激光快速成形304不銹鋼性能及微觀組織研究

羅兆偉，張建巧，孫旋

激光快速成形304不銹鋼性能及微觀組織研究

羅兆偉，張建巧，孫旋

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054000）

滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，提高304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度。在304不銹鋼粉末中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ni60AA粉末，采用激光束對(duì)粉末進(jìn)行快速成形，得到不同的試樣。通過(guò)金相顯微鏡對(duì)不銹鋼試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，利用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。隨著添加Ni60AA粉末含量的增加，板材試樣的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度最大，為754～771MPa。添加Ni60AA粉末后，激光快速成形的304不銹鋼板材試樣微觀組織中有部分鎳化合物析出，形成強(qiáng)化相，304不銹鋼試樣的抗拉強(qiáng)度得到很大提高。

激光快速成形；304不銹鋼；抗拉強(qiáng)度；微觀組織

304不銹鋼是一種常見(jiàn)的奧氏體不銹鋼，具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)五金如換熱器、化學(xué)反應(yīng)器和儲(chǔ)罐等部件中[1-3]。常用的成形方式為機(jī)械擠壓成形、注塑成形、沖壓成形等[4-7]。

激光快速成形（LRF）技術(shù)采用的加熱源為激光。激光束按照零件數(shù)字模型生成的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，逐點(diǎn)逐層地進(jìn)行激光熔化–快速凝固沉積加工，最終成形目標(biāo)零件。與傳統(tǒng)的制造方法相比，LRF技術(shù)在零件制造方面具有生產(chǎn)周期短、材料利用率高、可成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件等特點(diǎn)[8-17]。目前，該技術(shù)的研究方向主要集中在激光快速成形的基本理論、材料的成形特性和工藝等方面。席明哲等[18]采用連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光快速成形工藝，對(duì)TC11鈦合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。張永忠等[19]研究了激光快速成形特征，制備出的316L不銹鋼可滿足直接使用的要求。余金水等[20]采用快速成形技術(shù)得到了304不銹鋼試樣，其抗拉強(qiáng)度在537～801 MPa之間波動(dòng)。

文中在304不銹鋼粉末中加入Ni60AA粉末，采用激光快速成形技術(shù)得到304不銹鋼試樣，分析測(cè)試Ni60AA的加入量對(duì)304不銹鋼試樣抗拉強(qiáng)度以及微觀組織的影響，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

基材為Q235鋼板，尺寸為250 mm×150 mm× 10 mm。304不銹鋼和Ni60AA粉末的化學(xué)成分如表1所示，粉末顆粒外形為球形，直徑為48～106 μm，實(shí)驗(yàn)前將粉末在60 ℃的真空爐中烘干12 h備用。

1.2 設(shè)備

采用自制粉末配制系統(tǒng)對(duì)粉末進(jìn)行充分混合?？焖俪尚螌?shí)驗(yàn)采用5 kW橫流CO2激光器，激光在焦點(diǎn)處的聚焦光斑直徑為1.5 mm。采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床及自動(dòng)送粉器系統(tǒng)進(jìn)行快速成形實(shí)驗(yàn)，送粉器型號(hào)為HW–320L，送粉氣壓為0.2～0.5 MPa，送粉氣流量為0.1～0.4 m3/h，送粉量為3～20 g/min。采用金相顯微鏡對(duì)試樣微觀組織進(jìn)行分析，金相顯微鏡的型號(hào)為SG–51，由上海光學(xué)儀器廠提供。采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，其型號(hào)為QDW–20E，由長(zhǎng)春新試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司提供。

表1 304不銹鋼和Ni60AA粉末的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel and Ni60AA powder wt.%

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 激光快速成形實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前，利用砂紙將基材Q235兩面磨平，用蒸餾水、丙酮溶液依次對(duì)表面進(jìn)行清洗，去除殘存的油漬和銹跡，待用。

