合線上部和下部的組織形態(tài)具有一定的差異。在金相腐蝕過程中，熔合線上部和下部的腐蝕程度不同，形成明顯的熔合線分界特征。熔覆層表面熔合線兩側(cè)的組織差異不大，金相腐蝕后兩側(cè)腐蝕程度差距較小，因此兩側(cè)之間的熔合線分界不明顯。

圖2 成形方向性對激光熔覆層組織結(jié)構(gòu)的影響Fig 2 Effect of building directions on the microstructure of laser clad layers (a)(d)horizontal surface (XY);(b)(e) cross section (YZ);(c)(f)longitudinal section (XZ)

圖2(d)(e)(f)所示分別為堆積熔覆層水平表面(XY)、橫截面(YZ)和縱截面(XZ)上熔合線處高倍顯微組織。由圖2(d)可以看出，堆積熔覆層水平表面(XY)主要由生長方向各異、組織均勻致密的等軸晶組成，且不同區(qū)域的組織形態(tài)和晶粒尺寸差異較小。這是因為表面各區(qū)域的組織基本在同一時段完成凝固結(jié)晶，并且在沿平行于基體方向上的散熱速度和溫度梯度小，使得堆積熔覆層表面上各區(qū)域的組織形態(tài)相似且晶粒細小。此外，由于沿平行于基體的各個方向的冷卻速度差異不大，使得在水平方向上組織的生長方向各異。由圖2(e)(f)可以看出，堆積熔覆層橫截面(YZ)和縱截面(XZ)上的組織主要為大體上垂直于基體表面生長的柱狀枝晶和等軸晶，且沿垂直于基體方向上不同區(qū)域的組織形態(tài)和晶粒尺寸不同。這是因為熔池凝固時熱量主要由基體進行傳導(dǎo)散熱，使得組織在垂直于基體方向上形成定向生長。此外，由于熔池凝固是從底部開始，然后逐漸向上進行凝固結(jié)晶，在凝固過程中由于冷卻速度、溫度梯度等因素的改變而使得不同時段處的組織形態(tài)和晶粒尺寸產(chǎn)生差異。堆積熔覆層橫截面(YZ)和縱截面(XZ)上，熔合線上部區(qū)域的晶粒比較細小。隨著凝固的進行，后凝固的晶粒逐漸變大。這是因為熔池是從熔合線處開始凝固，此時的溫度梯度G最大，形成較大的過冷度；并且熔合線下部基體起到非均勻形核的作用，導(dǎo)致熔合線處容易生成晶粒細小的柱狀枝晶。

根據(jù)熔覆層的凝固機制可知，通常情況下熔覆層組織的生長方向主要受熔池中熱流方向的影響，在熔池底部的溫度梯度垂直于基體表面，因而熔覆層底部的組織應(yīng)垂直于基體向上生長。但是，熔覆層的底部組織并不總是沿基體的垂直方向生長。當(dāng)熔覆層材料與基體材料相同時，晶粒的擇優(yōu)取向生長對熔覆層底部組織生長方向的影響大于熱流的影響。堆積熔覆層截面(XZ、YZ)存在細晶區(qū)和粗晶區(qū)，而表面(XY)則基本為晶粒細小的等軸晶。堆積熔覆層表面晶粒尺寸與截面細晶區(qū)晶粒尺寸相當(dāng)，小于截面粗晶區(qū)晶粒尺寸。這是因為激光熔覆逐層堆積時，熱量主要從垂直于基板方向向下散出，在此方向上的溫度梯度最大，因此晶體主要沿基體法向方向垂直生長，并且在凝固過程中垂直于基體方向上的溫度梯度變化較大，造成垂直方向上各區(qū)域晶粒大小不同。而平行于基體方向上的散熱速度小且變化不大，使得晶粒在此方向上生長速度慢，生成較致密的細晶組織。

圖3所示為激光熔覆層在各方向上的XRD圖譜?？梢?，各方向上的熔覆層物相沒有差異，但熔覆層位向會影響晶粒取向。特別是水平面(XY)方向的6C樣品，因其接近基體、冷卻速度快而造成(200)晶面的優(yōu)先生長。但同樣處于水平方向的4A樣品，卻沒有顯著突出的(200)晶面衍射峰。這表明冷卻速度也是影響晶面的優(yōu)先生長的一個關(guān)鍵因素。由于取向一致的原因，樣品9E和7F(橫截面YZ)，4A和8B (縱截面XZ)分別具有晶粒取向的相似性。根據(jù)Scherrer-Wilson方程[13]可以估算平均晶粒尺寸。

