316L不銹鋼激光瞬時退火軟化工藝研究

蔣可靜，王梁，張群莉，胡勇，姚建華，劉蓉

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316L不銹鋼激光瞬時退火軟化工藝研究

蔣可靜1a,1b，王梁1a,1b，張群莉1a,1b，胡勇1a,1b，姚建華1a,1b，劉蓉1a,2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) a.激光先進制造研究院 b.機械工程學(xué)院，杭州 310023； 2.卡爾頓大學(xué) 機械和航空工程系，加拿大 渥太華 KIS 5B6）

解決沖壓中加工硬化導(dǎo)致的高強度低塑性的問題。提出以矩形光斑的溫控模式激光為熱源，對工件進行選區(qū)瞬時退火，達到局部軟化的目的。通過金相顯微分析、顯微硬度分析、力學(xué)拉伸及斷口分析，分別評價激光瞬時退火軟化后試樣顯微組織、顯微硬度、抗拉強度、斷后伸長率和斷口形貌。金相組織顯示，不同工藝條件下的晶粒大致呈現(xiàn)變形晶粒、再結(jié)晶晶粒、細小晶粒和較大等軸晶4種狀態(tài)。由顯微硬度可知，固溶態(tài)母材硬度為173HV0.2，加工硬化后達到341HV0.2。當激光溫控溫度為1400 ℃，掃描速度分別為5、10、15 mm/s時，軟化處理后硬度分別為164、173、257HV0.2。而掃描速度一定時，激光溫控溫度越高，軟化處理后硬度越低。對試樣做室溫拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，激光瞬時退火后強度降低，塑性提高。當溫控溫度為1400 ℃，掃描速度為5 mm/s時，抗拉強度由加工硬化后的911 MPa下降到591 MPa，接近固溶態(tài)母材的570 MPa，斷后伸長率由18.2%恢復(fù)到54.7%，達到固溶態(tài)母材的95.5%。激光瞬時退火軟化可有效降低加工硬化后的材料強度，提高材料塑性，使其恢復(fù)大變形能力。其軟化程度隨激光溫控溫度的降低、激光掃描速度的提高而降低，在較優(yōu)工藝參數(shù)下，激光瞬時軟化后性能甚至優(yōu)于母材性能。

316L不銹鋼；激光熱處理；選區(qū)退火軟化；晶粒形貌；強度與塑性

沖壓成形以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域中。然而，沖壓過程中，金屬會發(fā)生明顯的加工硬化，塑性和韌性急劇下降，在變形過程中或變形一段時間后容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，嚴重影響零件的服役安全和服役壽命。因此，沖壓工藝要求在工序間進行軟化退火，才能進行下一道加工[1-3]。目前，常用的退火工藝包括整體退火、火焰加熱退火和感應(yīng)加熱退火等。盡管上述退火工藝可以實現(xiàn)軟化的目的，但退火過程往往具有能耗高、工件易變形、退火軟化穩(wěn)定性較差等缺點。

近幾年，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光退火軟化技術(shù)逐漸成為研究熱點。國外學(xué)者S. Yang等[4]通過激光熔凝和退火復(fù)合工藝對304不銹鋼進行處理，獲得了低變形、耐晶間腐蝕的試樣。Tsay L W等[5]研究了通過激光退火處理提高超高強度馬氏體時效鋼中的耐氫脆性。國內(nèi)楊高林等[6]利用半導(dǎo)體激光對發(fā)生加工硬化的不銹鋼容器器壁進行了激光軟化處理，研究了加工硬化區(qū)域材料在激光條件下的組織相變與再結(jié)晶現(xiàn)象。楊立軍等[7]利用激光加熱引起的軟化特性，研究了激光加熱輔助切削（LAM）技術(shù)的溫度場變化、切削形態(tài)和表面形貌。而國內(nèi)外學(xué)者對激光軟化特性的研究大部分是在恒定激光功率輸出模式下進行。該模式下，當遇到傳熱邊界發(fā)生大幅變化時（如接近試樣邊緣），容易形成熱量積累而導(dǎo)致該處溫度急劇升高，從而影響熱處理質(zhì)量。近幾年，溫度可控的激光處理系統(tǒng)發(fā)展迅速[8-10]。胡曉冬等[11]搭建了由大功率半導(dǎo)體激光器、測溫儀和WAGO通訊模塊等組成的激光加工系統(tǒng)，基于Lab Windows/CVI交互軟件開發(fā)環(huán)境，提出了激光加工過程中加工溫度的控制方法，通過溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)激光功率，確保輻照區(qū)域的溫度恒定。溫控模式激光熱處理可簡化工藝摸索，且可使處理區(qū)域的溫度實現(xiàn)精確控制。同時，激光光束的光斑形狀及其能量分布對激光熱處理性能的影響極大[12]。因此，矩形光斑的溫控模式激光可以有效避免傳統(tǒng)功率控制模式激光中存在的能量分布不均、邊緣過燒、不同激光器存在不同最優(yōu)工藝等問題。但針對恒定溫度模式激光退火軟化的影響機制與工藝規(guī)律仍未見報道。

