增減材復(fù)合制造WC顆粒增強316L不銹鋼材料組織性能

趙宇輝， 高孟秋， 趙吉賓， 賀 晨

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110016； 2. 中國科學(xué)院 機器人與智能制造創(chuàng)新研究院， 遼寧 沈陽 110169)

隨著模具行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對具有隨形冷卻流道復(fù)雜形態(tài)模具的需求不斷提升，傳統(tǒng)“鑄造—鍛造—機械加工”的生產(chǎn)方式已經(jīng)無法滿足要求，而增材制造技術(shù)的發(fā)展為其提供了一種全新的制備方法[1-3].為了提高模具的強度和耐磨性能，增材制造的模具常常需要進行后續(xù)熱處理及精加工，加工周期占整個制造周期的2/3以上，且部分復(fù)雜內(nèi)腔無法進行機械加工[4-6].而增減材復(fù)合制造技術(shù)兼具了增材制造復(fù)雜零件快速成形與減材加工技術(shù)高精度表面質(zhì)量的優(yōu)點，更適用于加工具有復(fù)雜內(nèi)腔形狀的模具[7-8].此外，為了進一步提升工件的耐磨性能，考慮在增材制造工藝中加入第二相強化粒子，可以顯著延長模具的使用壽命[9].

針對采用增材制造技術(shù)制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料， Abenojar等[10]分別研究了Cr2Al，Cr2Ti，VC，SiC等增強相粒子對316L不銹鋼的強化效果，研究結(jié)果表明，TiCr2增強粉末可以顯著提高材料的抗拉強度；Mandal等[11]制備了石墨烯(Graphene,Gr)增強316L不銹鋼復(fù)合材料，由于Gr的第二相強化作用與固體潤滑效果，制備的復(fù)合材料其硬度提高了約25%，磨損率顯著降低.Almangour等[12-15]研究了TiC粉末的粒徑、質(zhì)量分數(shù)、掃描策略，以及激光能量密度，對選區(qū)激光熔化制備復(fù)合材料的致密度、組成相、微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的影響規(guī)律；Kang等[16]指出碳化鎢(WC)顆粒具有較高的強度、硬度、熔化溫度及較低的摩擦系數(shù)，可顯著提高模具在高溫條件下的耐磨性能，且不會降低材料的機械強度.Enrici等[17]采用激光熔覆技術(shù)制備了316L不銹鋼粉末和WC(質(zhì)量分數(shù)為20%)顆粒組成的金屬基復(fù)合材料，闡明了復(fù)合材料中γ-WC1-X碳化物、奧氏體、M6C碳化物、M23C6碳化物和M4C的生成機制.袁曉波等[18]采用堆焊技術(shù)研究了WC對鐵基復(fù)合材料耐磨性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，增強相對位錯運動的阻礙作用，顯著提高了金屬材料抵抗塑性變形的能力，提高了合金材料的強度、硬度和耐磨性能.

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點主要集中在增材制造技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料的工藝優(yōu)化方面，而對基于增減材復(fù)合制造技術(shù)制備顆粒增強復(fù)合材料的研究較少；與此同時，由于增減材工藝交互過程中包括減材工藝，因此已確定的增材工藝參數(shù)并不能直接應(yīng)用到增減材復(fù)合制造技術(shù)中.考慮到模具對復(fù)雜形狀及高精度的要求，本文基于選區(qū)激光熔化增減材復(fù)合制造技術(shù)制備了WC顆粒增強316L不銹鋼復(fù)合材料.探究了WC顆粒質(zhì)量分數(shù)與激光功率對材料致密度、組織演變、力學(xué)性能和耐磨性能的影響規(guī)律，旨在獲得能夠兼顧工件力學(xué)性能與表面質(zhì)量的最優(yōu)工藝參數(shù).

