激光重熔功率對(duì)不銹鋼改性層性能影響研究

陳遠(yuǎn)龍，劉金洋，李 翔，張亦弛，完顏紹旗

（ 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥 230009 ）

316L 不銹鋼具備較佳的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域， 隨著316L 不銹鋼應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛， 對(duì)其表面耐腐蝕能力也提出更高的要求。 目前改變材料表面特性的技術(shù)有化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、激光表面改性等。由于前三種技術(shù)工藝較為復(fù)雜， 導(dǎo)致316L 不銹鋼表面改性的成本較高。

激光重熔技術(shù)是一種低成本的表面改性技術(shù)，通過(guò)高能量激光束在合金表面不間斷掃描形成較薄的改性層， 利用基體熱傳導(dǎo)作用使熔池中的金屬液快速冷卻、凝固，從而細(xì)化合金組織，減少偏析，形成高度過(guò)飽和固溶體等亞穩(wěn)定相乃至非晶態(tài)， 提高工件表面的硬度與耐腐蝕性能等[1-2]。 Pei 等[3]對(duì)比研究了激光重熔Q235 鋼和激光熱噴涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂層在摩爾濃度0.5 mol/L 的NaCl 溶液中腐蝕性能的影響；結(jié)果表明，激光熱噴涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂層生成鈍化膜的密度缺陷高于激光重熔涂層，耐腐蝕性較弱，這是由于激光重熔過(guò)程中生成了致密的鈍化膜抑制了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，從而提高了耐腐蝕性。 李鵬等[4]采用激光重熔技術(shù)對(duì)304 不銹鋼表面進(jìn)行處理，利用光學(xué)顯微鏡和能譜儀分析重熔層的微觀組織，并分析不銹鋼重熔前后的耐腐蝕性能的變化；結(jié)果表明，激光重熔處理304 不銹鋼表面可以細(xì)化晶粒、改變微觀組織，從而提高其耐腐蝕性能。王建剛等[5]通過(guò)在A356 鋁合金上選用不同激光功率進(jìn)行激光重熔試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量顯微硬度發(fā)現(xiàn)激光表面重熔后試件表面硬度有顯著的提升，同時(shí)發(fā)現(xiàn)激光重熔區(qū)中細(xì)晶強(qiáng)化及第二相彌散強(qiáng)化增加了激光重熔區(qū)的表面強(qiáng)度，延遲了激光重熔區(qū)中第一次裂紋的發(fā)生，激光重熔區(qū)與基體具有非常好的冶金結(jié)合能力，平均孔隙率非常低。 傅衛(wèi)等[6]通過(guò)激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)，在對(duì)激光熔覆修復(fù)過(guò)程進(jìn)行最優(yōu)控制的條件下，獲得了界面結(jié)合良好、耐腐蝕性和耐磨損性均符合要求的激光熔覆修復(fù)試樣。

本文以316L 奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象， 通過(guò)激光重熔技術(shù)制備表面質(zhì)量較好的改性層，研究激光功率對(duì)該材料微觀組織的影響，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的海鹽溶液（含Cl-、NO3-及SO42-等離子）中測(cè)試重熔處理后的改性層耐腐蝕性能，為不銹鋼耐腐蝕性能的工藝優(yōu)化和組織調(diào)控機(jī)理提供參考。

1 激光重熔溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析

1.1 熱源模型的建立

激光作為熔化金屬材料表面的能量輸入，在數(shù)值模擬過(guò)程中移動(dòng)熱源模型的選擇將影響金屬表面熔化過(guò)程中計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。 研究表明，高斯熱源模型能更加貼近激光重熔工藝熱源的狀況[7-10]，其方程式為：

式中：q為該區(qū)域液相熱流密度；η 為激光熱源利用率；p為激光功率；R為激光光斑有效半徑；r為基體材料上一點(diǎn)與激光光斑中心距離。 仿真模擬的激光高斯面熱源模型分布見(jiàn)圖1。

圖1 高斯面熱源模型

在分析激光重熔的溫度場(chǎng)時(shí)，忽略動(dòng)量邊界，主要考慮能量邊界。試樣初始溫度設(shè)定為室溫300 K，設(shè)定底面與對(duì)稱面為絕熱條件，其他表面以對(duì)流和輻射邊界條件為主。 激光重熔過(guò)程中的熱量損失主要由工件表面與周?chē)h(huán)境的熱對(duì)流和熱輻射導(dǎo)致。316L 不銹鋼熱物理屬性見(jiàn)表1。

表1 316L 不銹鋼材料熱物性參數(shù)

綜合考慮激光重熔過(guò)程中的熔化、凝固、相變等復(fù)雜物理化學(xué)現(xiàn)象， 本文在對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬時(shí)做出如下假設(shè)： ①工件的初始溫度設(shè)定為300 K，材料各向同性；②激光作用于模型表面的吸收率恒定，不隨時(shí)間發(fā)生變化；③不考慮材料表面受熱變形的影響。 根據(jù)以上條件，建立激光重熔316L 不銹鋼物理模型見(jiàn)圖2。