激光快速成形的主要工藝參數(shù)為激光功率、掃描速度、光斑直徑、每層高度方向增量以及搭接率等，其中每層高度方向增量是指激光快速成形過(guò)程中激光加工頭逐層抬高的高度值。激光快速成形過(guò)程如下：熔化一層金屬粉末后，由五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)控制激光加工頭向上抬高一定的高度，對(duì)上一層金屬粉末進(jìn)行熔化，以形成致密的成形件。當(dāng)每層高度方向增量小于0.25 mm時(shí)，成形層過(guò)薄，容易損壞已熔覆的層面，進(jìn)而降低成形效果；當(dāng)每層高度方向增量大于0.25 mm時(shí)，成形層過(guò)厚，導(dǎo)致部分粉末無(wú)法充分熔化，會(huì)降低成形效果，故設(shè)定每層高度方向增量為0.25 mm。搭接率為相鄰兩激光掃描行之間的重疊率。當(dāng)搭接率小于40%時(shí)，熔覆線之間材料的黏結(jié)性較差，2道激光熔覆層之間有未熔覆的粉末，降低了成形效果；當(dāng)搭接率大于40%時(shí)，會(huì)引起搭接處的晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，降低熔覆質(zhì)量，故設(shè)定搭接率為40%。為了降低成形過(guò)程中的熱應(yīng)力，采用定制的基板預(yù)熱器對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為400 ℃。

在每層高度方向增量為0.25 mm、搭接率為40%的情況下，對(duì)激光快速成形的工藝參數(shù)——激光功率、掃描速度、光斑直徑進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并對(duì)激光快速成形的試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，以得到試樣抗拉強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)組合。當(dāng)激光功率為4 000 W、掃描速度為7 mm/s、光斑直徑為1.5 mm時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大（553 MPa），此時(shí)對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of orthogonal experiment

在最佳激光成形工藝參數(shù)（激光功率為4 000 W、掃描速度為7 mm/s、光斑直徑為1.5 mm、每層高度方向增量為0.25 mm、搭接率為40%）條件下，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ni60AA粉末加入到304不銹鋼粉末中，進(jìn)行激光快速成形實(shí)驗(yàn)，研究不同Ni60AA粉末添加量對(duì)304不銹鋼激光成形試樣性能的影響。將加入Ni60AA粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、15%的304不銹鋼激光成形試樣分別記為A1、A2、A3、A4試樣，將這4組實(shí)驗(yàn)粉末分批加入到送粉器中。A1、A2、A3、A4激光快速成形試樣的整體外觀如圖1所示，可以看出，成形試樣表面均無(wú)明顯裂紋或缺陷。

圖1 激光快速成形試樣整體外觀

2.2 試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試

采用切割機(jī)將試樣切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用拉力機(jī)測(cè)試試樣的抗拉強(qiáng)度，研究不同Ni60AA粉末添加量對(duì)304不銹鋼抗拉強(qiáng)度的影響（在Ni60AA粉末添加量相同的情況下，測(cè)試5組樣品的抗拉強(qiáng)度，分析抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定性），結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，A1試樣（當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)）的抗拉強(qiáng)度在546～578 MPa之間，抗拉強(qiáng)度較低，且抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較大，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定性較差。A2試樣（當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)）的抗拉強(qiáng)度在615～629 MPa之間，抗拉強(qiáng)度相對(duì)有所提高，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較小，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定性較好。A3試樣（當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)）的抗拉強(qiáng)度在754～771 MPa之間，抗拉強(qiáng)度相對(duì)最高，抗拉強(qiáng)度波動(dòng)較小，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定性較好。A4試樣（當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)）的抗拉強(qiáng)度在708～719 MPa之間，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低。

圖2 在不同Ni60AA粉末加入量條件下抗拉強(qiáng)度與測(cè)試次數(shù)的關(guān)系

2.3 焊縫微觀組織分析

快速成形試樣微觀組織如圖3所示。可以看到，A1試樣的微觀組織為規(guī)則的樹(shù)枝狀晶，如圖3a所示，這是因?yàn)樵?04不銹鋼激光快速成形過(guò)程中，由于加熱速度和冷卻速度較快，晶粒沿著溫度梯度方向生長(zhǎng)，具有明顯的快速凝固特點(diǎn)，為樹(shù)枝狀晶生長(zhǎng)提供了條件。如圖3b所示，A2試樣的顯微組織仍然為規(guī)則的樹(shù)枝狀晶，但在大晶粒之間夾雜著少量的細(xì)晶組織，這是因?yàn)殒囋氐募尤胄纬闪随嚮衔?，這些鎳化合物從晶粒之間析出，形成了新的強(qiáng)化相，這些強(qiáng)化相有利于提高材料的抗拉強(qiáng)度。如圖3c所示，A3試樣中大晶粒之間夾雜的細(xì)晶組織較多，這是因?yàn)殡S著鎳元素含量的增加，形成的強(qiáng)化相增多，使材料的抗拉強(qiáng)度更高。如圖3d所示，A4試樣中大晶粒之間夾雜的細(xì)晶組織變得粗大，這是因?yàn)殡S著鎳元素含量持續(xù)增加，形成的鎳化合物晶粒變大，粗大的晶?？赡苁共牧系目估瓘?qiáng)度降低。

