沉淀硬化不銹鋼激光熔覆接頭組織與性能分析

晁耀杰，周元彪，滿常厚，肖凱，巨敏，李德勝，曲曉東，趙宇輝，鄒陽

1.大連長豐實業(yè)總公司 遼寧大連 116038

2.大連工業(yè)大學信息科學與工程學院 遼寧大連 116034

3.中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧沈陽 110016

1 序言

1Cr15Ni4Mo3N作為一種比強度高且韌性較好的半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，與俄羅斯牌號3л310щ、美國牌號AM355接近，因其具備耐腐蝕、抗氧化和耐高溫等優(yōu)良性能而被廣泛應用于航空裝備的發(fā)動機端軸徑、中央翼螺栓、起落架活塞桿等關鍵/重要承力結構件。按照航空裝備修理技術要求，為保障裝備服役安全性，此類高強度不銹鋼零部件一旦出現(xiàn)磨損、開裂、掉塊等損傷缺陷，必須采用換新或增材修理方式恢復其完整尺寸和可靠的力學性能。由于1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼零件具備的高強度（Rm=1350～1520MPa）與高韌性是通過淬火+冷處理+回火等一系列復雜的熱處理工序得到的，如果采用常規(guī)的TIG/MIG補焊方式來修復以上損傷缺陷，在焊接熱循環(huán)的作用下，難免會造成零件組織粗化與力學性能弱化[1，2]。

激光熔覆技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種再制造技術[3]，具備熱輸入低、增材層厚度小等特點，可實現(xiàn)原子間連接的精密修復效果。趙宇光、張小彬等研究了奧氏體不銹鋼激光熔覆涂層的組織和耐蝕性行為，張國棟等[4-6]研究了鐵素體不銹鋼激光熔覆層的組織和性能，但國內外在1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼的激光熔覆接頭組織與性能上的相關研究尚無較多報道。

在此背景下，本文采用一種熱輸入量小、尺寸增量小的激光增材方法對零件進行局部熔覆修復，重點研究1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼激光熔覆接頭的微觀組織與力學性能，以期為激光熔覆技術在沉淀硬化不銹鋼零件修復中的推廣應用提供試驗依據(jù)與理論指導。

2 試驗材料與方法

本文研究材料是由東北特殊鋼集團有限責任公司提供、并滿足十一號工程技術條件的1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼，規(guī)格為φ50mm自由鍛造棒料，化學成分見表1。采用真空感應電爐熔煉+電渣重熔工藝制造，熱處理狀態(tài)為：1070℃×0.5h油淬+（-70℃）×2h冷處理+450℃×1h回火。熔覆材料為CrNiMo合金粉末，化學成分見表2，其掃描電鏡的微觀形貌如圖1所示。

圖1 激光熔覆用合金粉末的掃描電鏡微觀形貌

表1 1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 CrNiMo合金粉末化學成分（質量分數(shù)） （%）

采用線切割方式加工出尺寸為2 0 0 m m×200m m×10m m的長方體試塊，并在試塊中心位置的表面銑出一個尺寸為200mm×20mm×3mm的缺口（見圖2），針對缺口位置采用同軸送粉的方式進行激光熔覆增材。激光熔覆的工藝參數(shù)為：光斑直徑2.5mm，激光功率1.8kW，掃描速度1.2mm/s，焦距90mm。增材完成后對增材表面進行精銑，表面粗糙度值為Ra0.8μm。激光熔覆后對試塊開展1070℃×0.5h油淬+（-70℃）×2h冷處理+450℃×1h回火的熱處理。

圖2 試驗板尺寸

采用線切割方式加工出金相、顯微硬度、拉伸和沖擊試樣，沖擊試樣尺寸如圖3所示，拉伸試樣尺寸如圖4所示。采用光學顯微鏡（O M）和掃描電子顯微鏡（S E M）對激光熔覆接頭的顯微組織進行觀察分析，所用金相腐蝕劑配比為FeCl3∶HCl∶H2O=8∶25∶100的溶液。采用顯微硬度計測試熔覆接頭各區(qū)域的維氏硬度，加載載荷5N，保持時間10s，硬度測試點間距0.05mm。采用掃描電子顯微鏡分別對沖擊與拉伸斷口進行觀察分析。