1 實 驗

1.1 實驗材料

在鐵基復(fù)合材料中，Mn，Si，Cr，Mo，Ti，W等合金元素均可與鐵元素形成置換式固溶體，提升工件力學(xué)性能；考慮到模具對材料的要求，選擇WC對材料進行第二相強化[19].采用粒徑為1～3 μm的WC粉末與粒徑為13～45 μm的316L不銹鋼粉末進行混合，復(fù)合粉末中WC顆粒的質(zhì)量分數(shù)分別為0，2.5%，5%，10%，15%，為了使復(fù)合粉末混合得更加均勻，本文采用F-P4000型行星球磨機進行濕磨，降低球磨過程中溫度對粉末性能的影響.

1.2 工藝參數(shù)

基于選區(qū)激光熔化的增減材復(fù)合制造實驗平臺由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主研發(fā)，包括增減材制造系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、激光發(fā)生系統(tǒng)、保護氣循環(huán)系統(tǒng)及粉末回收系統(tǒng).本研究中共制備了15個樣件，考慮到WC顆粒的高熔點特性，設(shè)置了不同的激光功率(270，300 和330 W)，添加不同質(zhì)量分數(shù)(0，2.5%，5%，10%，15%)的WC顆粒，工藝參數(shù)如表1所示.采用交叉掃描策略，即每沉積一層后掃描方向旋轉(zhuǎn)90°，掃描速度為900 mm/s，填充距離為0.04 mm，鋪粉厚度為0.04 mm；減材工藝中，刀具轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，進給速度為3 mm/s，切削深度為0.1 mm.

表1 不同條件下增材樣件的工藝參數(shù)

1.3 樣品制備

使用MicroXAM-800型白光干涉儀對樣件的微觀形貌及表面粗糙度進行測試，作為增減材復(fù)合制造工件表面質(zhì)量的評測標準；對工件進行線切割、鑲嵌、打磨、拋光后使用光學(xué)顯微鏡(Zeiss Axio Observe A1)觀察樣品X-Z平面的缺陷情況，采用圖像法對工件致密度進行統(tǒng)計，每個工件測試兩組截面，分析激光功率對WC熔融情況的影響及WC顆粒引起的裂紋對致密度的影響；使用FM-310顯微硬度儀測試工件的硬度，分別在距工件表面20，1 500，3 000 μm及基材處進行測試，每個位置測試10個點，分析WC含量對工件硬度的影響；王水溶液腐蝕后，使用光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡觀察金相組織，分析不同質(zhì)量分數(shù)的WC顆粒對鐵基復(fù)合材料微觀組織的影響；使用線切割對工件沉積層進行切割，尺寸(長×寬×高)為12 mm×4 mm×2 mm，對試樣進行打磨和拋光，使用X射線衍射分析儀進行物相分析；采用FET-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀進行摩擦磨損實驗，分別測試330 W功率條件下不同質(zhì)量分數(shù)WC復(fù)合材料的耐磨性能，負載為15 N，摩擦單元往復(fù)運動速度為300 mm/min，運動時間為30 min，運動距離為5 mm，在滑動過程中記錄復(fù)合材料的摩擦系數(shù).

2 分析與討論

2.1 工藝參數(shù)對復(fù)合材料致密度的影響

使用光學(xué)顯微鏡對拋光后的工件進行拍照拼接，觀察到工件中存在的缺陷主要分為三種：第一種，在增材過程中，由于激光功率較低或粉末團聚導(dǎo)致工件內(nèi)部出現(xiàn)未熔合粉末，在工件凝固后由于收縮率不同導(dǎo)致未熔合粉末與基體之間產(chǎn)生空隙，出現(xiàn)粉末未熔合缺陷，這種缺陷輪廓線不規(guī)則；第二種，在增材過程中，由于激光功率較高導(dǎo)致金屬快速蒸發(fā)產(chǎn)生強大的反沖壓力，將周圍的熔池液體向下推，形成一個深而窄的孔洞；如果這個孔洞在金屬凝固前未發(fā)生坍塌而被封閉在工件內(nèi)部，則會出現(xiàn)氣孔缺陷，氣孔缺陷內(nèi)表面較為光滑；第三種，熱裂紋，這是由于激光循環(huán)往復(fù)快速加熱與快速冷卻導(dǎo)致某些區(qū)域產(chǎn)生較大的熱機械應(yīng)力，當應(yīng)力超過材料強度時產(chǎn)生裂紋，熱裂紋通常是連續(xù)性缺陷[20].如圖1所示，采用圖像法統(tǒng)計了每個工件的致密度.

