掃描速度對(duì)激光沉積ER630絲材修復(fù)層力學(xué)性能與顯微組織的影響

楊來(lái)俠， 李佳樂(lè)， 徐 超， 楊文選

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

增材制造(Additive manufacturing，AM)是一種新興的先進(jìn)制造技術(shù)，是使用激光、電子束等高能量源將原材料加熱熔化后快速凝固，逐層堆疊以制造零件的方法[1]。20世紀(jì)80年代后期發(fā)展至今，從醫(yī)療保健到汽車模具再到航空航天，增材制造在越來(lái)越多的行業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用[2-4]。激光熔覆是近年來(lái)興起的再制造技術(shù)，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在基體表面制備的再制造熔覆層組織細(xì)小、致密，與界面冶金結(jié)合能力強(qiáng)，抗沖擊性能優(yōu)異，可以大幅度提高零部件的使用性能，延長(zhǎng)核心零部件的使用壽命，已成為再制造技術(shù)中最先進(jìn)、前景最廣的技術(shù)之一[5-10]。激光熔覆技術(shù)是采用激光作為熱源，將功能性金屬材料加熱熔化后沉積在同時(shí)經(jīng)激光輻照熔化的金屬表面，形成一種功能保護(hù)層的先進(jìn)制造技術(shù)[11]。由于功能性金屬材料與金屬基體表面是經(jīng)熔化后結(jié)合在一起，二者之間形成了冶金結(jié)合，所以激光熔覆形成的熔覆層可以無(wú)限次的累積疊加，決定了激光熔覆技術(shù)可以制備大厚度的功能層，在磨損、腐蝕失效的機(jī)械部件上具有重要的應(yīng)用價(jià)值[12]。與粉末作為原料的增材制造技術(shù)相比，激光熔絲工藝沉積速率快、材料利用率高、生產(chǎn)自由度大、表面質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染少，適用于生產(chǎn)復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)零部件，而且所使用的絲材更易于生產(chǎn)與保存[13]。然而，絲材增材技術(shù)目前還處于起步階段，工藝上存在很大的局限性，例如，金屬絲與熔池的溫度升降劇烈，導(dǎo)致沉積層間殘余應(yīng)力較大，力學(xué)性能差，很難得到穩(wěn)定、理想的微觀結(jié)構(gòu)。

630不銹鋼(ASTM，也稱17-4PH不銹鋼)為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，相當(dāng)于國(guó)標(biāo)05Cr17Ni4Cu4Nb鋼。該類型的不銹鋼含碳量較低，Ni、Cr含量高，焊接性好且具有較好的耐腐蝕性。同時(shí)該鋼中Cu和Nb等合金元素含量也較高，這些合金元素在熱處理過(guò)程中可析出時(shí)效硬化相ε-Cu、NbC、M23C6等，使材料具有較高的強(qiáng)度和硬度?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，630馬氏體沉淀硬化不銹鋼廣泛應(yīng)用于航空、航天、化學(xué)和核工業(yè)等領(lǐng)域[14]。礦用液壓支架的核心部件為液壓缸，液壓缸的主要工作部分為缸筒內(nèi)壁和液壓桿外壁，因使用工況環(huán)境惡劣，礦用液壓缸的使用壽命會(huì)大幅降低。其主要失效形式為缸筒內(nèi)壁和液壓桿外壁的表面磨損與表面裂隙，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)下極易造成報(bào)廢，整體更換成本高，且造成資源浪費(fèi)。針對(duì)這一問(wèn)題，激光熔覆技術(shù)可以提供很好的解決方案，對(duì)缸筒內(nèi)壁和液壓桿外壁磨損輕度失效的零件表面進(jìn)行激光熔覆處理，后經(jīng)機(jī)加工處理，可延長(zhǎng)該零件的使用壽命，降低成本。對(duì)此，Heralic等[15]將反饋控制系統(tǒng)應(yīng)用于激光熔絲沉積過(guò)程，實(shí)現(xiàn)熔池的寬度和高度保持不變，確保了沉積過(guò)程最大的穩(wěn)定性；王強(qiáng)等[16]通過(guò)改變激光功率，研究了17-4PH不銹鋼絲材激光熔覆工藝成形組織及硬度，研究表明，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)479.4 HV；李福泉等[17]采用激光熔覆技術(shù)在Ti-6Al-4V合金基材表面采用激光熔覆Ti-6Al-4V合金絲材，同軸送入WC顆粒作為強(qiáng)化相制備復(fù)合材料層，研究表明，復(fù)合材料層中主要包括α-Ti、WC、W2C、TiC、W、(W, Ti) C1-x相。Shim等[18]通過(guò)定向能量沉積修復(fù)受損SUS 630零件，研究了零件的力學(xué)性能變化，研究表明，由于修復(fù)區(qū)域與基體的界面處產(chǎn)生裂紋，拉伸強(qiáng)度比鍛造材料有所下降，退火處理后，可獲得優(yōu)異的拉伸性能。韓基泰等[19]探究了不同激光功率下42CrMo鋼激光熔覆層的耐磨性，研究表明，激光熔覆層可以提升42CrMo鋼的耐磨性能；當(dāng)激光功率為1600 W時(shí)，熔覆層耐磨性優(yōu)異，熔覆層組織中的晶粒細(xì)化均勻，主要表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶，組織較為致密，從而提高了熔覆層的耐磨性能。