圖3 沖擊試樣尺寸

圖4 拉伸試樣尺寸

3 試驗結果與分析

3.1 顯微組織分析

采用光學顯微鏡對1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼的激光熔覆接頭界面結構進行觀察，結果如圖5所示。由圖5可知，最下方為母材區(qū)，中間為熱影響區(qū)，最上方為熔覆層。熔覆層與母材熔合較好，熔覆層組織均勻、致密，無聚集型氣孔、裂紋等缺陷。

圖5 激光熔覆接頭界面結構

1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼激光熔覆接頭的微觀組織形貌如圖6所示，從右向左將激光熔覆接頭細分為表層粗晶區(qū)、亞表層細晶區(qū)、過渡區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等5個區(qū)域，分別標記為A、B、C、D、E。

圖6 激光熔覆接頭微觀組織形貌

A區(qū)域為表層粗晶區(qū)，該區(qū)域可觀察到較多粗大的柱狀晶，晶粒內部由黑色的板條馬氏體和灰色的奧氏體構成。粗大柱狀晶的形成主要歸因于激光熔覆層極大的冷卻速度，可達105～107K/s[7]。根據(jù)相關文獻[8]可知，激光熔覆過程中熔覆層的冷卻速度可表示為

式中C——熔覆層金屬材料相關常數(shù)；

E——激光能量密度（J/m3）；

h——鋪粉厚度（m）；

v——激光掃描速度（m/s）。

根據(jù)該公式，液態(tài)熔覆層金屬的冷卻速度與激光掃描速度v1/2成正比。本試驗中采用的高能量密度E和高掃描速度v導致熔覆層產(chǎn)生極大的冷卻速度，液態(tài)熔覆金屬具備較大過冷度，為柱狀晶的形成創(chuàng)造了條件。

B區(qū)域為亞表層細晶區(qū)，該區(qū)域可觀察到較多細小等軸晶和細長晶粒，以上晶粒中的組織由黑色的板條馬氏體和灰色的奧氏體構成，且奧氏體的占比高于A區(qū)域，這是因為亞表層細晶區(qū)是先期的熔覆層，該區(qū)域在后序多道激光熔覆熱量的作用下，粗大的柱狀晶發(fā)生了重熔和重新結晶，因而該區(qū)域形成了細小等軸晶，細長晶粒是未完全熔化的柱狀晶形成的。根據(jù)相關文獻[9]，B區(qū)域的馬氏體組織可以在激光熔覆熱的反復作用下，使已凝固的組織發(fā)生組織轉變，形成更多的奧氏體組織。

C區(qū)為過渡區(qū)，相比A、B區(qū)域，該區(qū)域可以明顯觀察到更多的黑色針狀馬氏體組織和未轉化的灰色奧氏體組織。這是因為該區(qū)域在激光熔覆熱的作用下，發(fā)生了固態(tài)相變，且晶粒長大，冷卻至室溫過程中會形成粗大的針狀馬氏體和殘留奧氏體構成的雙相組織。

D、E區(qū)域組織形貌沒有明顯差別，均由體積分數(shù)為50%馬氏體和50%奧氏體構成。這是因為熱影響區(qū)D距離熔覆區(qū)較遠，激光熔覆熱量不能使該區(qū)域發(fā)生固態(tài)相變，也未能造成晶粒長大。根據(jù)上文母材的熱處理制度，可以得到馬氏體轉變率約占50%[10]。

