0Cr18Ni9不銹鋼激光增材修復(fù)技術(shù)研究

應(yīng)俊龍,賈夢(mèng)夢(mèng),李智勇

(1.昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,江西 景德鎮(zhèn) 330034;2.陸軍裝備部某航空軍事代表室,江西 景德鎮(zhèn) 330034)

0Cr18Ni9不銹鋼作為奧氏體不銹鋼中的常用鋼種,產(chǎn)量占不銹鋼總產(chǎn)量的30%以上,具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐腐蝕、耐熱性、無(wú)磁及焊接性能,是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣管等零件的常用材料,在航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]。由于0Cr18Ni9不銹鋼的耐磨性不佳,容易導(dǎo)致零件受損、失效,采用傳統(tǒng)的電鍍修復(fù)、噴涂修復(fù)和焊接修復(fù)等方式,修復(fù)后的性能往往無(wú)法滿足要求。激光增材修復(fù)技術(shù)[3-5]可實(shí)現(xiàn)受損制件的快速修復(fù),且修復(fù)層與基體間可形成良好的冶金結(jié)合,得到均勻致密的組織及較優(yōu)的綜合性能。

1 試驗(yàn)方法

1.1 增材修復(fù)用材料

試驗(yàn)材料為0Cr18Ni9退火態(tài)不銹鋼板材,在進(jìn)行激光修復(fù)前依次用100#、400#、1000#的砂紙打磨試塊表面,并用酒精擦拭,干燥后備用。考慮到不同材料的潤(rùn)濕性、熱膨脹系數(shù)存在差異,選用316L奧氏體不銹鋼粉末作為修復(fù)用粉末,粒度范圍控制在60～88 μm。0Cr18Ni9退火態(tài)試塊與316L粉末材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 0Cr18Ni9和316L不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試樣的修復(fù)及力學(xué)性能檢測(cè)

0Cr18Ni9修復(fù)試樣加工如圖1所示,取樣的長(zhǎng)度方向?yàn)椴牧系目v向(即L向),其中D=3 mm、W=1.2 mm、R=0.3 mm,在試塊長(zhǎng)度方向開(kāi)展激光修復(fù)工藝(即“一”字型)。拉伸測(cè)試在CMT 5205 200 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成,位移0.5 mm/min,拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖1 試樣加工圖

圖2 拉伸試樣尺寸圖

1.3 試樣的增材修復(fù)工藝參數(shù)

結(jié)合文獻(xiàn)資料及工藝摸索試驗(yàn)結(jié)果,搭接率選取45%為宜,搭接率過(guò)大修復(fù)層表面容易高低起伏,搭接率過(guò)小則容易造成加工間隙期未熔合[6]。為保證修復(fù)層的光亮性,工藝過(guò)程中通入保護(hù)氣氛高純氬氣,流量為5～7.9 L/min;將氮?dú)庾鳛樗头蹥怏w,送粉壓力為0.55～0.7 MPa,以形成均勻的粉末流。

0Cr18Ni9不銹鋼試樣增材修復(fù)選擇激光功率為1500～2500 W,掃描速度為300～1000 mm/min,送粉速率范圍0.5～0.9 r/min、送粉速率為0.8 r/min,具體工藝參數(shù)如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織分析

激光增材修復(fù)0Cr18Ni9不銹鋼的金相組織如圖3所示?？梢钥闯?所有試樣激光熔池的熔合線清晰可見(jiàn),熔池內(nèi)組織沿熔合線垂直指向熔池中心,表現(xiàn)為明顯的樹(shù)枝狀枝晶及少量的等軸晶,為冶金結(jié)合。其中,1#、5#試樣的修復(fù)區(qū)內(nèi)組織較為致密,不存在明顯裂紋、夾雜等缺陷,但可觀察到一些細(xì)小氣孔,且在修復(fù)層與母材界面存在少量未熔合缺陷;3#、6#試樣的修復(fù)區(qū)內(nèi)組織相對(duì)致密,但在熔池熔合線及修復(fù)層與母材結(jié)合面上存在多處明顯未熔合缺陷,同時(shí)可觀察到大量細(xì)小氣孔;2#、4#試樣的修復(fù)區(qū)內(nèi)組織極為致密,不存在可見(jiàn)的裂紋、夾雜等缺陷,僅存在少量的細(xì)小氣孔,修復(fù)層與母材界面不存在裂紋、未熔合等缺陷。

(a)1#試樣;(b)2#試樣;(c)3#試樣;(d)4#試樣;(e)5#試樣;(f)6#試樣

由快速凝固理論可知,激光熔覆層的顯微組織主要取決于溫度梯度G和凝固速率R的比值。當(dāng)溫度梯度較大、凝固速率較小時(shí),顯微組織主要為平面狀生長(zhǎng);當(dāng)溫度梯度下降、凝固速率上升時(shí),顯微組織主要為胞狀生長(zhǎng);當(dāng)溫度梯度大幅下降、凝固速率持續(xù)上升時(shí)(即溫度梯度與凝固速率的比值較小時(shí)),顯微組織主要為樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。激光增材修復(fù)過(guò)程是一種快冷、快熱的加工方式,其本質(zhì)是金屬的快速熔化及凝固,這與金屬的凝固理論是相符的。