因此，本文利用直接激光沉積技術(shù)(Direct laser deposition，DLD)，在45鋼回轉(zhuǎn)體基材上采用ER630絲材進(jìn)行熔覆成形試驗(yàn)，并對(duì)其熔覆層進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)合顯微組織觀察等手段，研究了掃描速度對(duì)成形性的影響，以期獲得性能與成形效率的最優(yōu)配比，實(shí)現(xiàn)礦用液壓缸的再修復(fù)，從而提高實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，避免資源過(guò)度浪費(fèi)。

1 試驗(yàn)材料與方法

選用ER630焊絲作為原材料，45鋼管為基材，其中ER630焊絲為直徑φ1.2 mm實(shí)心630不銹鋼焊絲，焊絲成分如表1所示，45鋼管尺寸為外徑φ60 mm、內(nèi)徑φ40 mm、長(zhǎng)度1 m。試驗(yàn)前對(duì)45鋼管基體進(jìn)行精車，并用丙酮清洗劑清洗表面雜質(zhì)及油污，對(duì)ER630焊絲進(jìn)行100 ℃×2 h烘干處理。

表1 630不銹鋼絲材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用ProLC-3000MT激光熔覆設(shè)備進(jìn)行樣件制備，該設(shè)備搭載最大輸出功率3000 W光纖激光器RFL-A3000D/B/20/A/W/600，輸出功率5700 W激光水冷機(jī)TFLW-3000WDR-03Z1-3385，功率20 kW直流電源X-Y-Z-R四軸伺服數(shù)控系統(tǒng)。激光光斑直徑φ3 mm，保護(hù)氣體采用N2(純度>99.9%)。

試驗(yàn)過(guò)程中，激光光斑照射基材(與基材法線約成80°，為防止激光反射損毀激光頭)形成熔池，送絲設(shè)備當(dāng)即送絲入池，使絲材與基材形成冶金結(jié)合，基材又以給定的速度旋轉(zhuǎn)，激光頭和送絲設(shè)備同時(shí)以一定速度(例如掃描間距為1.2 mm，基材旋轉(zhuǎn)一周，激光頭和送絲設(shè)備移動(dòng)1.2 mm)沿基材軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)熔覆，事先設(shè)定熔覆長(zhǎng)度90 mm，如此往復(fù)，在基材上形成多層熔覆修復(fù)層，厚15 mm左右。具體樣件制備過(guò)程詳細(xì)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 激光沉積ER630絲材工藝流程示意圖

根據(jù)前期工藝試驗(yàn)結(jié)果，為更好地獲取質(zhì)量?jī)?yōu)異的樣件，采用反向送絲的方法(見(jiàn)圖2)，送絲角度為45°，激光功率設(shè)定為3000 W，熱絲的電壓、電流設(shè)定為5 V和150 A，掃描間距設(shè)定為1.2 mm，掃描速度(線速度)設(shè)定為30 mm/s，送絲密度(單位掃描速度下的送絲速度為送絲密度，即送絲速度與掃描速度的比值)設(shè)定為1.25，即送絲速度為37.5 mm/s。

圖2 反向送絲示意圖

為探究高速熔覆，在其他參數(shù)不變的情況下，將掃描速度逐漸提高，具體參數(shù)如表2所示。

表2 激光沉積工藝參數(shù)

