激光熱輸入對激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼組織與力學(xué)性能的影響

范 朝， 程宗輝， 張志強(qiáng)

(國營蕪湖機(jī)械廠， 安徽 蕪湖 241007)

激光增材修復(fù)也稱為激光熔覆，還可稱為激光堆焊，是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)[1-2]。高質(zhì)量的修復(fù)層是激光增材修復(fù)技術(shù)追求的核心，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在稀釋率低、與基材結(jié)合好、熱影響區(qū)小、基材變形量小等[3]。高溫合金是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和導(dǎo)向葉片等高溫零部件的關(guān)鍵材料[4]。高溫合金所具有的優(yōu)良力學(xué)性能使其成為激光修復(fù)工藝中被廣泛使用的材料[5-6]。Wilson等[7]采用幾何學(xué)的方式，確定了激光增材修復(fù)的最佳工藝參數(shù)。Tabernero等[8]、Liu等[9]利用激光立體成形技術(shù)進(jìn)行零件成形，發(fā)現(xiàn)激光掃描方式對Inconel 718合金立體成形后的力學(xué)性能有著顯著的影響。Farahmand等[10]發(fā)現(xiàn)將激光增材修復(fù)技術(shù)與感應(yīng)加熱技術(shù)相結(jié)合，可以明顯改善熔覆區(qū)的顯微組織。Sexton等[11]利用激光增材修復(fù)技術(shù)，對不同基體(Inconel 792、Rene 80、Rene125等)進(jìn)行修復(fù)，發(fā)現(xiàn)激光增材修復(fù)技術(shù)在鎳基合金修復(fù)方面具有顯著優(yōu)勢。

GH4169合金是目前應(yīng)用最為廣泛的一種高溫合金，GH4169合金擁有優(yōu)良的綜合性能，被大量應(yīng)用于激光增材修復(fù)中[12]。范朝等[13]采用鎳基合金粉末對QAL10-4-4鋁青銅進(jìn)行了激光沉積試驗(yàn)，通過對獲得的試樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)激光修復(fù)接頭成形良好，無裂紋、氣孔等修復(fù)缺陷，力學(xué)性能良好。夏國俊等[14]采用IN939合金粉末對IN718鎳基高溫合金進(jìn)行激光修復(fù)，修復(fù)區(qū)形貌良好，無裂紋等缺陷，同時(shí)顯微硬度也得到明顯提高。目前，對于激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼的研究還未見報(bào)道，本項(xiàng)目開展激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼研究，并對接頭的顯微組織、力學(xué)性能進(jìn)行分析，為激光增材修復(fù)損傷1Cr17Ni2鋼制構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用的待修復(fù)基體為1Cr17Ni2不銹鋼，尺寸規(guī)格為直徑φ40 mm的棒材。表1、表2為1Cr17Ni2不銹鋼待修復(fù)基體以及修復(fù)粉末的化學(xué)成分，鎳基合金粉體為球形粉末，粒度53～150 μm。在進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)前，對合金粉末進(jìn)行烘干。

表1 1Cr17Ni2不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 鎳基合金粉體的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)采用由IPG YLS-2000型光纖激光器、數(shù)控工作臺(tái)、GTV PF2/2型高精度雙路可調(diào)送粉器、四路同軸送粉噴嘴以及惰性氣氛保護(hù)罩組成的激光增材修復(fù)平臺(tái)進(jìn)行。試驗(yàn)過程中采用氬氣進(jìn)行防護(hù)。激光修復(fù)工藝參數(shù)見表3。

表3 激光修復(fù)工藝參數(shù)

目前在激光增材修復(fù)基體與填充材料一定的情況下，1Cr17Ni2激光增材試樣的性能主要受激光熱輸入影響，激光熱輸入主要受激光功率、掃描速率等因素影響，故在光斑直徑一定時(shí)，定義激光增材熱輸入為激光功率與掃描速度的比值，即：

J=P/v

式中：J為激光增材熱輸入；P為激光功率；v為掃描速度。

激光增材修復(fù)試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣制成φ30 mm的鑲嵌塊，經(jīng)砂紙打磨和拋光后，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕1Cr17Ni2鋼側(cè)組織，擦拭時(shí)間大約10 s；配置5 g CuSO4+20 mL HCl+25 mL C2H5OH溶液，腐蝕鎳基合金熔覆層側(cè)組織，擦拭時(shí)間大約20 s。腐蝕完成后迅速清洗吹干，并用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對熔覆接頭顯微組織進(jìn)行觀察。采用維氏硬度計(jì)測定顯微硬度，測試條件為200 g載荷，加載時(shí)間10 s，測試點(diǎn)間距為0.2 mm，沿垂直于熔合線方向往1Cr17Ni2鋼基體一側(cè)進(jìn)行測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光熱輸入對熔覆區(qū)組織的影響

