激光熔覆馬氏體不銹鋼組織與性能分析

王 華 卓 君 唐洪奎 張智昶

（1.海軍裝備部；2.西安歐中材料科技有限公司西安市3D 打印用金屬粉末材料工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710018）

0 引言

激光熔覆作為一種效率高、靈活性好且具有節(jié)能減材特點的修復(fù)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、煤礦和電力設(shè)備等重型機械行業(yè)中[1-3]。自熔性鐵基材料因其良好的潤濕性、優(yōu)異的使用性能和材料的價格便宜而被廣泛應(yīng)用在激光熔覆方面，在激光熔覆的使用中，有高硬度的馬氏體不銹鋼和低硬度高耐蝕的奧氏體不銹鋼2 類，其中，馬氏體不銹鋼因硬度高且兼具一定的耐蝕性而被廣泛應(yīng)用[4]，但隨著馬氏體不銹鋼硬度的增加，熔覆過程中會出現(xiàn)一定的開裂現(xiàn)象，因此，需要對馬氏體不銹鋼中的合金元素進行優(yōu)化設(shè)計，降低激光熔覆過程中的開裂傾向[5-6]。

該研究激光熔覆用粉末是在AISI431 馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計的，通過添加Nb、Ti 以及Mo 等合金元素，研究合金元素對激光熔覆馬氏體不銹鋼組織和性能的影響，以滿足激光熔覆用高硬度不開裂的使用需求。

1 實驗材料及方法

試驗用粉末由超高速等離子旋轉(zhuǎn)電極法（SS-PREP ）制備而成，采用ICP-AES 法測試粉末成分（見表1），粉末球形度高、流動性佳。粉末1 為AISI431 馬氏體不銹鋼粉末，粉末2 在粉末1 的基礎(chǔ)上添加Nb 元素，粉末3 在粉末1 的基礎(chǔ)上添加Ti 元素。熔覆用3 種粉末的粉末粒徑為25 μm～53 μm，基體為316L 鋼棒，尺寸為?55 mm×110 mm，對316L 鋼棒進行水砂紙去除油污和氧化層的處理，乙醇清洗去除表面油污。

表1 3 種馬氏體不銹鋼棒材成分表

試驗采用高速激光熔覆試驗系統(tǒng)包括IPG 公司6 kW光纖激光器、GTV 雙筒送粉器、同軸送粉器及高速旋轉(zhuǎn)高精度機床，保護氣體為純度99.999%的高純氬氣。采用聚焦光束熔融沿熔覆頭四周同步送出粉末，試驗用光斑直徑為3 mm 的圓形斑，采用螺旋掃描方式，涂層數(shù)為1 層，熔覆前后無預(yù)熱、緩冷，優(yōu)化后的熔覆工藝參數(shù)見表2。

表2 激光熔覆工藝參數(shù)表

為滿足性能測試的準確性，涂層厚度設(shè)計范圍為500 μm～600 μm，熔覆前徑向跳動度約為10 絲，熔覆后徑向跳動度為15～20 絲。熔覆過程優(yōu)先在送粉桶內(nèi)裝入充分烘干后的1#粉末，完成1#試樣熔覆后，充分清洗粉桶、送粉管路。再依次裝入充分烘干后的同粒度段的2#、3#粉末，分別進行激光熔覆試驗。

采用在熔覆件中部線切割取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 金相試塊，取樣方向為垂直于涂層表面方向。試樣經(jīng)磨平、拋光、放置于Kalling 試劑（1.5 g CuCl2+33 mL HCl+33 mL H2O 溶液）中腐蝕后，采用Olympus 光學(xué)顯微鏡對金相組織進行觀察，觀察方向為平行于沉積方向的顯微組織（包括基體、熱影響區(qū)和涂層組織）。采用顯微維氏硬度計對3 種涂層截面涂層的硬度進行檢測，在涂層中部區(qū)域進行硬度打點，為保證試驗測試的準確性，測試過程中等距隨機選取8 點進行檢測，其中載荷為500 g，保壓時間為10 s。

