17-4PH 不銹鋼激光修復(fù)E 級(jí)鋼組織及力學(xué)性能研究

崔德安,曾力榮,熊 旭,蔣士春,沈 浩,徐文盛,蔣富銀

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031; 2.南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210046）

0 引言

E 級(jí)鑄鋼作為我國軌道交通領(lǐng)域最常用的鑄鋼，屬于高強(qiáng)度低合金鑄鋼，具有高抗拉強(qiáng)度和高屈服強(qiáng)度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車軸、轉(zhuǎn)向節(jié)以及車鉤等關(guān)鍵高附加值零部件中[1-2]。零部件往往因鑄造過程產(chǎn)生裂紋、生產(chǎn)環(huán)節(jié)中拉傷、磕碰等損傷以及服役過程中腐蝕或磨損等問題造成失效[3]。

目前，再制造往往是通過增減材的方式在損傷區(qū)域恢復(fù)至原尺寸，使再制造后的零件達(dá)到甚至超過新品的質(zhì)量和性能[4]。激光沉積具有能量密度高、熱輸入小、沉積層的熱影響區(qū)較小、稀釋率較低、應(yīng)力及應(yīng)變小等優(yōu)勢；基體與沉積層界面的結(jié)合屬于結(jié)合強(qiáng)度高的冶金結(jié)合，機(jī)械臂搭配柔性激光光路傳輸可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件多形態(tài)的損傷部位的修復(fù)[5]。

激光增材再制造技術(shù)作為近年來快速發(fā)展的技術(shù)，是當(dāng)前高附加值零部件修復(fù)的重要方式和主要發(fā)展方向，該技術(shù)已應(yīng)用于航天航空、軍工、核工業(yè)、鋼鐵冶金、煤機(jī)裝備以及汽車制造業(yè)中關(guān)鍵零部件的修復(fù)和新品制備，但對(duì)軌道車輛關(guān)鍵零部件的激光增材再制造應(yīng)用和研究較少。E 級(jí)鑄鋼作為軌道交通領(lǐng)域高附加值以及高性能零部件的關(guān)鍵材料，其修復(fù)與再制造應(yīng)用目前研究還在起步階段，因此該文深入研究激光增材制造17-4PH材料修復(fù)E 級(jí)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用提供重要數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基材為150 mm×150 mm×10 mm E 級(jí)鋼樣塊，其主要成分如表1 所示。沉積實(shí)驗(yàn)前先用砂紙將基材表面打磨平整，再用酒精清洗表面污漬并與粉體材料一同真空干燥。粉末材料為17-4PH 粉末，成分如表2 所示?；某煞秩绫? 所示。17-4PH 不銹鋼粉末是采用氣霧化法制成。

表1 E 級(jí)鋼基材化學(xué)成分/(wt%)

表2 17-4PH 不銹鋼粉末化學(xué)成分/（wt%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LDF8060 激光增材制造成套裝備，光源為Laserline-LDF-6000 半導(dǎo)體6 000 W 激光器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為五軸精密機(jī)床，采用同軸送粉方式，保護(hù)氣為氬氣。

1.3 試驗(yàn)方法

為應(yīng)對(duì)實(shí)際修復(fù)過程的不同場景和研究不同幾何形狀對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，激光增材制造尺寸200 mm×60 mm×1.2 mm 的單層試樣和尺寸為200 mm×60 mm×15 mm 多層試樣，成型樣件如圖1 所示。該文中試樣力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 40737—2021 再制造激光沉積層性能試驗(yàn)方法進(jìn)行，取樣示意圖如圖2 所示。殘余應(yīng)力測試采用X 射線衍射應(yīng)力測試方法，并參照GB/T 7704—2017 執(zhí)行，測試點(diǎn)位置示意圖如圖3 所示。

圖1 增材制造沉積樣品

圖2 拉伸試樣取樣示意圖：(a)單層；(b)多層

圖3 沉積試樣殘余應(yīng)力測量點(diǎn)位置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 17-4PH 組織分析

圖4為單層和多層激光增材制造17-4PH 試樣金相，其微觀組織主要為馬氏體和碳化物析出相。由于激光增材制造過程溫度梯度大，熔池冷卻速度快，單層沉積層組織呈現(xiàn)定向凝固的特點(diǎn)，與基材搭接區(qū)域?yàn)閮?yōu)先生成平面晶，隨著極高的溫度梯度，柱狀晶開始快速生長至沉積層中部，沉積層中部熱流方向不再垂直于界面熔合線，伴隨著溫度梯度的下降，復(fù)雜的枝晶和胞狀晶開始紊亂生長，沉積層頂部溫度梯度進(jìn)一步下降，初生枝晶相互抑制生長并不斷破碎為異質(zhì)形核創(chuàng)造了有利條件，導(dǎo)致沉積層頂部生成均勻細(xì)小的等軸晶。多層激光沉積層道與道搭接之間以及層與層搭接之間有著明顯的熱影響區(qū)，沉積層內(nèi)的晶粒也更細(xì)小，這是由于快速加熱和重熔使得沉積層發(fā)生了多次相變和再結(jié)晶，晶粒被多次細(xì)化，晶體組織也呈現(xiàn)均勻化。此外，由于多層激光沉積，熱量逐層累積，多層試樣頂部晶粒發(fā)生粗化。