圖1 工藝參數(shù)對WC+316L不銹鋼復(fù)合材料致密度的影響

分析認為，對于含有不同質(zhì)量分數(shù)WC顆粒的復(fù)合材料，隨著激光功率由270 W提高到330 W，工件的致密度都有明顯提高的趨勢.當激光功率為270 W時，每個工件的致密度較低，主要原因在于當激光功率較低時，無法將粉末完全熔化，導(dǎo)致部分未熔合粉末在工件內(nèi)部形成空隙缺陷，降低了工件的致密度.

如圖2a所示，當激光功率為330 W時，對于WC質(zhì)量分數(shù)為0的工件，其內(nèi)部只含有少量的未熔合粉末，其原因是在鋪粉式增減材制造過程中，由于粉末的反復(fù)使用，導(dǎo)致316L不銹鋼粉末產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，造成粉末無法完全熔化.由圖2b可知，當WC顆粒質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，工件的致密度有所下降，此時微觀形貌圖中有較多未熔合粉末，這些粉末主要為WC顆粒，這是因為WC熔點較高，導(dǎo)致在增材過程中殘留熔化不充分的顆粒，降低了工件的致密度.如圖2c所示，當WC質(zhì)量分數(shù)為5%時，工件的致密度達到最大值99.6%.提高激光功率，熔池溫度升高，導(dǎo)致液滴的接觸角和黏度降低，馬蘭哥尼流效應(yīng)增大，從而有足夠的流動性來重熔前一沉積層，以改善相干鍵合，促進更大程度的致密化.然而，高功率會導(dǎo)致許多較小氣孔的出現(xiàn)，使得工件不可能實現(xiàn)完全致密化；雖然氣孔和未熔合粉末的數(shù)量有所減少，但并未完全消除；工件左側(cè)的致密度好于右側(cè)，其原因可能是左側(cè)的粉末在增材其他工件時，由于熱傳導(dǎo)的原因受到了預(yù)熱，因此成形效果較好；WC顆粒的質(zhì)量分數(shù)進一步提高，工件致密度下降較少但內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋，且在增材過程中工件出現(xiàn)邊緣翹曲及分層；熱裂紋的形成歸因于凝固過程中拉伸應(yīng)力導(dǎo)致晶界液膜的中斷.在鋪粉式增材工藝中，拉伸應(yīng)力在零件的上下表面形成，中間區(qū)域受到壓應(yīng)力的影響，因此，拉應(yīng)力引起的微裂紋一般位于相鄰兩層之間.熱裂紋是由于WC顆粒未能完全融化，鑲嵌在工件內(nèi)部；WC的冷卻速度與316L不銹鋼之間存在差異，促進了固態(tài)裂紋的擴展，產(chǎn)生了內(nèi)部裂紋與邊緣翹曲.如圖2e所示，當WC質(zhì)量分數(shù)為15%時，致密度降低為97.8%，相較于WC質(zhì)量分數(shù)為5%的工件，下降了1.8%，同時工件內(nèi)部熱裂紋數(shù)量明顯增多，其主要原因是較多未完全熔化的WC粉末成為工件內(nèi)部的夾雜物，在未熔合顆粒周圍導(dǎo)致工件內(nèi)部裂紋的萌生與擴展.