在3組試樣涂層中間相同部位取尺寸為R 49 mm×100 mm的試樣，為保證測試準確性，減少人為因素造成的誤差。測試前將試樣涂層表面用砂紙磨平并拋光處理，無水乙醇充分清洗涂層表面。其中，無涂層位置涂覆有白色油漆進行保護，防止由于基材材料腐蝕造成的涂層受腐。耐腐蝕性能測試采用人造鹽霧試驗法，遵照標準《GB/T 10125—2012 人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》中CASS 銅加速鹽霧試驗進行檢測。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

激光熔覆過程是一個將熔覆粉末與母材表面同時快速加熱融化并快速冷卻的過程。激光熔覆過程存在熔池存在時間短、凝結(jié)速度快的問題。圖1 為粉末1 涂層高速激光熔覆下組織圖，從圖1（a）中可看出，涂層表面平整、均呈現(xiàn)金屬性光澤。且涂層結(jié)合界面平整，無裂紋，馬氏體不銹鋼主要由細針狀的馬氏體、鐵素體和殘余奧氏體組成。從圖1（a）可看出涂層與基體之間存在明亮的條帶區(qū)域，說明涂層與基體冶金很好地結(jié)合在一起。圖1（a）中1、2 和3 分別選取熔覆表層、涂層和基體結(jié)合處作為觀察區(qū)域，分別對應(yīng)圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）。從圖1（b）中可以看出熔覆表層組織主要由細小的枝晶和少量的胞晶組成，外層的金屬熔液在保護氣體和外界環(huán)境的作用下，冷卻速率大，形成細小的樹枝晶，可以看出向涂層有明顯的組織轉(zhuǎn)變區(qū)域。從圖1（d）中可以看出涂層與基體結(jié)合處的組織主要由平面晶和少量的胞晶組成（由虛線區(qū)域可看出），整個組織生長區(qū)域的范圍在30 μm～40 μm，在熔液與基體的結(jié)合處，熱量向基體擴散，正溫度梯度G過大，液相溫度曲線與結(jié)晶曲線不相交，無成分過冷，使晶體以平面狀方式向液體內(nèi)部生長，形成以平面晶為主的組織，平面晶晶粒尺寸范圍為5 μm～10 μm，在結(jié)合界面處形成白亮帶。在向內(nèi)生長過程中，溫度梯度G減小，液相溫度曲線與結(jié)晶曲線相交形成窄的成分過冷區(qū)間，平面晶界面前沿變得不穩(wěn)定，新形成的晶芽凸入過冷液相內(nèi)生長，形成相互平行的胞狀亞晶組織。從圖1（c）中可以看出涂層中間部位以樹枝晶為主，涂層中間溫度梯度G最小，液相溫度曲線與結(jié)晶曲線形成寬的成分過冷區(qū)間，組織得以向過冷區(qū)間內(nèi)快速生長，形成以枝晶為主的組織。從圖1（c）中可看出，熔覆結(jié)合界面和涂層表面溫度梯度大，過冷度高，形核速率大，形成的晶粒相對細小。

圖1 粉末1 涂層不同部位組織圖

圖2 為3 種粉末高速激光熔覆下涂層的宏觀組織圖，從圖2（a）～圖2（c）中可看出3 種粉末的熔覆性能良好、無裂紋且涂層平整，涂層3 表面顏色較深，這是Ti 元素對氧含量敏感，氧化所形成的。圖2（e）～圖2（f）為涂層對應(yīng)圖2（a）～圖2（c）的宏觀組織，經(jīng)Image-Pro Plus 軟件測量，3 組涂層厚度均為500 μm～600μm，涂層厚度均勻，表面平整，內(nèi)部無氣孔、未熔合等缺陷。說明3 組粉末涂層的可焊性優(yōu)異、涂層抗裂能力較強，均適合于激光熔覆技術(shù)。圖3 為3 種涂層的微觀組織圖，從圖3 中可以看出，涂層1的組織主要由樹枝晶組成，涂層2 的組織主要由樹枝晶和少量的等軸晶組成，涂層3 的組織以等軸胞狀晶為主。這是由于粉末2 和粉末3 中分別含有Nb 和Ti 元素，而Nb 和Ti 元素在鋼中都有細化晶粒的作用，因此涂層2 和涂層3 形成的組織相對涂層1 更加細小。而涂層3 中晶粒受過冷度影響而產(chǎn)生的垂直熔覆方向生長趨勢比涂層1 和涂層2 弱的原因在于：涂層3 中含有Ti 元素，Ti 元素在熔覆過程中可以固定C元素，形成強固的TiC，在高速熔覆的快速冷卻過程中，起到降低冷卻速率、抑制樹枝晶的生長以及促進等軸晶轉(zhuǎn)變的作用，可以明顯地改善不銹鋼的熔覆性能[7]。且添加Ti 元素后合金熔覆過程散熱慢，粉末潤濕性和鋪展性好，熔覆過程中表面浮粉少（也就是激光熔覆過程中粉末利用率高）。