圖2 激光輻照316L 不銹鋼熱作用理論模型

1.2 激光功率對(duì)溫度分布規(guī)律的影響

保持激光掃描速度20 mm/s、掃描間距10 μm，其他條件不變， 改變激光功率為3、5、7、9 W 時(shí)，分別進(jìn)行激光重熔熔池溫度的數(shù)值模擬， 得到不同激光功率下熔池溫度的分布云圖（圖3）。

圖3 不同激光功率下熔池溫度分布

由圖3 可見(jiàn)，隨著激光功率不斷增大，熔池的幾何尺寸不斷增大，激光熔池的表面形貌向上微微凸起，這是由于隨著激光功率增加，熔池的溫度逐漸增加，較高的激光功率時(shí)熔池的金屬液體有向汽化的發(fā)展趨勢(shì)。 當(dāng)激光功率約3 W 時(shí)，熔池溫度達(dá)到臨界熔點(diǎn)；當(dāng)激光功率約5 W 時(shí)，熔池的溫度較穩(wěn)定，處于液相飽和區(qū)，沒(méi)有明顯的溫度波動(dòng)；當(dāng)激光功率約9 W 時(shí)，熔池的金屬達(dá)到熔點(diǎn)后，熔池溫度波動(dòng)較劇烈，改性層表面易產(chǎn)生微裂紋等缺陷。綜合圖4不同激光功率下的熔池溫度， 在激光功率約5 W時(shí)，熔池溫度較穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的波動(dòng)情況，在此激光功率參數(shù)下制備的改性層表面質(zhì)量理論上較佳。

圖4 不同激光功率下熔池的溫度變化

2 激光重熔試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)裝置與基體材料

試件基體材料為316L 不銹鋼， 所選試件尺寸大小為10 mm×10 mm×3 mm。 將基材表面逐級(jí)打磨至2 000#， 放置于超聲清洗機(jī)用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)并自然風(fēng)干，再利用激光重熔技術(shù)進(jìn)行改性層制備， 最終通過(guò)電化學(xué)工作站進(jìn)行耐腐蝕性能試驗(yàn)，試驗(yàn)整體流程見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)流程圖

通過(guò)能譜儀與掃描電子顯微鏡測(cè)定316L 不銹鋼基體材料所包含元素種類、表面微觀形貌，相關(guān)元素含量見(jiàn)表2。采用納秒脈沖光纖激光器（1064 nm）進(jìn)行樣品表面重熔處理，掃描速度固定為20 mm/s，激光功率為3、5、7、9 W， 得到4 份用以測(cè)試的激光重熔改性層樣品。

表2 316L 不銹鋼材料化學(xué)成分

2.2 改性層表面微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡觀察分析激光重熔316L不銹鋼改性層， 得到不同激光功率下改性層表面微觀形貌見(jiàn)圖6。當(dāng)激光功率為3 W 時(shí)，不銹鋼表面改性程度不高，基體材料熔化少，材料汽化程度相對(duì)較弱， 主要是對(duì)基體表面的熔融氧化， 熔融氧化層較薄，這是由于基體材料融化少，材料殘?jiān)^少，改性層表面質(zhì)量較好。 由各元素在改性層表面的分布情況可知，該熔融氧化層主要為Cr 和Fe 的氧化物。當(dāng)激光功率為5 W 時(shí)，改性層表面呈現(xiàn)出較明顯的重熔狀態(tài)，分析認(rèn)為激光到達(dá)不銹鋼表面時(shí)，激光能量基本被吸收與散射，使被處理區(qū)域的材料發(fā)生熔融、汽化，部分區(qū)域的基材熔融、汽化后冷卻，從而使材料表面微觀區(qū)域呈現(xiàn)出相對(duì)規(guī)則的形貌特征。

圖6 不同激光功率下的改性層表面微觀形貌

隨著激光功率繼續(xù)增加到9 W， 不銹鋼材料表面單位面積內(nèi)積累了大量能量致使材料去除， 使得材料在過(guò)高溫度下汽化，材料表面存在大量的塊狀熔融物而產(chǎn)生堆積形貌，改變周?chē)牧系男再|(zhì)，破壞已生成的改性層。 如圖7 所示，該過(guò)程材料的去除機(jī)制為相爆炸與汽化共同作用，溫度梯度較大，材料內(nèi)部受熱應(yīng)力不平衡影響，改性層表面存在微裂紋。

圖7 改性層燒蝕

2.3 改性層物相組成分析

表3 是316L 不銹鋼在不同激光功率下形成改性層通過(guò)能譜儀采集的元素含量對(duì)比，改性層的主要元素為O、Cr、Ni 及Fe，結(jié)合表1 可知改性層中有氧化物存在。 隨著激光功率增大，改性層的Cr 元素含量先增加后減少，與O 元素結(jié)合成Cr2O3。