圖3 不同成形方向下激光熔覆層的XRD圖譜Fig 3 XRD patterns of laser clad layers withdifferent building directions

(1)

式中：λ為輻射的波長，如銅靶的λ=0.154 056 nm；ε為應(yīng)力應(yīng)變；D為晶粒尺寸，nm；k可取0.89或者1；θ是半衍射角；β為衍射峰的加寬，即衍射峰寬與儀器寬度差值。

扣除微觀應(yīng)變寬化及儀器的影響，通過Scherrer法可近似計算得出不同成形方向上激光熔覆層的平均晶粒尺寸。盡管Scherrer法的計算值和實際值相比會有一定的誤差，但不妨礙采用該估算方法來比較晶粒尺寸的差異。表1給出了根據(jù)Scherrer方程計算激光熔覆層各成形方向上的平均晶粒尺寸以及布拉格主峰的位置?？芍?，激光熔覆層的水平表面(XY)、橫截面(YZ)和縱截面(XZ)之間受熔合線分布的影響，晶粒尺寸有明顯差異。同時，因各成形方向內(nèi)部受熱流的影響，導(dǎo)致成形方向內(nèi)也有晶粒尺寸的明顯差異。布拉格主峰位置對合金而言意味著晶胞尺寸及晶格畸變程度。衍射峰較小的2θ角，意味著較大的晶胞尺寸，表明該晶體較大的晶格畸變，即可能較大的晶體硬度。激光熔覆層的水平上表面(XY)層的衍射峰2θ角最小，縱截面的正面(XZ) 層的衍射峰2θ角最大。這表明激光熔覆層的水平上表面(XY)層的硬度可能最大，縱截面的正面(XZ) 層的硬度可能最小。

表1 激光熔覆層各成形方向上平均晶粒尺寸 和布拉格主峰位置Table 1 Average grain size and Bragg peak position in all building directions of laser clad layers

2.2 涂層的硬度

圖4示出了激光熔覆層的水平表面(XY)、橫截面(YZ)和縱截面(XZ)的平均表面硬度變化。每個樣品從熔合線開始向近似垂直于熔合線方向每隔0.2 mm進行一次硬度測試，并在同一高度上選取5個相近區(qū)域測量，最后取平均值作為該位置的硬度值。其中測量橫截面(YZ)時沿組織的生長方向取點。由圖4可以看出，堆積熔覆層橫截面(YZ)和縱截面(XZ)的硬度變化曲線相似，均從熔合線處呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，硬度變化范圍在300HV～350HV(測量載荷1.96 N)之間。這是由于堆積熔覆層在垂直方向上的組織差異和晶粒大小不同造成的。在粗晶區(qū)的硬度相對較低，而細晶區(qū)的硬度相對較高。熔覆層橫截面(YZ)中存在較多的層內(nèi)熔合線，是導(dǎo)致在0.8 mm處的硬度值突然升高的一個主要原因。與截面硬度變化曲線不同的是，堆積熔覆層水平表面(XY)的硬度曲線波動較為平緩，硬度值變動范圍在325HV～350HV(測量載荷1.96 N)之間。這是因為堆積熔覆層表面上的顯微組織均為晶粒尺寸變化不大的細小等軸晶組成，使得堆積熔覆層表面(XY)上各處的硬度相對較高，且差異較小。

圖4 不同成形方向的激光熔覆層的顯微硬度隨著熔合線距離的變化Fig 4 Variation of the microhardness of laser clad layers withdifferent buliding directions with thedistance from the fusion line

2.3 FeCrNi合金熔覆層的沖蝕磨損性能

沖蝕磨損試驗采用表面尺寸10 mm×10 mm的堆積熔覆層各成形方向上的試樣。圖5示出了30°沖蝕角下以10 m/s流速沖蝕磨損3次后的平均質(zhì)量損失Δm?？梢钥闯?，堆積熔覆縱截面(YZ)的平均質(zhì)量損失Δm最大，水平表面(XY)的平均質(zhì)量損失Δm最小。由上文各截面以及表面的顯微組織分析可知，堆積熔覆層的表面組織相對于截面組織要更加均勻細致，且平均硬度更高，使得堆積熔覆層表面的抗沖蝕磨損性能優(yōu)于各截面的抗沖蝕磨損性能。因此，堆積熔覆層水平表面(XY)的平均質(zhì)量損失Δm最小。另外，在堆積熔覆層橫截面和縱截面上，縱截面(XZ)上的熔合線為直線，只有層間熔合線，無層內(nèi)熔合線。而橫截面(YZ)上的熔合線為圓弧狀曲線，且包含了層間熔合線和層內(nèi)熔合線，因而橫截面(YZ)上的熔合線更加密集。又因截面上熔合線的上部區(qū)域為細晶組織，因此熔合線更加密集的橫截面(YZ)上細晶區(qū)相對密集，使得其抗沖蝕磨損性能好；縱截面(XZ)上由于熔合線稀疏，使得其細晶區(qū)相對較少，導(dǎo)致抗沖蝕磨損性能差。綜上所述，堆積熔覆層水平表面(XY)的抗沖蝕磨損性能最好，橫截面(YZ)次之，縱截面(XZ)的抗沖蝕磨損性能最差。

