激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究

喻佳臣，邱長(zhǎng)軍

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

0 引言

激光熔覆技術(shù)是利用高能量密度激光輻照金屬粉末使其與基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高質(zhì)量的熔覆層。激光熔覆是一種高經(jīng)濟(jì)效益、綠色環(huán)保的再制造技術(shù)[1]，它可以在普通的基材表面制備出抗氧化、耐腐蝕、耐高溫或高耐磨的涂層[2-3]。與電刷鍍、堆焊、熱噴涂等其他技術(shù)相比（如表1所示）而言具有以下明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：1）激光熔覆制備的涂層與基材成冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高[4-6]；2）激光熔覆過程激光能量集中，其熱影響區(qū)域小，產(chǎn)生的熱變形量小，對(duì)于熔覆層形貌和其力學(xué)性能影響較??；3）激光熔覆工藝通常與移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手臂等自動(dòng)化控制單元結(jié)合，可以提高熔覆質(zhì)量必能處理較復(fù)雜的表面和難以處理的部分等，激光熔覆示意圖如圖1所示。

表1 常見的再制造技術(shù)及其特點(diǎn)[7]

圖1 激光熔覆原理示意圖[8]

馬氏體不銹鋼（Martensitic Stainless Steel，MSS）是一種高強(qiáng)度鋼種，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性和良好的熱處理工藝性。根據(jù)不同的化學(xué)成分可分為馬氏體鉻鋼和馬氏體鉻鎳鋼兩類；根據(jù)組織和不同的強(qiáng)化機(jī)理又可分為馬氏體不銹鋼、馬氏體沉淀硬化不銹鋼及馬氏體時(shí)效不銹鋼等。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在激光熔覆制備410、420、431、17-4PH馬氏體不銹鋼涂層組織與性能上。

本文重點(diǎn)綜述了激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究進(jìn)展，并提出了主要問題和今后的發(fā)展方向。

表2 常用的馬氏體不銹鋼元素成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11-18]%

1 馬氏體鉻鋼

1.1 410馬氏體不銹鋼涂層

410馬氏體不銹鋼強(qiáng)度高、機(jī)械加工性能優(yōu)異，主要應(yīng)用于一般用途刀刃、機(jī)械部件、餐具等。通過數(shù)值模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)有助于預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提高實(shí)驗(yàn)成功性，Maurizio等[9]通過激光熔覆在420不銹鋼表面制備了18%WC/410復(fù)合涂層，并通過數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)模擬與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比研究了不同粒徑WC顆粒的熱演化和溶解效率。結(jié)果表明，小于12 μm的WC顆粒由于超過其沸點(diǎn)溫度而無(wú)法到達(dá)基材，大于30 μm的WC顆粒無(wú)法達(dá)到其熔化溫度，因此會(huì)以固體形式存入熔池。此外將（0、2%、5%和10%）的Cr3C2粉末添加到410不銹鋼粉末中，在420不銹鋼表面制備Cr3C2/410復(fù)合涂層[10]。通過Thermo-calc專業(yè)軟件將模擬與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，結(jié)果表明，隨著涂層中碳含量的增加，為了減少對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響的溶質(zhì)俘獲效應(yīng)，需要進(jìn)行包括完全再奧氏體化和回火在內(nèi)的沉積后熱處理。顯微硬度與金屬材料的力學(xué)性能息息相關(guān)，是評(píng)價(jià)涂層性能的重要指標(biāo)之一，Zhu等[11]通過在410粉末中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiC（0～15%）通過激光熔覆在Q235基材制備TiC/410復(fù)合涂層。涂層的主要組織由馬氏體、碳化鈦和M23C6析出相組成。當(dāng)碳化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，激光熔覆層出現(xiàn)微裂紋和氣孔等缺陷。通過控制TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%～15%），涂層的顯微硬度由462 HV提高至735 HV，磨損率由7.795×10－5mm3/（N·m）降低至0.149×10－5mm3/（N·m）。