圖1 修復(fù)接頭橫截面形貌Fig.1 Cross section morphology of the repaired joint

激光增材修復(fù)接頭的橫截面如圖1所示，由圖1可知，激光增材修復(fù)接頭由熔覆區(qū)(A區(qū))、熱影響區(qū)(B區(qū))和基體(D區(qū))組成。熔覆區(qū)(A區(qū))由熔覆區(qū)頂部(b區(qū))、熔覆區(qū)中部(c區(qū))和熔覆區(qū)底部(d區(qū))組成。

圖2為不同激光熱輸入下熔覆區(qū)各區(qū)域顯微組織，b區(qū)為均勻分布的樹枝晶結(jié)構(gòu)，一次臂較為發(fā)達(dá)，且生長方向具有一致性，大致平行于熔覆高度方向生長；樹枝晶尺寸隨掃描速度的增加而逐漸減小，晶粒間的空隙逐漸增大。c、d區(qū)為短小的柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，且生長方向具有一致性，隨激光熱輸入的減小，尺寸略有減小。

圖2 不同激光熱輸入下熔覆區(qū)各區(qū)域的顯微組織Fig.2 Microstructure of each region in the cladded zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

圖3 不同激光熱輸入下熔覆區(qū)的SEM圖像Fig.3 SEM images of the cladded zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

根據(jù)凝固理論可知，在合金熔池的冷卻凝固過程中，柱狀枝晶的生長方向與熱量散失的方向總是呈現(xiàn)平行的關(guān)系。在激光增材修復(fù)1Cr17Ni2鋼過程中，熱量主要是沿著修復(fù)層/不銹鋼基體和已凝固成形部分方向散失。激光增材修復(fù)屬于急熱急冷過程，熔覆區(qū)更易形成枝晶結(jié)構(gòu)，且合金熔池中溫度梯度大小與熔覆層晶體的取向，共同決定了熔覆區(qū)樹枝晶的生長方向。由上述準(zhǔn)則可知，熔覆區(qū)中枝晶組織大致上是沿垂直于熔覆面方向生長。d區(qū)由于距離基體較近，沿垂直于熔合線方向成為溫度梯度最大的方向，即熔池在該方向上熱量散失速率最快，因此該區(qū)域易形成細(xì)長的柱狀枝晶結(jié)構(gòu)，且其方向基本上垂直于熔合線生長；c區(qū)由于離基體較遠(yuǎn)，且鎳基合金的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于1Cr17Ni2鋼基體。因此，該區(qū)域由上至下主要呈現(xiàn)出樹枝晶向柱狀枝晶過渡的趨勢。b區(qū)由于溫度梯度降低，其熔池凝固速率增大，主要呈現(xiàn)為分布均勻、密集的樹枝晶組織。

圖3為不同激光熱輸入下不銹鋼-合金接頭熔覆區(qū)的SEM圖像。熔覆區(qū)主要由基體相γ、沿晶界析出的不規(guī)則δ相和MC相等組成，對不同激光熱輸入下枝晶干中Nb元素平均含量進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。枝晶干中Nb元素含量隨激光熱輸入的增大呈現(xiàn)先升后降的趨勢。最佳工藝參數(shù)下(在激光熱輸入為80 J/mm)，更多Nb元素從枝晶間往枝晶干處擴(kuò)散，抑制了枝晶間因存在過多Nb而形成富鈮帶，甚至析出脆性有害相Laves。這主要是由于掃描速度的逐漸上升，熔池中的能量累積逐漸下降，提高了熔池凝固速率，從而抑制了Laves相形成所必需的元素Nb往枝晶間的偏析，使更多的Nb留在枝晶干中形成穩(wěn)態(tài)強(qiáng)化相γ′及亞穩(wěn)態(tài)強(qiáng)化相γ″；當(dāng)掃描速度過大時(shí)，合金粉末來不及完全熔化，整個(gè)修復(fù)過程便已完成，因此枝晶干中Nb元素含量下降。

圖5 不同激光熱輸入下熱影響區(qū)的顯微組織Fig.5 Microstructure of the heat affected zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

圖4 不同激光熱輸入下熔覆區(qū)枝晶干處Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 Mass fraction of Nb in dendrite stem of the cladded zone under different laser heat inputs