本文提出以溫控模式激光為熱源，對試樣進行局部非平衡退火，以達到選區(qū)軟化的目的。在此基礎(chǔ)上，通過金相分析、硬度分析、拉伸性能分析和斷口分析來研究激光瞬時軟化的效果，從而得到激光控制溫度和掃描速度對激光瞬時軟化效果的影響機制，并總結(jié)出溫控模式下激光瞬時軟化處理的工藝規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用自行開發(fā)的激光加工平臺，其硬件結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，主要包括激光發(fā)生器、激光頭、測溫傳感器、機械臂及其控制器、工業(yè)主機等。該激光加工平臺可實現(xiàn)加工過程中材料表面溫度的實時控制，平臺溫度最大超調(diào)量為1.5%，穩(wěn)態(tài)均方根誤差在2.22 ℃以內(nèi)[11]。實驗材料為316L不銹鋼熱軋板，初始厚度為3 mm，其成分見表1。

圖1 激光加工平臺

表1 316L不銹鋼成分

Tab.1 Composition of 316L stainless steel wt.%

1.2 實驗方案

本實驗在室溫條件（25 ℃）下進行，實驗中保持激光器離焦量一致，為了使激光能量均勻分布在待處理區(qū)以得到均勻的軟化效果，故使用矩形光斑，尺寸為14 mm×8 mm。激光功率由控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的處理溫度與試樣表面的實際溫度自動調(diào)節(jié)。本實驗設(shè)計包括固溶態(tài)母材、預(yù)拉伸對照樣和激光處理組三部分：固溶態(tài)母材為固溶處理的316L不銹鋼，記為OR組；預(yù)拉伸對照樣在固溶態(tài)母材基礎(chǔ)上做預(yù)拉伸處理，以模擬加工硬化，記為PT組；激光處理組在預(yù)拉伸基礎(chǔ)上分別設(shè)定激光控制溫度為1450、1400、1350 ℃，每個溫度下設(shè)置掃描速度為5、10、15 mm/s三組，各組別工藝參數(shù)見表2。上述固溶處理工藝為：1050 ℃保溫10 min后水冷，預(yù)拉伸處理均控制形變量為50%，激光處理前試樣均不涂吸光涂料。

表2 316L不銹鋼激光軟化的工藝參數(shù)

Tab.2 Processing parameters of laser softening on 316L stainless steel

以試樣縱截面為分析面，通過制樣、預(yù)磨、拋光，并用王水腐蝕，再用Axio Imager2型ZEISS光學(xué)顯微鏡和HMV-2TADWXY型自動式維氏硬度計（加載載荷為1.96 N，加載時間10 s）分析縱截面的金相組織及顯微硬度，文中所標硬度值均為同一區(qū)域3次測量的平均值。圖2為本實驗所用拉伸試樣的具體尺寸，試樣尺寸的參照標準為GB/T 228.1—2010，試樣中間平行段的紅色虛線框區(qū)域為激光加工區(qū)，激光掃描方式為單道掃描。拉伸試驗采用SANS公司生產(chǎn)的電子萬能試驗機SANS-E45，并用ZEISS EVO18型ZEISS掃描電鏡進行拉伸斷口分析。

圖2 拉伸試樣尺寸（mm）

2 實驗結(jié)果分析

2.1 顯微硬度分析

圖3為不同工藝處理后，試樣深度方向上的顯微硬度分布。實驗表明，預(yù)拉伸后試樣的平均硬度為341HV0.2，相比于固溶態(tài)母材的平均硬度（171HV0.2）高出一倍，初步說明預(yù)拉伸可以模擬沖壓中的加工硬化。當激光溫控溫度為1450 ℃（見圖3a），掃描速度為5 mm/s和10 mm/s時，其硬度明顯下降，甚至低于母材硬度，軟化效果明顯。進一步提高掃描速度至15 mm/s，其軟化程度隨深度的增加而減小，說明已處于臨界狀態(tài)。此外，5 mm/s和10 mm/s時硬度改變不明顯，15 mm/s時硬度變化較大，說明掃描速度越快，其對軟化程度的影響越大，軟化程度減弱越快。當保持掃描速度一致時，從圖3可知，激光溫控溫度越低，硬度下降越少，軟化程度越低。如掃描速度為15 mm/s時，A3組最高硬度為238HV0.2，B3組最高硬度為291HV0.2，C3組硬度進一步提高為293HV0.2。說明掃描速度一致時，溫控溫度越高，其對軟化程度的影響越大，即軟化程度提高越明顯。