圖2 激光功率為330 W，不同質(zhì)量分數(shù)WC顆粒增材樣件的微觀組織

2.2 工藝參數(shù)對復(fù)合材料微觀組織的影響

圖3為激光功率330 W，不同質(zhì)量分數(shù)WC顆粒增材樣件的微觀形貌.當WC質(zhì)量分數(shù)為0時，其微觀形貌為網(wǎng)狀樹枝晶，可以看到左側(cè)出現(xiàn)兩個較大的圓形晶粒，而圖3b～圖3d中并未發(fā)現(xiàn)此種晶粒.在圖3c和圖3d中可以觀察到未熔化的WC顆粒鑲嵌在工件內(nèi)部，出現(xiàn)不規(guī)則的孔洞缺陷.當加入WC粉末后，樹枝狀晶粒出現(xiàn)明顯的擇優(yōu)取向，圖3b和圖3d中的晶粒主要以蜂窩狀樹枝晶的形式存在，圖3c中的晶粒出現(xiàn)二次枝晶，主要以柱狀樹枝晶的形式存在.

圖4為不同質(zhì)量分數(shù)的WC工件的X射線衍射圖譜.對比WC質(zhì)量分數(shù)為0的工件，添加WC粉末會使溶解的W元素與C元素聚集在奧氏體基體上，以(Fe,W)6C的形式存在，Enrici等[17]的研究結(jié)論也證明了這一點.部分溶解的WC顆粒周圍形成的所有凝固碳化物都被稱為FCC相，這些相是根據(jù)碳化物的晶格確定的.對比其他FCC相，(Fe,W)6C具有更好的指數(shù)化率.在奧氏體316L不銹鋼中加入WC顆粒，鎢原子容易與鐵原子發(fā)生位置置換，形成置換式固溶體，增強了強化效果.奧氏體的碳質(zhì)量分數(shù)為2.11%，WC中的碳元素擴散，形成滲碳體(Fe3C)，滲碳體的碳質(zhì)量分數(shù)為6.67%；滲碳體與奧氏體形成了骨骼狀共晶萊氏體，實現(xiàn)了工件性能的提升.從圖3b～圖3d中同樣可以觀察到這一點.

2.3 工藝參數(shù)對復(fù)合材料硬度的影響

圖5為工件截面處的顯微硬度值分布圖.由圖可知，隨著WC顆粒含量的增加，工件硬度大幅度提高，相對于未添加WC的工件，當WC的質(zhì)量分數(shù)達到15%時，硬度值從320 HV左右提升到615 HV左右，提升了92%，這是因為WC溶解后形成了Fe3C和(Fe, W)6C等硬質(zhì)相，顯著提高了工件表面的硬度；基于彌散強化原理，在WC溶解后形成的硬質(zhì)質(zhì)點與位錯間產(chǎn)生的交互作用阻礙了位錯運動.

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)WC顆粒增材樣件的形貌

圖4 不同WC質(zhì)量分數(shù)增材件的X射線衍射圖譜

此外，溶質(zhì)元素固溶產(chǎn)生的晶格畸變阻礙了位錯運動，增強了固溶強化效果，進一步提高了材料的硬度.但含有過高質(zhì)量分數(shù)WC顆粒的工件會產(chǎn)生嚴重的裂紋、翹曲及分層等缺陷，并且很難精確成形.結(jié)合圖3可以看出，部分未完全熔化的WC顆粒鑲嵌在工件內(nèi)部，導(dǎo)致在檢測時硬度值出現(xiàn)較大波動.