3.2 顯微硬度分析

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對1Cr15Ni4Mo3N不銹鋼激光熔覆接頭截面開展顯微硬度數(shù)值測試，如圖7所示。在硬度測試時，首先從熔覆區(qū)的表層粗晶區(qū)開始，每兩個硬度點間隔為0.05mm，加載載荷5N，保持時間10s，硬度點依次經(jīng)過亞表層細晶區(qū)、過渡區(qū)和熱影響區(qū)，直至母材區(qū)。該接頭硬度分布的大體趨勢是：熔覆區(qū)的表層硬度較低（430～452HV）；亞表層細晶區(qū)硬度為475～507HV；過渡區(qū)的硬度在整個熔覆接頭中數(shù)值最低（353～381HV），平均值為372HV；熱影響區(qū)硬度為430～470HV，平均值為461HV；母材區(qū)的硬度偏差量較小，均為（472±5）HV。

圖7 激光熔覆接頭顯微硬度測試

根據(jù)熔覆接頭微觀組織（見圖6）觀察分析結果可知，接頭表層粗晶區(qū)A為晶粒粗大柱狀晶，亞表層細晶區(qū)B為細小均勻的小尺寸晶粒。根據(jù)相關文獻[11]可知，同種金屬材料的晶粒越細小，晶界越多，對位錯運動的阻礙程度也越大，宏觀上表現(xiàn)為硬度高。A區(qū)晶粒粗大，B區(qū)晶粒細小，因此A區(qū)硬度低于B區(qū)。C區(qū)為過渡區(qū)，由粗大的馬氏體和殘留奧氏體組織構成，該區(qū)域在激光熔覆熱量的影響下晶粒和組織粗化，導致硬度最低。熱影響區(qū)D相比過渡區(qū)C承受的熔覆熱量較少，晶粒和組織的粗化程度降低，因此硬度高于過渡區(qū)，到母材后硬度進一步上升。

3.3 拉伸性能分析

按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》對1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼的熔覆接頭和母材分別開展常溫拉伸試驗，其拉伸應力-應變對比曲線如圖8所示。從圖8可明顯看出，激光熔覆件的三條曲線位于母材件三條曲線的上方，說明激光熔覆接頭的抗拉強度要高于母材件，激光熔覆接頭的伸長率低于母材。激光熔覆件的平均抗拉強度為1489MPa，母材件的平均抗拉強度為1356MPa，這是因為1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼在激光熔覆過程中液態(tài)熔覆金屬的冷卻速度較快，所以相比母材，激光熔覆過程生成較多的馬氏體組織，具有較高的強度，導致激光熔覆接頭表現(xiàn)出較高的抗拉強度。然而，激光熔覆接頭的伸長率較母材低21.72%，其原因可歸結為以下3方面因素。

圖8 拉伸應力-應變對比曲線

1）接頭各微區(qū)組織不均勻，在外力作用下變形不同步，會導致應力集中，從而加快裂紋擴展，降低塑性[12]。

2）激光熔覆接頭的快速加熱與冷卻，會導致內部組織產(chǎn)生較大的殘余應力，進而導致接頭更易開裂[13]。

3）接頭殘留奧氏體含量降低，奧氏體相比于馬氏體的塑性較好，但強度低，因此與母材相比，激光熔覆接頭的強度略高（比母材高10.12%）、塑性較差（比母材低21.72%）。

激光熔覆件拉伸斷口的宏觀形貌如圖9所示，采用掃描電子顯微鏡觀察母材與熔覆件的斷口，分別如圖10、圖11所示。從圖10、圖11可看出，母材與熔覆件斷口的微觀形貌中均可觀察到韌窩和撕裂棱。熔覆件拉伸斷口的熔覆區(qū)凹凸不平，母材區(qū)較為平整。母材與激光熔覆件沖擊斷口在電子顯微鏡下的微觀形貌均呈現(xiàn)出微孔聚集型斷裂的基本特征，母材的韌窩呈現(xiàn)為等軸狀，熔覆件熔覆區(qū)的韌窩呈現(xiàn)為拉長韌窩，且母材的微孔尺寸較大，激光熔覆件較小。這是因為金屬材料的塑性變形能力及其應變硬化指數(shù)大小會直接影響著斷口的微孔尺寸和韌窩形狀。從圖8可看出，熔覆接頭強度高于母材，因此母材在斷裂過程中更容易發(fā)生縮頸，進而微孔尺寸更大，形成尺寸較大的等軸韌窩，而熔覆件熔覆區(qū)不易發(fā)生變形，進而更易形成尺寸較小的拉長韌窩[14]。