圖5 激光熔覆層成形方向?qū)_蝕磨損平均質(zhì)量損失的影響(沖蝕角30°，流速10 m/s)Fig 5 Effect of the buliding directions on the erosionmass loss of the laser clad layers(erosionangle 30°,velocity of flow 10 m/s)

圖6示出了水平表面(XY)、橫截面(YZ)及縱截面(XZ)在30°沖蝕角下沖蝕后的表面形貌。如圖所示，熔覆層各方向的表面磨損形貌相似，具有較多的劃痕、犁溝及劃擦唇片等，表現(xiàn)出韌性材料的沖蝕磨損特征。在熔覆層的水平表面(XY)，顯微組均勻致密，各處物理性能差距較小，整體硬度偏高，所以抗沖蝕磨損性能好。而堆積熔覆層橫截面(YZ)及縱截面(XZ)上除了有許多劃痕和犁溝外，還有較多由硬質(zhì)沙粒沖擊擠壓而形成的唇片和隕石坑。這是因為堆積熔覆層各截面上不同區(qū)域的組織形態(tài)和晶粒大小不同，使得各區(qū)域的抗沖蝕磨損性能存在一定的差異，在細晶區(qū)磨損量小，粗晶區(qū)磨損嚴(yán)重。在30°攻角下，沖蝕砂漿對沖蝕表面的作用力可以分為水平和垂直2個分量，并且沖蝕砂粒的動能在水平分量上明顯高于垂直分量，使得粒子在水平分量的劃動切削力超過垂直分量的穿透力。在砂粒的不斷沖擊作用下，砂粒對堆積熔覆層橫截面的作用以切削為主。沖擊粒子對熔覆層表面施加擠壓力，導(dǎo)致熔覆層產(chǎn)生彈性變形，因而形成了少量凸起的唇片。細晶區(qū)的硬度較高，抗沖蝕磨損性能較好，沖蝕機制以微切削和犁削為主，因而在該區(qū)域留下較多的劃痕、犁溝。同時也存在少量由于沙粒沖擊擠壓變形后產(chǎn)生的突起唇片。粗晶區(qū)受沙粒磨損嚴(yán)重，在該區(qū)域產(chǎn)生較大的唇片和凹坑。這是因為粗晶區(qū)的硬度較低，在高速運動的砂粒撞擊下容易被切削和擠壓，留下“隕石坑”。然而，砂粒撞擊的同時也對熔覆層產(chǎn)生加工硬化作用，熔覆層的硬度都會提高，導(dǎo)致各方向熔覆層的表面硬度差別可能減小，進而弱化了成形方向?qū)_蝕磨損性能的影響，形成了相似的沖蝕磨損形貌。

圖6 30°攻角下不同方向激光熔覆層的沖蝕形貌Fig 6 The erosion morphologies of the laser clad layers of different direction at erosion angle of 30°(a)horizontal surface (XY);(b)cross section (YZ);(c)longitudinal section (XZ)

3 結(jié)論

(1)激光熔覆逐層堆積過程中，熱量主要從垂直于基板方向向下散出，堆積熔覆層各截面的顯微組織主要以接近垂直于基體的方向生長，平行于基體方向上的晶粒生長速度慢，堆積熔覆層水平表面呈現(xiàn)均勻致密的細晶組織。

(2)堆積熔覆層水平上表面的平均顯微硬度最大，橫截面的平均顯微硬度次之，縱截面的平均顯微硬度最低。

(3)堆積熔覆層的沖蝕機制以微切削和犁削為主，各方向上的沖蝕磨損形貌相似。堆積熔覆層水平表面的抗沖蝕磨損性能最好，縱截面的抗沖蝕磨損性能最差。