本文認為激光溫控溫度、激光掃描速度、軟化程度三者間的關(guān)鍵點在于激光、材料兩者間作用時間長短與瞬時熱輸入量的大小。激光溫控溫度一定，可以認為加工過程中材料表面的溫度保持恒定，此時，掃描速度就決定了材料中某點在光斑區(qū)域內(nèi)的停留時間。由于光斑為矩形光斑且尺寸一定，所以掃描速度越快，停留時間就越短，而激光處理時間越短，材料的回復(fù)與再結(jié)晶時間就越短，進而使軟化程度減小。由實測硬度可知，當掃描速度為10 mm/s時，A2組平均硬度為168HV0.2，B2組平均硬度為173HV0.2，C2組平均硬度為175HV0.2，與固溶態(tài)母材硬度（171HV0.2）比較可知，掃描速度為10 mm/s時，激光軟化后硬度降低至母材硬度的臨界工藝參數(shù)在1450 ℃與1400 ℃之間。為量化文中提到的軟化程度，本文提出硬度指標下的軟化程度，見表達式（1）：

式中：為軟化程度；預(yù)拉為預(yù)拉伸后平均硬度；處理為激光處理后硬度穩(wěn)定階段的平均值；原始為固溶態(tài)母材的平均硬度。

利用表達式（1）分別計算各工藝參數(shù)下的軟化程度，并利用MATLAB對計算值進行曲線擬合，可得一條軟化程度為100%的工藝參數(shù)曲線，見表達式（2）：

式中：為激光掃描速度；為激光溫控溫度。在合理范圍內(nèi)，用該曲線上工藝參數(shù)實驗得到的硬度指標下的軟化程度為100%。

圖3 不同工藝條件下固溶態(tài)母材、預(yù)拉伸對照樣與激光處理組深度方向上的硬度值

Fig.3 Hardness of the solid solution state base metal, pre-stretched control group and laser treatment group in the depth direction under different process conditions: a) group A (1450 ℃); b) group B (1400 ℃); c) group C (1350 ℃)

2.2 金相顯微組織分析

由硬度分析可得，316L不銹鋼激光瞬時退火軟化程度與總熱輸入量相關(guān)。本文涉及的參數(shù)有溫控溫度和掃描速度，可等效成瞬時熱輸入量與熱輸入時間，綜合考慮就是總熱輸入量。而總熱輸入量的大小除了與激光工藝參數(shù)有關(guān)，還與到材料表面的距離有關(guān)，深度越深，總熱輸入量越低。結(jié)合本文采用回復(fù)再結(jié)晶原理以解決沖壓中高強度低塑性的問題，其機理見圖4。沖壓后材料發(fā)生冷變形，導(dǎo)致加工硬化，使晶粒被拉長，并產(chǎn)生不同取向的滑移帶，甚至出現(xiàn)交叉滑移。隨著熱輸入量的增加，開始再結(jié)晶形核，同時滑移帶減少；進一步增加熱輸入量，再結(jié)晶晶粒增多，直到所有晶粒均為新長出的再結(jié)晶晶粒，此時晶粒較小且均勻；繼續(xù)增加熱輸入量，開始進入晶粒長大階段。由于發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，材料的強度得到降低，塑性得到提高，達到了軟化的效果。

為從金相顯微組織中得到進一步驗證，本文選取最有代表性的B組進行金相分析。圖5a為固溶態(tài)母材的顯微金相圖，可以看到母材上中下部均由等軸晶構(gòu)成，為典型奧氏體組織。此外，從中還可以看到較多的孿晶和平直的孿晶界，且存在混晶現(xiàn)象，有個別晶粒異常長大[13]。圖5b為預(yù)拉伸對照樣的顯微金相圖，可以看到晶粒被拉長，退火孿晶界破碎。預(yù)拉伸后，316L中各晶粒發(fā)生了滑移變形，出現(xiàn)明顯的滑移帶，部分晶粒可見明顯的平行滑移線。由于預(yù)拉伸形變量較大，滑移線密度大，啟動滑移的晶粒數(shù)較多，一些晶粒中甚至出現(xiàn)了交叉滑移。從而可知，預(yù)拉伸導(dǎo)致晶粒變形，使晶粒細化，而且滑移系的增多進一步增大了形變抗力，從而導(dǎo)致強度指標提高，塑性指標急劇下降。這進一步印證了上文預(yù)拉伸后硬度指標的提高。