采用電火花切割技術(shù)對(duì)成形件進(jìn)行取樣，分別制備直徑φ12 mm與φ10 mm的圓柱形棒料。再將φ12 mm試樣按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》車制為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，每組3個(gè)試樣，具體尺寸如圖1所示，將φ10 mm試樣切片，厚度取6 mm。采用XQ-1型金相試樣鑲嵌機(jī)鑲樣，采用YMPZ-2型金相試樣自動(dòng)磨拋機(jī)，使用120～2000號(hào)砂紙打磨，用粒度w0.5的金剛石噴霧金相拋光液進(jìn)行拋光，并用金相腐蝕試劑(濃HNO3∶濃HCl∶水(體積比)=6∶1∶3)腐蝕15 s[18]。采用Leica DM 2700M RL型光學(xué)顯微鏡觀察分析缺陷與微觀組織。

采用HV-1000Z+CCD顯微硬度計(jì)測(cè)試試樣的顯微硬度，試驗(yàn)載荷砝碼為1 kg，保荷時(shí)間為15 s，測(cè)試5個(gè)點(diǎn)取平均值。采用5982B18367型金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫(23 ℃)拉伸測(cè)試，應(yīng)變速率為10-2s-1，之后采用JSM-IT500LA型掃描電鏡(SEM)對(duì)拉伸件斷口形貌進(jìn)行分析。

按GB/T 3850—2015《致密燒結(jié)金屬材料與硬質(zhì)合金 密度測(cè)定方法》采用排水法測(cè)試試樣的密度。采用FA1004型電子分析天平，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣φ10 mm× 25 mm逐一稱重3次，取平均值，經(jīng)計(jì)算得到試樣的密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 缺陷分析

2.1.1 雜質(zhì)夾渣分析

圖3為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層雜質(zhì)夾渣形貌。可以觀察到不同掃描速度下，試樣組織中均含有黑色的雜質(zhì)夾渣。在30 mm/s掃描速度下，夾渣較少，如圖3(a)所示。隨著掃描速度的不斷提高，試樣中夾渣數(shù)量逐漸增多，且尺寸也逐漸增大，如圖3(b～f)所示。黑色夾渣的形成與成形環(huán)境中所含O2和其他一些雜質(zhì)有關(guān)，環(huán)境中的O2吸附在ER630絲材表面或者在保護(hù)氣體的帶動(dòng)下進(jìn)入成形的熔池中，形成一些氧化物；環(huán)境中的一些其他雜質(zhì)也會(huì)順勢(shì)進(jìn)入熔池，從而形成其他的雜質(zhì)。盡管在成形過(guò)程中，保護(hù)氣體氛圍能夠保護(hù)高溫金屬熔池不被氧化，但是由于成形設(shè)備的復(fù)雜性與成形環(huán)境的不確定性，難免會(huì)攜帶成形環(huán)境中的O2。并且隨著掃描速度的逐漸提高，單位時(shí)間內(nèi)成形體積增加，保護(hù)氣體對(duì)熔池保護(hù)效果會(huì)逐漸降低，O2含量增加，試樣殘留的夾渣就增多。

圖3 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層雜質(zhì)夾渣形貌

2.1.2 致密度分析

表3為不同掃描速度下激光沉積制備ER630絲材修復(fù)層樣件及ER630絲材的密度?？梢钥闯?，激光沉積ER630修復(fù)層樣件的密度均低于ER630絲材密度。這是因?yàn)樵谌鄹策^(guò)程中產(chǎn)生一定量的雜質(zhì)夾渣和一些氣孔，導(dǎo)致其密度降低。ER630絲材原始密度約為7.78 g/cm3，隨著掃描速度的提高，激光沉積ER630修復(fù)層樣件的密度穩(wěn)定在7.73 g/cm3左右。因此，掃描速度對(duì)ER630修復(fù)層致密度的影響可忽略不計(jì)。

表3 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣密度(g/cm3)