表3 不同激光功率下改性層表面元素分布

通過(guò)圖8 更直觀的截面微觀形貌來(lái)觀察不同激光功率下制備的改性層。 可知激光功率為5 W 時(shí)，組織結(jié)構(gòu)較致密，缺陷較少。由于基體Ni 和Fe 的含量較多，可以推斷Fe 元素在微觀下表現(xiàn)為由基體逐漸向熔池增大， 在結(jié)果上表達(dá)為改性層和基體之間達(dá)到冶金結(jié)合的程度。

圖8 不同激光功率下改性層截面微觀形貌及元素分布

在激光作用下， 不銹鋼表面材料熔化會(huì)在自身重力和表面張力作用下產(chǎn)生馬蘭戈尼對(duì)流效應(yīng)，將合金元素固溶于奧氏體中， 不斷提高奧氏體的穩(wěn)定性，還使固溶體中的Cr 元素和O 元素結(jié)合成Cr2O3，達(dá)到提高材料表面耐腐蝕性能的作用， 其形成過(guò)程示意見(jiàn)圖9。

圖9 馬蘭戈尼對(duì)流擴(kuò)散溶質(zhì)分布

圖10 是不同激光功率下的316L 不銹鋼XRD圖譜。 可見(jiàn)， 經(jīng)不同激光功率處理的改性層均存在（111）、（200）和（220）衍射峰，表面改性層的物相主要由奧氏體與鐵素體組成， 并且?jiàn)W氏體峰面積遠(yuǎn)大于鐵素體，這說(shuō)明奧氏體相對(duì)含量多于鐵素體。這主要是由于316L 不銹鋼中含有大量的Cr、Ni 等元素，基體相由α-Fe 向γ-Fe 轉(zhuǎn)變； 隨著激光功率增大，（111） 衍射峰半寬比不斷增大， 表明γ-Fe 含量增大，可間接預(yù)測(cè)其耐腐蝕性能得到提高；但隨著功率繼續(xù)增加，（111）衍射峰半寬比開(kāi)始減少，表明γ-Fe含量減少，耐腐蝕性能具有降低趨勢(shì)。

圖10 不同激光功率下試樣的XRD 衍射圖

2.4 改性層耐腐蝕性能分析

圖11 是采用電化學(xué)三電極體系測(cè)試316L 不銹鋼基體在不同激光功率下改性層的極化曲線，電壓掃描范圍為-2～2 V，掃描速率為5 mV/s。 表4 是通過(guò)計(jì)算得到改性層的自腐蝕電壓和電流密度數(shù)據(jù)，可見(jiàn)隨著激光功率的增大，改性層的自腐蝕電位呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，而其自腐蝕電流密度則先減少后增大，表明隨著激光功率增大，耐腐蝕性能先提升后下降。

表4 不同激光功率下改性層的自腐蝕電壓和電流密度

圖11 不同激光功率下改性層的極化曲線

再次分析微觀組織，在激光作用下，表面材料熔化產(chǎn)生的馬蘭戈尼效應(yīng)將不銹鋼材料中的Cr、Mn等元素固溶于奧氏體中，產(chǎn)生的改性層中Cr、Mn 等較多，且由于激光的熱作用可使不銹鋼的晶核變大、晶粒細(xì)化，產(chǎn)生的改性層微觀組織較致密，見(jiàn)圖12。

圖12 激光作用下奧氏體不銹鋼晶粒細(xì)化過(guò)程

3 結(jié)論

基于激光重熔原理研究了不同激光功率對(duì)316L 不銹鋼表面改性層的微觀結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在激光重熔不銹鋼表面成分中，氧元素含量大幅增加。 這是生成了一層覆蓋在金屬表面的鉻和鐵氧化物，激光重熔前后發(fā)生了α-Fe 相向γ-Fe 相的物相轉(zhuǎn)變。

（2）當(dāng)激光功率為5 W 時(shí)，改性層表面呈現(xiàn)出較為明顯的微觀重熔形貌狀態(tài)； 激光功率增至9 W時(shí)， 材料表面存在大量的塊狀熔融物， 產(chǎn)生堆積形貌，材料內(nèi)部熱應(yīng)力梯度較大，改性層表面存在微裂紋與熔渣堆積，破壞改性層表面質(zhì)量，進(jìn)而影響其耐腐蝕性能。

（3）隨著激光功率的增大，改性層的自腐蝕電位呈先增大后減少趨勢(shì)，在5 W 激光功率下改性層自腐蝕電位較基體正移0.157 V，自腐蝕電流密度較基體提高8.68×10-5A/cm2，此時(shí)的抗腐蝕性能最佳。

（4）在激光作用下，不銹鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)更致密，晶核變大、晶粒細(xì)化，同時(shí)316L 不銹鋼表面材料中的Cr、Mn 等元素固溶于奧氏體，可產(chǎn)生微觀組織較致密且耐腐蝕元素含量較多的改性層。