根據(jù)顯微硬度的結(jié)果，在相同的激光溫控溫度下，掃描速度越快，激光瞬時軟化程度越弱。圖6為激光處理B組的顯微組織圖，其控制溫度為1400 ℃，掃描速度分別為5、10、15 mm/s。如圖6a所示，B1組掃描速度最慢，熱輸入時間最久，可以發(fā)現(xiàn)上中下部均為等軸奧氏體組織，且晶粒較大，與母材尺寸接近，但存在混晶現(xiàn)象，部分晶粒異常長大，說明熱輸入量已過高。由圖6b可知，B2組試樣上表面由于激光直接作用，熱輸入量較大，已產(chǎn)生回復(fù)與再結(jié)晶，并有晶粒長大的趨勢；但隨著深度增加，熱輸入量減少，晶粒尺寸減小，說明試樣發(fā)生了不同程度的晶粒長大。同時，該工藝參數(shù)下，已看不到預(yù)拉伸產(chǎn)生的密集滑移線。B3組上表面雖已發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，但晶粒尺寸與母材相比偏小，且試樣中部仍處于再結(jié)晶的臨界狀態(tài)；而試樣下部存在較多的晶粒變形與滑移帶，但一部分晶粒由于自由能較低，在較低的溫度作用下也發(fā)生了回復(fù)，滑移線減少，如圖6c所示。

圖4 回復(fù)再結(jié)晶機理圖

圖5 高低倍下的顯微組織

圖6 激光處理B組（溫控溫度為1400 ℃）高低倍下的顯微組織

結(jié)合B2組的硬度結(jié)果，可以印證激光瞬時軟化作用下，硬度下降階段主要處于再結(jié)晶階段。而晶粒大小會直接影響材料的綜合力學(xué)性能，這是由于晶粒小且均勻時，起到細晶強化的作用[14]。晶粒細化不僅能夠增大材料的強度，提高低周疲勞性能[15]，而且由于晶粒變小，發(fā)生塑性變形時形變量可以均勻分散到更多晶粒中，使塑形變形更均勻，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而提高塑性、韌性[16]。所以，為保證激光瞬時退火軟化后材料具有良好的塑性，應(yīng)避免晶粒尺寸過大，故應(yīng)避免處理過程熱輸入量過大。

2.3 拉伸性能及斷口分析

金屬材料在冷加工后，變形抗力和強度隨變形而增加，塑性指標（%和%）降低。而激光處理可讓材料發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，使其恢復(fù)塑性指標，得到良好的變形能力，從而進行下一道加工。為進一步研究激光瞬時退火軟化處理后試樣強度與塑性的改善情況，通過室溫拉伸實驗和拉伸斷口分析定量和定性地評定不同工藝激光處理后的軟化效果。圖7為不同工藝處理后拉伸強度與斷后伸長率的統(tǒng)計結(jié)果。從中可知，預(yù)拉伸對照樣抗拉強度高達911 MPa，斷后伸長率僅為18.2%；而固溶態(tài)母材抗拉強度為570 MPa，斷后伸長率為57%。相同溫控溫度下，掃描速度越快，抗拉強度越高，斷后伸長率越低，軟化效果越弱；而相同掃描速度情況下，溫控溫度越低，抗拉強度越高。其中B1組的抗拉強度由911 MPa下降到591 MPa，接近固溶態(tài)母材強度，斷后伸長率由18.2%恢復(fù)到54.7%，達到固溶態(tài)母材的95.5%。

結(jié)合金相圖與硬度分析可知，溫控溫度越高，掃描速度越慢，也就是熱輸入量增加，變形晶粒和滑移系消失，晶粒尺寸增大，回復(fù)再結(jié)晶更充分，導(dǎo)致抗拉強度降低。而回復(fù)再結(jié)晶越充分，其斷后伸長率越高，即塑性恢復(fù)越明顯。圖7b中，雖然B2組、C2組溫控溫度低于A2組，但其斷后伸長率高于A2組，這是由晶粒細化引起塑性提高導(dǎo)致的。