2.2 物相分析

圖4為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層的顯微組織。由圖4可以觀察到，在30 mm/s掃描速度下，組織主要為板條柱狀晶和少量圓胞狀晶，隨著掃描速度的提高，板條柱狀晶減少，圓胞狀晶逐漸增多。鐵碳合金熔融冷卻過(guò)程中，γ-Fe向α-Fe轉(zhuǎn)變，C在α-Fe中嚴(yán)重過(guò)飽和，會(huì)形成馬氏體組織，未轉(zhuǎn)變的γ-Fe為殘留奧氏體。由于對(duì)基材進(jìn)行了多層熔覆，因此試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)基材或上一層熔覆層進(jìn)行反復(fù)的循環(huán)加熱，在空氣中冷卻一定時(shí)間，這樣的循環(huán)加熱相當(dāng)于對(duì)基材或上一層熔覆層進(jìn)行多次的退火處理，也將會(huì)對(duì)修復(fù)層組織造成影響。經(jīng)對(duì)比分析，ER630絲材修復(fù)層中的板條柱狀晶為板條狀馬氏體，圓胞狀晶為奧氏體。這是因?yàn)樵诩す饧訜徇^(guò)程中，高溫使基板或上一層熔覆層熔化，激光掃描后又在空氣中快速冷卻，冷卻溫度和速率會(huì)影響組織生成，掃描速度越快，熔池溫度越低，冷卻速率越慢，結(jié)晶為圓胞狀?yuàn)W氏體組織，掃描速度越慢，熔池溫度相對(duì)高，冷卻速率相對(duì)快，結(jié)晶為板條柱狀馬氏體組織。

圖4 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層的顯微組織

2.3 性能分析

2.3.1 力學(xué)性能分析

圖5為在30 mm/s掃描速度下，激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的室溫拉伸曲線。由圖5可以明顯看出，拉伸曲線存在彈性階段、強(qiáng)化階段和局部變形階段，但未出現(xiàn)明顯的屈服階段，因此將拉伸曲線圖0.2% 應(yīng)變所對(duì)應(yīng)強(qiáng)度作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)。630不銹鋼是由銅、鈮構(gòu)成的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，含碳量低，耐腐蝕性和可焊性均比一般的馬氏體型不銹鋼高，具有高強(qiáng)度、高硬度和耐腐蝕等特性，經(jīng)過(guò)熱處理后，試樣的力學(xué)性能更好。630不銹鋼在550 ℃時(shí)效處理后可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，即較好的強(qiáng)度與塑性，抗拉強(qiáng)度為1060 MPa，屈服強(qiáng)度為1000 MPa，伸長(zhǎng)率為12%，斷面收縮率為45%，硬度為350 HV[14]。因此，將激光沉積ER630絲材修復(fù)層與550 ℃時(shí)效處理630不銹鋼在力學(xué)性能方面作比較，來(lái)分析ER630絲材修復(fù)層的力學(xué)性能，如表4所示。

圖5 30 mm/s掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 ER630絲材修復(fù)層試樣與550 ℃時(shí)效630不銹鋼的力學(xué)性能對(duì)比

由表4可以看出，相較550 ℃時(shí)效處理的630不銹鋼，掃描速度30 mm/s時(shí)激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的抗拉強(qiáng)度提高6.22%，屈服強(qiáng)度降低3.89%，說(shuō)明激光沉積ER630絲材與550 ℃時(shí)效630不銹鋼強(qiáng)度相差不大。表面硬度提高20.29%，伸長(zhǎng)率降低20%，說(shuō)明激光沉積ER630絲材比550 ℃時(shí)效630不銹鋼塑性有所降低。這是因?yàn)樵谠摴に囘^(guò)程中，激光可使熔池中心快速升溫至1800 ℃以上，對(duì)基材或者上一層熔覆層的掃描，相當(dāng)于循環(huán)不斷地對(duì)已成形層進(jìn)行循環(huán)加熱，又因熔覆層在空氣中冷卻，相當(dāng)于對(duì)熔覆層進(jìn)行反復(fù)退火，使熔覆層的組織得到細(xì)化和均勻化，因此材料具有良好的強(qiáng)度；冷卻過(guò)程中，由γ-Fe向α-Fe 轉(zhuǎn)變，C在α-Fe中過(guò)飽和，形成一定量的馬氏體，所以硬度提高但塑性有所降低。

表5為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由表5可知，相比掃描速度30 mm/s，試樣在掃描速度40 mm/s下的抗拉強(qiáng)度提高了3.27%，而在掃描速度50、60、70和80 mm/s 下，分別降低了1.95%、1.44%、1.73%和3.15%。相比掃描速度30 mm/s，掃描速度40～80 mm/s下屈服強(qiáng)度均有所降低，且呈持續(xù)下降趨勢(shì)，分別降低了2.04%、4.26%、4.32%、4.40%和9.43%?？梢缘贸?，隨著掃描速度的提高，屈服強(qiáng)度降低，其原因是隨著掃描速度的提高，形成奧氏體組織較多，奧氏體具有良好塑性但強(qiáng)度較差，因此屈服強(qiáng)度降低。