圖4 單層與多層激光增材17-4 試樣金相組織：(a)單層；(b)多層

2.2 力學(xué)性能分析

圖5為不同樣品應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，其中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和斷面收縮率數(shù)據(jù)為表3 所示，其中多層試樣抗拉強(qiáng)度為1 143 MPa，單層試樣抗拉強(qiáng)度為1 033 MPa，均高于E 級(jí)鋼的抗拉強(qiáng)度893 MPa。但多層試樣的屈服強(qiáng)度為777 MPa，低于單層試樣的屈服強(qiáng)度667 MPa，但高于E 級(jí)鋼的屈服強(qiáng)度560 MPa。此外，E 級(jí)鋼的斷后伸長率最高為17.5%，斷面收縮率同樣最高為36.6%，單層試樣的伸長率為15.1%，斷面收縮率為31.6%，多層試樣的伸長率最低13.5%，斷面收縮率最低為21.5%。

圖5 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

表3 拉伸性能數(shù)據(jù)

2.3 殘余應(yīng)力分析

表4、圖6 為增材試樣的殘余應(yīng)力測試結(jié)果：單層激光增材試樣縱向平均殘余應(yīng)力為96.2 MPa，橫向平均殘余應(yīng)力為162.4 MPa；多層激光增材試樣縱向平均殘余應(yīng)力為293.8 MPa，橫向平均殘余應(yīng)力為427.2 MPa。多層增材試樣和單層增材試樣的縱向殘余應(yīng)力均小于橫向殘余應(yīng)力，也就是激光掃描方向殘余應(yīng)力值高于垂直方向，這是由于熔池溫度梯度方向與激光掃描方向一致，導(dǎo)致激光掃描方向溫度梯度最大，熔池凝固速率最快，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。此外，熔池在垂直于沉積方向受表面張力影響，晶粒變形及移動(dòng)的阻力較大，抑制了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。多層激光增材制造試樣殘余應(yīng)力值大于單層激光增材制造試樣，這是由于當(dāng)熔池處于液態(tài)時(shí)，溫度梯度最大，材料膨脹最顯著，受到基板以及已凝固固態(tài)金屬制約，會(huì)形成瞬時(shí)壓應(yīng)力，當(dāng)激光光源發(fā)生移動(dòng)，熔池在極短的速度下凝固收縮，晶粒由熔池底部向頂部生長，形成拉應(yīng)力，隨著下一層重復(fù)的加熱、凝固過程，拉應(yīng)力逐層累積，導(dǎo)致多層激光增材試樣表面殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于單層激光增材試樣。

圖6 激光增材試樣殘余應(yīng)力值

2.4 顯微硬度分析

圖7為激光增材制造17-4PH 試樣顯微硬度統(tǒng)計(jì)圖，單層增材制造試樣的顯微硬度值最高，平均硬度為432.7 HV，多層增材制造試樣的平均顯微硬度值為400.3 HV，E 級(jí)鋼的顯微硬度最低，平均為272.7 HV。相比于E 級(jí)鑄鋼，單層和多層激光沉積17-4PH 試樣顯微硬均有提升。單層激光沉積層表面由細(xì)小的等軸晶組成，顯微硬度相對(duì)較高；枝晶內(nèi)組織較為紊亂導(dǎo)致硬度分布不均；多層激光沉積層表層到熱影響區(qū)硬度逐漸升高，由于熱影響多次重熔再結(jié)晶產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

圖7 顯微硬度統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)論

（1）多層增材與單層增材試樣成型效果良好，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)細(xì)小致密，無裂紋、氣孔等缺陷，單層表層晶粒小于多層試樣。沉積層組織從表層沿深度方向依次為等軸晶、樹枝晶和胞狀晶組織。

（2）多層激光增材試樣抗拉強(qiáng)度為1 143 MPa，單層試樣抗拉強(qiáng)度為1 033 MPa，均高于E 級(jí)鋼的抗拉強(qiáng)度893 MPa。但多層試樣的屈服強(qiáng)度為777 MPa，低于單層試樣的屈服強(qiáng)度667 MPa，但高于E 級(jí)鋼的屈服強(qiáng)度560 MPa。E 級(jí)鋼的伸長率最高為17.5%，斷面收縮率也同樣最高。說明多層激光增材修復(fù)并不會(huì)降低材料整體的抗拉強(qiáng)度，但隨著抗拉強(qiáng)度的升高，塑性隨之下降。

（3）增材試樣表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，且激光掃描方向殘余應(yīng)力大于垂直方向，沉積層表面殘余拉應(yīng)力隨著激光多層沉積而逐層累積，導(dǎo)致多層激光增材制造試樣殘余應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層激光增材制造試樣。由于細(xì)晶強(qiáng)化作用，單層增材制造試樣的顯微硬度值最高。綜上所述，激光增材制造17-4PH 不銹鋼修復(fù)E 級(jí)鋼抗拉強(qiáng)度和表面硬度均有所提升，但沉積層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。