圖2 3 種粉末涂層宏觀組織圖

圖3 3 種涂層微觀組織形貌

2.2 顯微維氏硬度測試

硬度是評價材料綜合性能的指標，宏觀上可判定材料強度和塑性的共有特性。試驗將3 組試樣顯微維氏硬度測試結(jié)果取平均值并計算誤差值，如圖4 所示?；w316L 不銹鋼硬度為198 HV0.5，涂層1 平均硬度為602 HV0.5，硬度是基體硬度的3 倍；涂層2 平均硬度為545 HV0.5，涂層3 平均硬度為399 HV0.5，涂層硬度都高于基體硬度，馬氏體不銹鋼中的C 含量遠高于基體奧氏體316L 中的C 含量，使馬氏體不銹鋼激光熔覆過程中生成的碳化物遠高于奧氏體316L，使硬度明顯增加[8-9]。涂層1、涂層2 和涂層3 的硬度依次降低，這與組織轉(zhuǎn)變的結(jié)果一致，冷卻速率高的情況下形成樹枝晶多，使晶格畸變程度增加，因此硬度會增加；而涂層3 組織主要為胞狀晶，組織相對粗化，未出現(xiàn)因晶粒細化產(chǎn)生的細晶強化作用而造成組織強化、硬度提高的效應(yīng)。

圖4 基體及涂層表面硬度圖

2.3 耐腐性能測試及對比

耐腐蝕性能測試采用人造鹽霧試驗法，遵照標準《GB/T 10125—2012 人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》中CASS 銅加速鹽霧試驗進行檢測。其中銅加速鹽霧試驗法的試驗溶液為5%NaCl+CuCl2·2H2O 溶液，溶液pH 值為3.1～3.4，飽和筒溫度為（55±2）℃，鹽霧沉降量為1.25 mL/80 cm2·h，待檢樣放置角度與垂直方向呈20°傾角放置，酸性腐蝕55 h 后試樣表面形貌對比照片如圖5 所示，3 組試樣涂層表面均無明顯的紅銹，表明3 組涂層抗腐蝕能力優(yōu)異。具體結(jié)果為涂層3 的耐腐蝕性能最佳，這是由于Ti 元素自身就具有良好的耐蝕性能，因此添加Ti 元素的粉末抗腐蝕性能遺傳到涂層表面，導(dǎo)致涂層3 抗腐蝕性能優(yōu)異；而涂層1、2 耐蝕性相當(dāng)，涂層表面略有腐蝕點。

圖5 3 組熔覆試樣腐蝕圖

3 結(jié)論

激光熔覆馬氏體不銹鋼可獲得組織均勻的馬氏體組織、涂層表面硬度較未熔覆基體均明顯提高且熔覆后表面抗腐蝕性能力提高。適用于對力學(xué)性能和耐腐蝕性能有較高要求的產(chǎn)品進行表面改性和激光立體成形。激光熔覆對馬氏體不銹鋼組織和性能影響具體情況如下：1）激光熔覆馬氏體不銹鋼組織轉(zhuǎn)變以樹枝狀的馬氏體組織為主，涂層與基體結(jié)合處組織以平面晶方式生長，涂層內(nèi)和表面以樹枝晶為主。2）Ti 和Nb 元素對激光熔覆馬氏體不銹鋼的起到細化晶粒的作用，Ti 元素有強C 的作用，對激光熔覆馬氏體不銹鋼的熔覆性能起到改善的作用，降低開裂傾向。3）激光熔覆馬氏體不銹鋼的硬度提升以非平衡凝固下的樹枝晶為主，Ti 和Nb 元素促進組織向等軸晶轉(zhuǎn)變，對熔覆性能和耐蝕性方面提高明顯。