圖9 激光熔覆件拉伸斷口宏觀形貌

圖10 母材拉伸斷口微觀形貌

圖11 熔覆件拉伸斷口微觀形貌

3.4 沖擊性能分析

母材與激光熔覆件的沖擊吸收能量曲線如圖12所示。由圖12可看出，激光熔覆件（LS-1、LS-2、L S-3）的沖擊吸收能量明顯高于母材（B M-1、BM-2、BM-3）。通過計算可知：激光熔覆件的沖擊韌度平均值為88.7J/cm2，母材的沖擊韌度平均值為80.2J/cm2，激光熔覆接頭的沖擊韌度比母材高10.60%。激光熔覆接頭的沖擊韌度高于母材，這歸功于熔覆層。根據(jù)相關文獻[14，15]可知，一般鋼鐵材料的沖擊斷口會存在如圖13所示的3個典型區(qū)域，包括放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇。本文中研究的激光熔覆層位于底部剪切唇區(qū)域，因此采用掃描電子顯微鏡對比觀察母材和激光熔覆件沖擊斷口的底部剪切唇區(qū)域，如圖14所示。從圖14中可看出，母材與熔覆件沖擊斷口的韌窩均呈現(xiàn)為拉長韌窩，母材的韌窩尺寸更大，這說明激光熔覆件熔覆層的金屬在沖擊力的作用下更難發(fā)生變形，即沖擊韌度更高。沖擊斷口的微觀形貌與上述沖擊試驗數(shù)值是相對應的。

圖12 沖擊吸收能量曲線

圖13 沖擊斷口形貌示意

圖14 沖擊斷口底部剪切唇微觀形貌

4 結束語

1）激光熔覆接頭細分為表層粗晶區(qū)、亞表層細晶區(qū)、過渡區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等5個區(qū)域。表層粗晶區(qū)可觀察到較多粗大的柱狀晶，晶粒內部由黑色的板條馬氏體和灰色的奧氏體構成；亞表層細晶區(qū)可觀察到較多細小等軸晶和細長晶粒，晶粒中的組織由黑色的板條馬氏體和灰色的奧氏體構成，且奧氏體的占比高于表層粗晶區(qū)；過渡區(qū)較表層粗晶區(qū)和亞表層細晶區(qū)可觀察到更多黑色針狀馬氏體組織和未轉化的灰色奧氏體組織；熱影響區(qū)和母材區(qū)組織形貌沒有明顯差別，均由體積分數(shù)占比為50%馬氏體和50%奧氏體構成。

2）在激光熔覆接頭的5個區(qū)域中，表層粗晶區(qū)硬度為430～452H V，亞表層細晶區(qū)硬度分布在475～507H V之間，過渡區(qū)硬度最低（平均值372HV），熱影響區(qū)平均硬度461HV，母材區(qū)的硬度偏差量較小，為（472±5）HV。

3）激光熔覆件的平均抗拉強度為1489MPa，母材的平均抗拉強度為1356MPa，激光熔覆接頭的強度比母材高10.12%，塑性比母材降低21.72%。

4）母材沖擊韌度平均為80.2J/cm2，激光熔覆接頭沖擊韌度平均為88.7J/cm2，兩者沖擊斷口形貌均為拉長韌窩，呈現(xiàn)韌性特征且激光熔覆接頭的韌窩尺寸更小，耐沖擊性更強。