表5 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的強(qiáng)度和硬度

由表5可見(jiàn)，當(dāng)掃描速度為30、40 mm/s時(shí)，試樣硬度相當(dāng)，分別為420.85、428.88 HV。當(dāng)掃描速度提升至50 mm/s以上時(shí)，試樣硬度明顯下降，基本在400 HV左右?？梢缘贸觯S著掃描速度的提高，熔覆層的硬度會(huì)有所降低。分析其原因，掃描速度提高，熔覆過(guò)程中形成奧氏體組織增多，馬氏體組織減少，奧氏體具有良好的塑性，但強(qiáng)度、硬度較差。

2.3.2 沉積效率

根據(jù)工藝方法，可定義沉積效率(η)算法，如式(1)所示：

(1)

式(1)中：η為沉積效率，cm3/s；V沉積體積，cm3；t為沉積時(shí)間，s。

根據(jù)公式(1)可得，在掃描速度30 mm/s下，沉積效率為33.93 cm3/s。在掃描速度40～80 mm/s下，沉積效率分別為42.24、56.55、67.86、79.17和90.48 cm3/s，較掃描速度30 mm/s下，分別提高了1.3、1.6、2.0、2.3和 2.6倍。

以掃描速度30 mm/s時(shí)強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，圖6為掃描速度40～80 mm/s下，激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變化。在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)零件的修復(fù)再制造制定如表6所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)表6及圖6，當(dāng)沉積效率提高1.3倍時(shí)，可得到好的修復(fù)強(qiáng)度；當(dāng)沉積效率提高至2倍時(shí)，可得到較好的修復(fù)強(qiáng)度；當(dāng)沉積效率提高至2.6倍時(shí)，此時(shí)的修復(fù)強(qiáng)度較差。

圖6 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的強(qiáng)度變化

表6 零件修復(fù)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.3 拉伸斷口形貌分析

圖7為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣拉伸斷口形貌?？梢钥闯?，在不同掃描速度下，試樣拉伸斷口具有類似的形貌特征。在低倍率下觀察，斷口呈纖維狀，且有一定數(shù)量的雜質(zhì)夾渣，試樣均略微出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，這與上述拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線相吻合，且出現(xiàn)少量撕裂棱，起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)易分辨；高倍率下觀察，斷口呈密集蜂窩狀，且有部分區(qū)域出現(xiàn)解理面，說(shuō)明發(fā)生的是韌窩斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，這與試樣拉伸性能參數(shù)相吻合。觀察斷口形貌較不平整，說(shuō)明試樣質(zhì)地均勻性一般，但均未出現(xiàn)明顯的熔覆層與熔覆層之間的斷裂痕跡，說(shuō)明DLD工藝可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的冶金結(jié)合。

圖7 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1) 隨著掃描速度的不斷提高，激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣中所含夾渣逐漸增多，并且尺寸也逐漸大，當(dāng)掃描速度達(dá)到80 mm/s時(shí)，夾渣數(shù)量明顯提升，且尺寸仍有所增大。隨著掃描速度的提高，成形件力學(xué)性能有所降低。各試樣密度相當(dāng)，穩(wěn)定在7.73 g/cm3左右，不同掃描速度對(duì)ER630修復(fù)層致密度的影響可忽略不計(jì)。

2) 在30 mm/s掃描速度下，組織主要為板條柱狀馬氏體和少量圓胞狀?yuàn)W氏體；隨著掃描速度的提高，板條柱狀馬氏體減少，圓胞狀?yuàn)W氏體逐漸增多。

3) 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復(fù)層試樣拉伸斷口宏觀均呈纖維狀，微觀表現(xiàn)為蜂窩狀，部分區(qū)域出現(xiàn)解理面，說(shuō)明發(fā)生的是韌窩斷裂或準(zhǔn)解理斷裂，斷口形貌未出現(xiàn)明顯的熔覆層之間的斷裂痕跡，說(shuō)明DLD工藝可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的冶金結(jié)合。

4) 提高掃描速度，沉積效率會(huì)提高。沉積效率提高1.3倍時(shí)，得到好的修復(fù)強(qiáng)度；沉積效率提高至2倍時(shí)，得到較好的修復(fù)強(qiáng)度；沉積效率提高至2.6倍時(shí)，得到的修復(fù)強(qiáng)度較差。