當WC質(zhì)量分數(shù)為0時，隨著激光功率的增大，工件硬度有小幅下降，這并不能表明增大激光功率會導(dǎo)致工件硬度降低，可能僅僅是因為系統(tǒng)誤差或者隨機誤差導(dǎo)致了三個工件硬度有一定差值，但相差較??；工件整體的誤差同樣較小，表明工件內(nèi)部硬度分布均勻.此外，當在316L不銹鋼粉末中添加一定比例的WC粉末時，可以明顯看出工件的硬度值隨著激光功率的增大而提高，其主要原因在于工件表面的細晶強化作用.該現(xiàn)象可以用快速凝固理論來解釋，在增材過程中熔池內(nèi)的冷卻速率可達102～104K/s，而微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶狀態(tài)與固液界面前沿的組分過冷度有密切關(guān)系，組分過冷度是熔融態(tài)金屬平衡狀態(tài)下相變溫度與實際相變溫度的差值[21].當激光功率增大時，溫度差隨之增大，熔池冷卻速率加快，一次枝晶間距明顯減??；因此，出現(xiàn)圖5中隨著激光功率的增大，晶粒尺寸減小，工件硬度提高的現(xiàn)象.

2.4 工藝參數(shù)對復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響

圖6為工藝參數(shù)對WC顆粒增強316L不銹鋼復(fù)合材料工件表面粗糙度的影響.由圖可知，隨著WC顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，工件表面粗糙度逐漸提高，從最低的Ra為0.46 μm提高至Ra為0.99 μm，其主要原因是WC的添加提高了工件的硬度，增大了減材過程的難度，工件表面粗糙度的變化與工件硬度的變化趨勢基本相同.在激光功率為270 W時，WC的質(zhì)量分數(shù)對工件表面粗糙度影響較小，這是因為當激光功率低時，WC的溶解不夠充分，特別是WC質(zhì)量分數(shù)為0，2.5%和5%時，工件表面粗糙度大致相同；當激光功率為330 W時，WC顆粒熔合較為充分.此外，鑲嵌在工件上的WC顆粒在減材過程中可能由于其自身硬度較高且不易發(fā)生斷裂，因此是被刀具整體拔出，導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)凹坑缺陷，提高了工件表面的粗糙度；但增減材復(fù)合制造的工件由于引入了減材工藝，其表面質(zhì)量仍好于單一增材制造的工件.

圖5 工藝參數(shù)對316L+WC復(fù)合材料硬度的影響

圖6 工藝參數(shù)對316L+WC復(fù)合材料表面 粗糙度的影響

表面質(zhì)量除了通過表面粗糙度來表征，還可以通過工件表面三維形貌來觀察，圖7為含有不同質(zhì)量分數(shù)WC的工件表面的三維形貌圖.圖7a為WC質(zhì)量分數(shù)為0的工件的三維形貌圖，可見工件表面的銑削紋理細密均勻，表面質(zhì)量較好，與圖7中較低表面粗糙度的數(shù)值一致.從圖7b中可以看出，當WC質(zhì)量分數(shù)為2.5%時，主要是擠光效應(yīng)作用于工件表面，工件表面銑削紋理波峰與波谷的間距變大，工件表面粗糙度并未增加，但相對于未加入WC時表面銑削紋理質(zhì)量有所下降；在表面觀察到一個凹坑，應(yīng)該是未熔融WC粉末被整體拔出而導(dǎo)致的撕裂缺陷.圖7c所示，當WC質(zhì)量分數(shù)為5%時，工件表面出現(xiàn)不明顯的銑削紋理，這是因為隨著工件硬度的增加，其自身塑性降低，脆性增加，成形表面的材料塑性流動減慢，工件與切屑的分離以剪切作用為主；此外，由于WC質(zhì)量分數(shù)的增加，工件表面缺陷增多，出現(xiàn)少量大的尖刺與深坑以及一些小的凹坑.圖7d所示，當WC質(zhì)量分數(shù)為10%時，工件的表面質(zhì)量急劇下降，完全看不到減材過程中的銑削紋理，工件表面出現(xiàn)劃痕缺陷與涂抹層缺陷，工件與切屑分離出現(xiàn)脆性斷裂式分離，并在后刀面的擠壓作用下形成涂抹層缺陷.