316L不銹鋼斷口為塑性韌窩狀，韌窩尺寸越大，即平均直徑越大，深度越深，材料的塑性性能越好[17]。選取固溶態(tài)母材、預(yù)拉伸組和B1組（1400 ℃, 5 mm/s）的斷口進行分析，圖8為各組拉伸斷口的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，三種試樣斷口均為韌窩狀，固溶態(tài)母材韌窩大而深，撕裂棱較細（見圖8a），表現(xiàn)為良好的塑性。預(yù)拉伸對照樣韌窩平均尺寸較小（見圖8b），這是由于冷變形使塑性急劇下降導(dǎo)致的。而B1組斷口形貌改變，韌窩大而深，且為拋物線型（見圖8c），表明B1組具有良好的塑性。由拉伸性能分析可知，激光非平衡退火軟化工藝可有效降低抗拉強度，提高斷后伸長率，較優(yōu)工藝參數(shù)下甚至優(yōu)于固溶態(tài)母材。

圖7 316L不銹鋼試樣的拉伸性能

圖8 不同工藝條件下的拉伸斷口

3 結(jié)論

1）在激光瞬時退火軟化中，當溫控溫度為1350~ 1450 ℃，掃描速度為5~15 mm/s時，激光控制溫度越高或激光掃描速度越慢，也就是瞬時熱輸入量越大或熱輸入時間越長，即總熱輸入量越大，其軟化程度就越大。

2）激光溫控溫度對軟化程度的影響作用隨溫控溫度的降低而降低，掃描速度對軟化程度的影響作用隨掃描速度的提高而增加。

3）當溫控溫度為1400 ℃，掃描速度為5 mm/s時，激光處理后平均硬度由加工硬化后的341HV0.2降低至164HV0.2，低于母材的171HV0.2；抗拉強度由加工硬化后的911 MPa下降到591 MPa，接近固溶態(tài)母材的570 MPa；斷后伸長率恢復(fù)到54.7%，達到固溶態(tài)母材的95.5%。

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Laser Annealing and Softening Process of 316L Stainless Steel

1a,1b,1a,1b,1a,1b,1a,1b,1a,1b,1a,2

(1.a.Institute of Laser Advanced Manufacturing, b.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2.Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Carleton University, Ottawa KIS 5B6, Canada)

The work aims to solve the problem of excessive strength and low plasticity caused by hardening in stamping. The temperature-controlled mode laser with a rectangular spot was used as the heat source. The workpiece was subjected to instantaneous annealing in the selected area to achieve local softening. The metallographic microscopic analysis, microhardness analysis, mechanical tensile analysis and fracture analysis were taken to evaluate the microstructure, microhardness, tensile strength, elongation after fracture and fracture morphology of samples after laser annealing and softening. The metallographic structure analysis showed that the grains exhibited deformed grains, recrystallized grains, fine grains and large equiaxed crystals under different annealing parameters. From the microhardness results, the hardness of the solid solution base material was 173HV0.2, but reached 341HV0.2after hardening. When the laser control temperature was 1400 ℃ and the scanning speed was 5, 10, and 15 mm/s, the hardness after softening was 164HV0.2, 173HV0.2, and 257HV0.2, respectively. When the scanning speed was constant, the higher the laser control temperature was, the lower the hardness after softening was. From the tensile test, the strength of the sample was reduced after the instantaneous laser annealing but the plasticity was improved. When the temperaturecontrol temperature was 1400 ℃ and the scanning speed was 5 mm/s, the tensile strength decreased from 911 MPa to 591 MPa after hardening, which was close to 570 MPa of the solid solution parent metal, and the elongation after fracture was restored from 18.2% to 54.7% which reached 95.5% of the solid solution base metal. Laser instantaneous annealing and softening can effectively reduce the material strength after hardening, improve the plasticity of the material, and restore the strong deformation ability. The softening degree decreases with the decrease of the laser temperature control temperature and the increase of laser scanning speed. Under the optimal laser softening parameters, the performance of softened sample is even better than that of the base metal.

316Lstainless steel; laser heat treatment; selective annealing; grain morphology; strength and plasticity

2018-10-23；

2018-12-12

JIANG Ke-jing (1994—), Male, Master, Research focus: laser processing technology.

Supported by the Zhejiang Provincial Commonweal Technology Application Research Project (2017C31048)

YAO Jian-hua (1965—), Male, Doctor, Professor, Research focus: laser processing technology. E-mail: laser@zjut.edu.cn

姚建華（1965—），男，博士，教授，主要研究方向為激光加工技術(shù)。郵箱：laser@zjut.edu.cn

TG156

A

1001-3660(2019)02-0010-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.02.002

2018-10-23；

2018-12-12

浙江省公益技術(shù)應(yīng)用研究項目（2017C31048）

蔣可靜（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為激光加工技術(shù)。