1.2 420馬氏體不銹鋼涂層

420馬氏體不銹鋼具有較好的抗蝕性、耐磨性、硬度高和價(jià)格較低等特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于各類精密機(jī)械、儀器與儀表、交通運(yùn)輸工具、家用電器等。原位熱處理工藝可以簡(jiǎn)化工藝路線節(jié)約工藝成本。Sun等[12]利用激光熔覆技術(shù)使用420粉末修復(fù)300M鋼，通過引入每個(gè)熔覆道之間的激光空載時(shí)間（0 s、80 s）來(lái)控制原位淬火和回火順序，掃描方式示意圖如圖2所示，研究了激光修復(fù)后的組織、拉伸性能和磨損性能。結(jié)果表明，在熔覆層中加入較長(zhǎng)的空載時(shí)間主要產(chǎn)生的組織為回火馬氏體，其塑性為17.4%，而未采用原位淬火和回火控制的熔覆層塑性為2.7%。使涂層的延伸性顯著提升，相比于之前提升了38%，而屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度僅降低了5%～10%。減小殘余應(yīng)力可以減小局部的應(yīng)力集中，從而提高材料的力學(xué)性能。Mohammad等[13]研究了激光熔覆制備AISI 420馬氏體不銹鋼的縱向和橫向力學(xué)行為，結(jié)果表明，在565 ℃下進(jìn)行1 h的熱處理，可以有效消除激光熔覆420不銹鋼的各向異性行為，其殘余應(yīng)力明顯下降。此外，研究了與底座成30°角的零件制造技術(shù)（使用工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)疊加來(lái)定位樣品，而沉積頭正對(duì)底座），以提高極限抗拉強(qiáng)度，并改善和部分消除方向性問題。Zhang等[14]通過激光熔覆技術(shù)在A36鋼上制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0～40%）的420/VC金屬?gòu)?fù)合涂層，并使用水射流切割機(jī)和動(dòng)電位極化測(cè)試熔覆層的耐腐蝕性，研究表明隨著VC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，熔覆層的耐腐蝕性能也逐漸提高，但當(dāng)VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)耐腐蝕性能會(huì)隨著VC含量的增加而逐漸降低。

圖2 兩種不同的掃描方式示意圖[11]

2 馬氏體鉻鎳鋼

2.1 431馬氏體不銹鋼涂層

431馬氏體不銹鋼涂層具有較高的強(qiáng)度、硬度、抗蝕性和韌性等優(yōu)點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于既要求強(qiáng)韌性又耐腐蝕的機(jī)械部件等。超高速激光熔覆技術(shù)光斑小，激光能量密度大，相對(duì)于傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)效率高基體受熱小。Li等[15]采用超高速激光熔覆（EHLA）和常規(guī)激光熔覆（CLA）分別在27SiMn基體上制備了高質(zhì)量的431不銹鋼涂層，研究結(jié)果表明，在90%的搭接率下，用EHLA制備了致密無(wú)缺陷的多層搭接涂層。與CLA相比，EHLA制備的涂層組織以纖細(xì)的枝晶為主，在整體范圍內(nèi)更細(xì)小、更均勻其耐蝕性更好。CAMILA等[16]采用激光熔覆技術(shù)在AISI 1010基材上制備了431馬氏體不銹鋼涂層，研究了激光工藝參數(shù)、掃描速度、送粉速率對(duì)涂層形貌、組織、稀釋率和顯微硬度的影響。結(jié)果表明，熔覆層高度受掃描速度影響較大，熔覆層寬度受激光功率、掃描速度和離焦量的影響較大。激光功率的變化對(duì)稀釋率的影響大于對(duì)長(zhǎng)寬比的影響，而掃描速度和離焦量的變化對(duì)稀釋和長(zhǎng)寬比都有顯著影響，涂層組織主要由板條馬氏體組成，AISI 431不銹鋼熔覆層的顯微硬度約為基體的5倍。Wang等[17]通過激光熔覆技術(shù)在45鋼上制備了不同鉬（Mo）含量的431/Mo復(fù)合涂層，并通過各種檢測(cè)手段對(duì)涂層性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究發(fā)現(xiàn)隨著Mo含量的提升，M7（C，B）3型硼碳化物含量減少，M2B和M23（C，B）6型硼碳化物含量增加，馬氏體減少，而鐵素體量逐漸增加，組織結(jié)構(gòu)更精細(xì)，顯微硬度降低但是耐磨性能顯著提高。添加6%Mo時(shí)其耐磨性能最佳可達(dá)到無(wú)Mo涂層的3倍以上。添加2%Mo時(shí)其耐腐蝕性能最佳。