圖3 快速成形試樣微觀組織

2.4 試樣斷口宏觀形貌分析

激光快速成形試樣在拉力測(cè)試后的斷口宏觀形貌如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，A1—A4試樣斷口無(wú)明顯差異，斷口中均無(wú)明顯的氣孔等缺陷，且晶粒細(xì)小而致密。這是因?yàn)樵诩す饪焖俪尚芜^(guò)程中，激光束能量集中，粉末被快速熔化，晶粒形核后來(lái)不及長(zhǎng)大，激光離開(kāi)后，熔池迅速凝固，故而晶粒組織細(xì)小而致密，在這種情況下，試樣具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖4 快速成形試樣斷口宏觀形貌

2.5 斷口微觀形貌分析

快速成形試樣斷口微觀形貌如圖5所示。由圖5a可知，經(jīng)過(guò)拉力測(cè)試后，A1試樣斷口沒(méi)有出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，只有小的片狀斷層，無(wú)大的凹槽，為脆性斷裂。由圖5b可知，經(jīng)過(guò)拉力測(cè)試后，A2試樣斷口的韌窩數(shù)量較少，尺寸較小，深度也較淺，此處的塑性相對(duì)較差，抗拉強(qiáng)度也較低。由圖5c可知，經(jīng)過(guò)拉力測(cè)試后，A3試樣斷口的韌窩較多，尺寸較大，深度較深，說(shuō)明塑性變形能力較大，抗拉強(qiáng)度也較大。由圖5d可知，經(jīng)過(guò)拉力測(cè)試后，A4試樣斷口的微觀形貌呈層狀分布，為明顯的脆性斷裂特征，這是因?yàn)楫?dāng)Ni60AA粉末添加量過(guò)多時(shí)，激光成形過(guò)程中形成的鎳化合物晶粒變大，在拉力測(cè)試過(guò)程中，這些化合物部分形成不穩(wěn)定區(qū)域，首先被拉斷裂，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較低。

圖5 快速成形試樣斷口微觀形貌

3 結(jié)論

在添加Ni60AA粉末的不銹鋼成形試樣顯微組織中有細(xì)晶組織析出，這是因?yàn)樾纬傻逆嚮衔飶慕M織中析出，形成了新的強(qiáng)化相，且隨著Ni60AA粉末含量的增加，這些新的強(qiáng)化相組織增多，使試樣的抗拉強(qiáng)度得到了較大提高。但是，當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，一些細(xì)晶組織變得粗大，使材料的抗拉強(qiáng)度降低。

試樣的斷口微觀形貌測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)Ni60AA粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，激光快速成形的304不銹鋼試樣經(jīng)過(guò)拉力測(cè)試后，斷口處的韌窩較多，尺寸較大，深度較深，這種斷口形貌證明了材料的抗拉強(qiáng)度較高。文中激光快速成形304不銹鋼的方法為其他種類材料的快速成形提供了一定技術(shù)參考。

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Properties and Microstructure of 304 Stainless Steel by Laser Rapid Forming

LUO Zhao-wei, ZHANG Jian-qiao, SUN Xuan

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, China)

The work aims to improve the tensile strength of 304 stainless steel, so as to meet the actual production requirements. Ni60AA powders with different mass fractions were added into 304 stainless steel powders, and the powders were rapidly formed by laser to obtain different specimens. The microstructure of the stainless steel specimen was observed by metalloscope. The tensile strength of the specimen was tested by tensile testing machine. With the increase of the mass fraction of Ni60AA powder added to 304 stainless steel powder, the tensile strength of plate specimen increased firstly and then decreased. When the mass friction of Ni60AA powder was 10%, the tensile strength of the specimen reached to the highest value of 754-771 MPa. After the addition of Ni60AA powder, some nickel compounds precipitate from the microstructure of the plate specimen, forming strengthening phase, thus greatly improving the tensile strength of 304 stainless steel specimen.

laser rapid forming; 304 stainless steel; tensile strength; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.010

TG456.7

A

1674-6457(2022)09-0073-06

2021?09?30

羅兆偉（1988—），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械工程材料。

責(zé)任編輯：蔣紅晨