2.2 激光熱輸入對熱影響區(qū)組織的影響

圖5為不同激光熱輸入下1Cr17Ni2不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)的顯微組織，圖6為不銹鋼基體側(cè)熱影響區(qū)的SEM圖像?？梢钥闯?，1Cr17Ni2鋼側(cè)熱影響區(qū)主要由塊狀δ鐵素體、奧氏體、馬氏體及球狀珠光體等組織構(gòu)成，且與合金熔覆區(qū)存在著明顯的分界線，即熔合線；隨單位長度內(nèi)激光輸入量的逐漸下降，熱影響區(qū)組織形貌變化不大，尺寸略有減小。原因在于激光增材修復(fù)異種金屬的過程中，高能量密度的激光束輻射至基體的待修復(fù)表面，使基體和填充粉材同時(shí)熔化并快速凝固形成修復(fù)層；由于激光熱源加熱及冷卻速度極快的特性，基體受影響范圍較小，且組織形貌與尺寸變動(dòng)不大，可大大減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及基體的形變。

圖6 不同激光熱輸入下熱影響區(qū)的SEM圖像Fig.6 SEM images of the heat affected zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

2.3 激光熱輸入對顯微硬度的影響

圖7 不同激光熱輸入下修復(fù)接頭各區(qū)域的顯微硬度曲線Fig.7 Microhardness curves of each zone in the repaired joint under different laser heat inputs

圖7為不同激光熱輸入下各區(qū)域顯微硬度變化曲線。由圖7可知，各區(qū)域硬度測量值隨激光熱輸入的減小大致呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。在不同激光熱輸入下，修復(fù)接頭各區(qū)域顯微硬度測量值的整體波動(dòng)趨勢較為一致，熔覆區(qū)中的硬度值浮動(dòng)不大，在±25 HV0.2以內(nèi)微小起伏，這是由于修復(fù)接頭熔覆區(qū)中枝晶干區(qū)域和枝晶間共晶區(qū)域不同的應(yīng)力狀態(tài)及區(qū)域內(nèi)位錯(cuò)密度不同造成；激光熱輸入從133.3 J/mm減小到100 J/mm的過程中，熔覆區(qū)顯微硬度平均值逐漸增加，1Cr17Ni2不銹鋼/鎳基合金接頭熔覆區(qū)的平均硬度值在激光熱輸入為80 J/mm時(shí)達(dá)到峰值為330.64 HV0.2。這主要是因?yàn)殡S激光熱輸入的逐漸減小，Nb元素往枝晶間偏析的現(xiàn)象逐漸得到緩解，使更多的Nb元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入枝晶干中，從而析出更多的強(qiáng)化相γ″及γ′；但隨著激光熱輸入繼續(xù)減小至60 J/mm，熔覆區(qū)內(nèi)柱狀晶及樹枝晶的尺寸逐漸縮小，晶體間的空隙逐漸增大，且部分合金粉末還來不及熔化，整個(gè)修復(fù)過程便已經(jīng)結(jié)束，從而導(dǎo)致熔覆區(qū)的顯微硬度值呈下降趨勢。在最佳工藝參數(shù)組合下(激光熱輸入為80 J/mm)，合金修復(fù)接頭各區(qū)域顯微硬度值排序?yàn)椋喝鄹矃^(qū)>基體>熱影響區(qū)，充分說明了使用鎳基合金粉末對異種材料進(jìn)行激光修復(fù)，不僅可使待修復(fù)基體形成良好的接頭形貌、改善接頭的顯微組織，還能提升修復(fù)后零件的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1) 激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼接頭由熔覆區(qū)、熱影響區(qū)和不銹鋼基體組成，熔覆區(qū)上部為均勻分布的樹枝晶結(jié)構(gòu)，一次臂較為發(fā)達(dá)，且生長方向具有一致性，大致平行于熔覆高度方向生長，樹枝晶尺寸隨熱輸入的減小而逐漸減小，晶粒間的空隙逐漸增大；熔覆區(qū)中部和下部區(qū)域?yàn)槎绦〉闹鶢钪ЫY(jié)構(gòu)，且生長方向具有一致性，隨激光熱輸入的減小，尺寸略有減小。熔覆區(qū)主要由γ基體、MC相和沿晶界析出的亮白色不規(guī)則δ相等組成，且頂部的樹枝晶一次臂較為發(fā)達(dá)。

2) 激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼側(cè)熱影響區(qū)主要由塊狀δ鐵素體、奧氏體、馬氏體及球狀珠光體等組織構(gòu)成，且與合金熔覆區(qū)存在明顯的分界線。

3) 激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼熔覆區(qū)平均硬度值隨激光熱輸入的減小呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。熔覆區(qū)硬度值在激光熱輸入為80 J/mm時(shí)達(dá)到峰值，為330.64 HV0.2，較基體提升了9.78%。