2.2 17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼涂層

17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼涂層具有良好的熱處理工藝性，主要應(yīng)用于海上平臺(tái)、航天渦輪葉片、機(jī)械部件等。王強(qiáng)等[18]通過激光熔覆技術(shù)在27SiMn 表面熔覆17-4PH不銹鋼絲材。結(jié)果表明，隨著激光功率的增加，熔覆層的高度先降低后增加，基體的穿透深度和熱影響區(qū)增大，熔覆層的平均顯微硬度逐升高。當(dāng)激光功率較低時(shí)，熔覆層的組織主要為較短且沒有取向性的板條狀馬氏體；當(dāng)激光熔覆的功率較高時(shí)，主要由具有方向取向的板條狀馬氏體組成。綜合考慮激光功率對(duì)17-4PH不銹鋼絲材激光熔覆組織及硬度的影響，2600 W為最佳激光功率。鄧操等[19]通過激光熔覆與金屬粉末注射成形技術(shù)制備含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiB2（0.5%、1%、2%、3%、4%）的混合粉末樣品。結(jié)果表明，TiB2的加入會(huì)引起熔覆層元素偏析，隨著TiB2含量的增加，硬度先增大后減小。與基材相比，熔覆層的耐磨性能有顯著提高，隨著TiB2含量的增加其磨損率也隨之升高，耐腐蝕性隨之降低，在熔覆層中添加適量的TiB2可以提升17-4PH鋼的綜合性能，當(dāng)TiB2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，材料具有最佳的力學(xué)性能和相對(duì)較好的耐腐蝕性能。Lin等[20]通過激光熔覆技術(shù)對(duì)17-4PH進(jìn)行修復(fù)，研究發(fā)現(xiàn)激光沉積區(qū)域與基體之間的界面呈現(xiàn)出致密的冶金結(jié)合，顯微組織主要由板條狀馬氏體和少量強(qiáng)化相顆粒組成，通過激光熔覆再制造后的17-4PH與鍛造的力學(xué)性能相當(dāng)。

3 結(jié)語(yǔ)

馬氏體不銹鋼作為一種價(jià)格低廉、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕性好、應(yīng)用范圍廣的金屬材料，目前大部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光熔覆制備馬氏體不銹鋼涂層的研究集中在激光工藝參數(shù)、熱處理參數(shù)、強(qiáng)化元素及添加物上，對(duì)于主要存在的問題和發(fā)展方向提出以下建議。

1）工藝參數(shù)有待標(biāo)準(zhǔn)化。馬氏體不銹鋼作為一種鐵基合金材料其自熔性較差，故可能會(huì)出現(xiàn)氣孔、組織分布不均等問題，導(dǎo)致熔覆層質(zhì)量不一，可以根據(jù)不同的牌號(hào)對(duì)其激光工藝參數(shù)形成相關(guān)的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，這樣有利于形成標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)生產(chǎn)。

2）數(shù)值模擬方面等國(guó)產(chǎn)專業(yè)軟件缺乏。激光熔覆是光、粉、氣多物理場(chǎng)耦合的過程，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)有重大的指導(dǎo)意義，例如采用Jmatpro、Thermo-calc軟件對(duì)激光熔覆馬氏體不銹鋼涂層熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行模擬；利用ANSYS、Comsol對(duì)激光熔覆過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。國(guó)產(chǎn)化數(shù)值模擬專業(yè)軟件有待于進(jìn)一步發(fā)展。

3）對(duì)于激光熔覆馬氏體不銹鋼涂層熱處理工藝優(yōu)化和建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于激光熔覆馬氏體不銹鋼熱處理工藝方面研究較少，根據(jù)不同的材料和溫度區(qū)間建立相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣有助于激光熔覆馬氏體不銹鋼在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用。