2.2 力學(xué)性能分析

不同工藝參數(shù)下試樣的抗拉強(qiáng)度測(cè)試值如圖4所示,1#～6#試樣抗拉強(qiáng)度分別為621、829、492、812、635和550 MPa,由大到小的排序?yàn)?2#>4#>5#>1#>6#>3#。不同工藝參數(shù)下試樣的延伸率測(cè)試值如圖5所示,1#～6#試樣延伸率分別為50.3%、60.9%、37.5%、54.7%、43.9%和40.8%,由大到小的排序?yàn)?2#>4#>1#>5#>6#>3#。由此可知,修復(fù)后試樣的抗拉強(qiáng)度、延伸率幾乎都高于0Cr18Ni9母材的性能(抗拉強(qiáng)度560 MPa、延伸率45.3%),特別是2#試樣的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了829 MPa、延伸率為60.9%,這說(shuō)明在合適的修復(fù)工藝參數(shù)下,采用316L不銹鋼粉末對(duì)0Cr18Ni9母材進(jìn)行修復(fù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)母材的強(qiáng)化。另外,1#、5#試樣存在細(xì)小氣孔,導(dǎo)致其力學(xué)性能有一定的下降,但仍高于母材的性能;3#、6#試樣由于存在較多明顯未熔合、氣孔等缺陷,導(dǎo)致其性能出現(xiàn)了大幅度的下降。綜上,線能量輸入密度約180 J/mm時(shí),可獲得力學(xué)性能較好的加工試樣,但對(duì)比2#、4#、5#試樣,隨著激光功率、掃描速率的升高,修復(fù)層出現(xiàn)了輕微的缺陷,導(dǎo)致力學(xué)性能的下降。因此較優(yōu)的激光功率參數(shù)為1700～1900 W、掃描速率為700～900 mm/min。

圖4 不同工藝參數(shù)下試樣的抗拉強(qiáng)度

圖5 不同工藝參數(shù)下試樣的延伸率

2.3 顯微硬度分析

不同的工藝參數(shù)下,試樣不同深度的顯微硬度變化曲線如圖6所示。可以看出,隨線能量輸入密度的增大,顯微硬度值呈先增大后減小的趨勢(shì)。且在不同的線能量輸入密度下,距離修復(fù)層頂部各深度顯微硬度測(cè)量值的整體變化趨勢(shì)基本一致,特別是熔覆區(qū)中的硬度值僅在±15 HV的范圍內(nèi)波動(dòng),這主要是修復(fù)區(qū)域的枝干區(qū)域和枝晶間區(qū)域所存在的應(yīng)力、位錯(cuò)密度等不一致造成的。熱線能量輸入密度從90 J/mm增大到204 J/mm,熔覆層的硬度值呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)線能量輸入密度為204 J/mm,激光功率為1700 W,掃描速率為500 mm/min時(shí),熔覆層的平均硬度達(dá)到峰值230 HV,這主要?dú)w因于合適的激光功率、掃描速率及配比。當(dāng)線能量輸入密度過(guò)小時(shí),粉末尚未完全熔化,整個(gè)修復(fù)過(guò)程便已結(jié)束;當(dāng)線能量輸入密度過(guò)大時(shí),容易導(dǎo)致過(guò)燒、晶粒粗大,影響修復(fù)層的綜合性能。在較優(yōu)的工藝參數(shù)下,試樣的各區(qū)域顯微硬度值為:熔覆區(qū)最大、基體次之、熱影響區(qū)最小,這表明316L不銹鋼熔覆粉末對(duì)于0Cr18Ni9不銹鋼母材進(jìn)行的增材修復(fù)在一定程度上提升了基材的綜合性能。

圖6 不同工藝參數(shù)下試樣的顯微硬度

3 結(jié)論

基于0Cr18Ni9不銹鋼開(kāi)展激光增材修復(fù)工藝研究,發(fā)現(xiàn)利用激光增材修復(fù)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)0Cr18Ni9不銹鋼損傷件的修復(fù)及性能提升,并有效降低時(shí)間成本及經(jīng)濟(jì)成本。

1)采用316L不銹鋼熔覆粉末可實(shí)現(xiàn)對(duì)0Cr18Ni9不銹鋼的損傷修復(fù),并在一定程度上提高修復(fù)后制件的力學(xué)性能。

2)線能量輸入密度約為180 J/mm時(shí),修復(fù)層的質(zhì)量較好。

3)選取激光功率參數(shù)為1700～1900 W、掃描速率為700～900 mm/min時(shí),可獲得具有較高強(qiáng)度及韌性的制件。