17- 4PH不銹鋼激光修復(fù)45鋼組織及顯微硬度研究

戴浩，江訓(xùn)焱，王燕

江西昌河航空工業(yè)有限公司 江西景德鎮(zhèn) 333002

1 序言

激光具有作用時(shí)間短、功率密度高、功率精確可調(diào)及熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于3D打印及激光修復(fù)領(lǐng)域。激光修復(fù)通常以激光熔覆作為技術(shù)基礎(chǔ)，為零部件及工裝模具制備耐磨、耐蝕等特殊功能涂層，對(duì)斷裂、磨損（損傷）區(qū)域進(jìn)行修復(fù)及表面改性，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，是綠色制造的重要組成部分[1]。

45鋼是應(yīng)用較廣泛的一類碳素鋼，在航空工業(yè)中被廣泛用于夾具、模具及力學(xué)、疲勞等性能測(cè)試工裝的制作[2]，使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生斷裂、磨損失效，影響零件生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。17-4PH是一類沉淀硬化不銹鋼，具有優(yōu)良的強(qiáng)度、硬度及耐磨性和耐蝕性[3]。工業(yè)上一般選用合適的金屬材料用于修復(fù)損壞的工裝、模具，這樣既能節(jié)約工裝制造成本，又能提升工裝表面耐磨性能。本文采用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面熔覆沉積17-4PH不銹鋼，并對(duì)修復(fù)區(qū)域兩種鋼的微觀組織及顯微硬度進(jìn)行了測(cè)試。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)基材選用45鋼，材料厚度為6mm，熔覆之前用2000#砂紙進(jìn)行打磨，并依次用酒精、去離子水及丙酮擦洗干凈，放入干燥皿中備用。

17-4PH不銹鋼粉末的粒徑為50～150μm，熔覆粉末在真空干燥箱內(nèi)100℃下烘烤2h，除去熔覆粉末表面吸附的氣體和水分。選用光纖激光器（最高功率為3kW）及6軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行修復(fù)，激光熔覆試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)為：激光功率2kW，同軸送粉方式，送粉速率10g/min；激光光斑直徑3mm，掃描速率350mm/min，搭接率30%；保護(hù)氣氛為高純氬氣，送氣量為3L/min；單層熔覆金屬厚度為0.4～0.7mm，熔覆10個(gè)道次。

圖1 激光熔覆試驗(yàn)設(shè)備

修復(fù)后的金屬依次用500#、1000#及3000#砂紙打磨縱截面，拋光后用10%的硝酸酒精溶液進(jìn)行金相刻蝕并觀察金相；采用數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試修復(fù)區(qū)縱截面維氏硬度，載荷為500g，保壓時(shí)間為10s。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 金相組織

45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的縱截面金相如圖2～圖6所示。由圖2可知，熔覆層與基體之間的界面為良好的冶金結(jié)合，整個(gè)17-4PH不銹鋼熔覆層致密完整，不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷，表明激光修復(fù)參數(shù)合理；由圖3可知，基體中主要為珠光體和鐵素體，熱影響區(qū)在熔覆過(guò)程中反復(fù)受到加熱和急速冷卻，具有類似回火馬氏體的組織；由圖4可知，熔覆層（17-4PH不銹鋼）緊貼基體的部分形成了細(xì)小的等軸晶，這主要是由于首次熔覆時(shí)基體溫度較低且體積較大，熔融的17-4PH不銹鋼接觸冷基體的瞬間，熱傳導(dǎo)很快，過(guò)冷度極大，所以形成了數(shù)量眾多的細(xì)小等軸晶粒；隨著距熔覆界面距離的增加，熔覆道次也在增加，此時(shí)由于熱量積累，熔池與基體間的溫度梯度減小，過(guò)冷度降低，熔池在冷卻凝固過(guò)程中形核率下降，所以晶粒易長(zhǎng)大；由圖5可知，搭接區(qū)也有大量明顯的細(xì)小等軸晶粒，主要是由于在多道搭接熔覆過(guò)程中，先期形成的熔覆層受到后續(xù)熔覆時(shí)熱量輸入的影響，發(fā)生重熔結(jié)晶，同時(shí)，反復(fù)加熱急冷也使后一道次的熔覆對(duì)前一道次的熔覆金屬層起到了類似激光淬火的作用，在搭接區(qū)生成了細(xì)小等軸晶；由圖6可知，兩個(gè)熔覆道次的界面同樣存在由細(xì)小晶粒組成的熔覆線，熔覆線以上為等軸晶，形成該現(xiàn)象的原因同樣是熔池與上一層固體接觸時(shí)過(guò)冷度較大，易形成細(xì)小等軸晶，隨著熱量積累，在熔覆線以上形成了柱狀晶[4-8]。

圖2 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的截面總體金相組織

圖3 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的基體及熱影響區(qū)金相組織

圖4 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆層金相組織

圖5 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的搭接區(qū)金相組織

圖6 45鋼表面熔覆17-4PH不銹鋼后的熔覆道次界面層金相組織

3.2 顯微硬度

沿著基體到熔覆層上表面的方向，對(duì)45鋼基體、熱影響區(qū)及熔覆層的不同部位進(jìn)行了顯微硬度測(cè)試，如圖7所示。熔覆層與熱影響區(qū)界面處的17-4PH不銹鋼硬度最高，其次為熔覆搭接區(qū)，再次為17-4PH不銹鋼熔覆層本體，且其硬度隨著距（本體45鋼/熔覆層）界面距離的增加有微弱的下降；隨后為45鋼熱影響區(qū)，硬度最低的為45鋼基體。

圖7 激光熔覆層不同部位的顯微維氏硬度

顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，熔覆層不同部位的硬度與其熔池凝固冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度越快，獲得的硬度越高；45鋼熱影響區(qū)的硬度高于基體是因反復(fù)加熱和急冷而起到了淬火的作用[9，10]。由于17-4PH不銹鋼熔覆修復(fù)區(qū)有著比基體45鋼更高的硬度，具有比基體更優(yōu)良的耐磨性及力學(xué)性能，所以使用17-4PH不銹鋼修復(fù)45鋼工裝及模具技術(shù)可行，有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)使用17-4PH不銹鋼作為熔覆材料開(kāi)展基于45鋼基板的激光熔覆工藝試驗(yàn)，對(duì)熔覆區(qū)組織及顯微硬度進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

1）17-4PH不銹鋼熔覆層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，熔覆層中不存在氣孔、夾雜、裂紋等冶金缺陷，因此使用17-4PH不銹鋼修復(fù)45鋼是可行的。

2）由于冷卻速度快，熔覆層貼近基體的部位、使搭接區(qū)形成了細(xì)小的等軸晶；在等軸晶之上，沿著熔覆層外表面方向，由于熱量積累冷卻速度降低，所以熔覆層內(nèi)形成了柱狀晶；熱影響區(qū)形成了類似屈氏體的組織。

3）17-4P H不銹鋼熔覆層搭接區(qū)顯微硬度達(dá)到了526H V，熔覆層內(nèi)細(xì)小等軸晶區(qū)域硬度為516HV，柱狀晶區(qū)顯微硬度為496HV；45鋼熱影響區(qū)硬度為377HV，基體硬度為280HV。由此可知，17-4PPH不銹鋼修復(fù)45鋼能顯著增加其耐磨性。