2.5 工藝參數(shù)對復(fù)合材料耐磨性的影響

在316L粉末中加入WC粉末的主要目的之一是提高其耐磨性，不同質(zhì)量分數(shù)WC增材工件的摩擦系數(shù)如圖8所示.由圖可知，未添加WC粉末的工件具有最高的摩擦系數(shù)，約為1.3左右，隨著WC質(zhì)量分數(shù)的增加，工件的摩擦系數(shù)逐漸降低，這跟工件的硬度變化具有相同的趨勢，主要原因在于工件的摩擦系數(shù)受自身硬度影響.材料的耐磨性通常由Archard方程[22]確定：

(1)

式中：V為磨損體積；μ為摩擦系數(shù)；L為滑動距離；P為施加載荷；H為硬度.

圖7 不同質(zhì)量分數(shù)碳化鎢工件的表面三維形貌圖

圖8 不同質(zhì)量分數(shù)WC顆粒工件的摩擦系數(shù)

為了更好地觀察工件的磨損程度，使用白光干涉儀觀察了工件被磨損部位的三維形貌及二維輪廓，如圖9和圖10所示.由圖9可知，在相同載荷和磨損時間下，未添加WC粉末的工件磨損率最大，隨著WC質(zhì)量分數(shù)的增加，工件的磨損率逐漸降低，磨損的表面顯示出平行的凹槽和不規(guī)則形狀的碎屑，說明是典型的磨料磨損.由圖10可知，當未添加WC粉末時，工件被磨損的凹槽深度約為50 μm，寬度約為1.03 mm；當WC質(zhì)量分數(shù)增加到2.5%時，工件被磨損的凹槽深度為28 μm，寬度為0.9 mm，在深度方向有了明顯的下降；當WC質(zhì)量增加到5%時，工件被磨損的凹槽深度降為11.6 μm，寬度降為0.68 mm，在寬度方向降低較為明顯；當WC質(zhì)量分數(shù)增加到10%時，工件被磨損的凹槽深度降為6.6 μm，寬度降為0.55 mm，此時凹槽的深度和寬度最小，磨損率最小.結(jié)果表明，WC顆粒對提升工件耐磨性的作用明顯，這有利于將WC增強的鐵基材料應(yīng)用于高服役特性模具中，極大延長模具的使用壽命.

圖9 WC質(zhì)量分數(shù)不同的樣件磨損部位的三維形貌圖

圖10 WC質(zhì)量分數(shù)不同的樣件磨損部位的二維輪廓

3 結(jié) 論

1) 復(fù)合材料工件的致密度隨著激光功率的增大而逐漸提高.高的激光功率有利于粉末的充分熔合；但隨著WC顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加，工件的致密度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是由于過多的WC顆粒會導(dǎo)致未熔合粉末鑲嵌在工件內(nèi)部，降低了工件的致密度.當激光功率為330 W，WC顆粒質(zhì)量分數(shù)為5%時，工件的致密度達到最大值，約為99.6%.

2) 復(fù)合材料工件硬度隨著激光功率的增大而逐漸增加.功率越大，則凝固速率越快，工件表面硬度越高；而且工件硬度隨著WC顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，這是由于WC顆粒在工件中主要起彌散強化作用，與未添加WC顆粒的情況相比，工件最高硬度提高了92%.

3) 復(fù)合材料工件的表面質(zhì)量隨著激光功率的增大而降低.其主要原因在于，大激光功率能使工件表面獲得高的硬度值，但也加大了工件在減材加工過程中的切削難度，導(dǎo)致加工過程中工件表面的WC增強顆粒被拔出，使得凹坑缺陷數(shù)量增多，顯著降低了工件銑削后的表面質(zhì)量.復(fù)合材料工件的耐磨性能隨著WC顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加而提高，其本質(zhì)原因可以用Archard方程解釋，即耐磨性能與工件的硬度成正相關(guān)關(guān)系.