淺談304鋼高速激光熔覆過程中掃描順序?qū)θ鄹矊咏M織性能影響的研究

史強，馬欣，黃勇，王淵浩

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023）

激光熔覆技術是利用高能量的激光束快速熔化熔覆材料和基體表面，從而產(chǎn)生出一種與原有成分和性能均不同的涂層表面的改性技術，其具有熱影響小、對粉末成分即熔覆層性能可調(diào)控等諸多優(yōu)勢。根據(jù)送粉方式的不同，激光熔覆技術可分為預置送粉激光熔覆和同步送粉激光熔覆兩種。304不銹鋼具有良好的力學性能和抗腐蝕性，目前被廣泛用于多種行業(yè)。近年來大量研究顯示，在熔覆過程中，工藝參數(shù)的不同對熔覆質(zhì)量有著一定的影響作用，為了進一步研究預置送粉的激光熔覆技術在熔覆304不銹鋼材料時對材料組織劑力學性能的影響，本文采用27SiMn板材作為基體，對比不同激光掃描順序?qū)θ鄹矊硬牧辖M織和力學性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

基體材料采用27SiMn鋼材，尺寸為200mm×300mm×20mm；熔覆材料為304不銹鋼粉末，其粒度為100-300目，化學成分為：C≤0.08%，Mn≤2.00%,P≤0.045%,S≤0.030%,Si≤1.00%,Cr為18.0%～20.0%，Ni為8.0%～11.0%。

1.2 設備及參數(shù)

激光器為DLS-3000C半導體激光器，最大輸出功率為3000W，輸出波長為980nm，波長偏差為10nm。激光光斑直徑為φ3mm，設定功率為2500W，掃描速度設定為16mm/s,搭接率為1/2，掃描方式為復式掃描，熔覆層材料多層累加尺寸為170mm×120mm×17mm。

1.3 方法

以上述方法進行激光熔覆，將所得熔覆層材料進行線切割加工進而得到拉伸試樣和金相試樣。根據(jù)激光掃描先后順序不同，將所得的拉伸試樣和金相試樣進行區(qū)域劃分，將其范圍劃分為A、B、C、D四個區(qū)域。其中，A區(qū)和B區(qū)距離激光初始掃描點的位置最近，稱為先熔覆區(qū)域，C區(qū)和D區(qū)距離激光初始掃描點稍遠，稱為后熔覆區(qū)域。拉伸試樣的拉伸方向與研究過程中激光掃描的方向一致。從熔覆層上切割下的金相試樣為10mm×10mm×10mm的正方體，并對其進行鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕以及干燥處理后，使用光學顯微鏡對金相組織進行觀察研究，觀察面為垂直與激光掃描的一面。拉伸試樣取自熔覆層，不包括基體部分。試樣的標距為28mm，采用砂紙對其進行打磨后，再應用WDW-100電子萬能試驗機進行拉伸試驗，速率為1mm/min。對拉伸斷口的形貌特征應用掃描電鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

對高速激光熔覆層的四個區(qū)域的顯微組織形貌進行觀察可見，熔覆材料主要呈現(xiàn)出具有典型定向凝固特征的柱狀晶，這主要是由于在高速激光熔覆過程中，304鋼粉末在高能量、高密度的激光照射下迅速地熔化形成熔池，在掃描過后，熔池又迅速地凝固，在這個過程中，熔池內(nèi)的晶粒與溫度梯度反方向生長，見表1。

表1 不同區(qū)域顯微組織形貌分析

通過對比可以看出，C區(qū)、D區(qū)的晶粒尺寸較大，而A區(qū)和B區(qū)的晶粒尺寸略小，這主要與A區(qū)、B區(qū)在高速激光熔覆過程中先熔覆，而C區(qū)和D區(qū)后被熔覆有關。在進行激光熔覆之前，基體和預置粉末均為常溫狀態(tài)，而在熔覆過程中，基體和粉末的溫度均逐漸升高，進而導致了后熔覆區(qū)域的熔池在凝固時溫度梯度小于先熔覆區(qū)域，進而C區(qū)、D區(qū)等后被熔覆區(qū)域的晶粒尺寸要明顯大于先熔覆區(qū)域晶粒。

2.2 力學性能

對不銹鋼熔覆層4個區(qū)域的拉伸試樣應力進行測量可見，A區(qū)、B區(qū)兩個區(qū)域的平均抗拉強度以及延伸率均略高于C區(qū)和D區(qū)，見表2。

表2 不同區(qū)域力學性能分析

通過分析可以看出，A區(qū)和B區(qū)的抗拉強度和延伸率均要高于C區(qū)和D區(qū)，這主要是由于A區(qū)和B區(qū)的晶粒尺寸相對小于C區(qū)和D區(qū)，柱狀晶的數(shù)量也明顯減少，而晶粒的尺寸和形狀會直接影響材料的機械性能，晶粒的尺寸越小，形狀約接近等軸晶，該材料的機械性能就越好，因此，拉伸試驗的結果與顯微組織研究結果相一致。同時，在高速激光熔覆過程中，先熔覆區(qū)域熔池中的金屬顆粒物會在熔覆過程中飛濺到未熔覆區(qū)域，進而導致未熔覆區(qū)域內(nèi)預先放置好的粉末受到“污染”，使其在熔覆過程中出現(xiàn)夾雜的現(xiàn)象，進而導致拉伸過程中出現(xiàn)應力集中的情況，使C區(qū)、D區(qū)的拉伸性能略低于A區(qū)和B區(qū)。

2.3 拉伸斷口形貌

對比四個區(qū)域拉伸試樣的典型斷口形貌可見，高速激光熔覆304鋼斷口表面為典型韌性斷裂特征，即斷口部位均勻分布有韌窩，局部可見具有脆性斷裂特征的光滑表面。觀察可見斷口表面的韌窩較淺，平均直徑在3μm左右。相對而言，韌窩的尺寸越小材料的塑形越低，因此，較淺的韌窩表示材料延伸率較低，其與延伸試驗結果相一致。A區(qū)與B區(qū)可見斷裂區(qū)域呈現(xiàn)“河流狀”和“舌狀”的典型脆性解理斷裂花紋，其出現(xiàn)的原因可能是由于組織內(nèi)存在大量粗大的柱狀晶，在拉伸過程中容易發(fā)生斷裂導致的。C區(qū)和D區(qū)兩個區(qū)域的斷口呈現(xiàn)明顯的夾雜現(xiàn)象，夾雜物的尺寸在400μm左右，根據(jù)能譜分析可以看出，其夾雜物主要為SiO2和Mn的氧化物。對比斷口形貌可見，先熔覆區(qū)域拉伸試驗斷口部位未見明顯的夾雜情況出現(xiàn)，而后熔覆區(qū)域的夾雜情況較為顯著，存在這些缺陷的部位則更加容易發(fā)生斷裂。因此，為了有效提高高速激光熔覆材料的機械性能，應減少這些導致應力集中的缺陷，如引入惰性氣體保護系統(tǒng)來預防熔覆過程中存在的氧化反應。

另外，可通過吸附裝置解決預置送粉高速激光熔覆技術操作過程中出現(xiàn)的粉末“污染”情況，繼而有效提高熔覆材料的機械性能。

3 結語

高速激光熔覆304鋼后熔覆區(qū)域的顯微組織中的柱狀晶較先熔覆區(qū)域的柱狀晶粗大，而平均抗拉強度和平均延伸率則較先熔覆區(qū)域有所降低。熔覆后拉伸斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，局部為脆性解理斷裂，且存在夾雜現(xiàn)象。