文|正经的烧杯
编辑|正经的烧杯
«——【·前言·】——»
激光熔覆作为一种对环境影响较小的绿色加工技术,具有成形精度高、结合强度强、稀释率低、缺陷少、变形小等优点,激光熔覆技术逐渐应用于工业生产。
316L粉末是一种低成本、耐蚀性较好且成形性良好的材料,通常被用于金属熔覆制造或修复各类装置的保护层。
在激光熔覆过程中,工艺参数会影响316L熔覆层的组织与性能，工艺参数的不匹配可导致激光熔覆层出现开裂、气孔、成型差等缺陷，同时也会降低其力学性能及耐腐蚀性。
某工厂自从激光熔覆技术的投入使用，可有效解决失效、报废设备及零部件现象，也可延长一些新产品的使用寿命，甚至可达到多寿命周期的效果。
比如中间轴、传动齿轮齿轮轴和壳体等经过激光仿形熔覆技术和快速成形技术修复后，就可恢复到原有新件的技术指标。不仅可对零部件进行改善和修复，且还大大节省了成本。
众多学者的研究表明,激光工艺参数对熔覆层的成形、组织及性能具有较大影响。然而大多数学者只是针对单层单道和单层多道熔覆层的情况开展研究,激光工艺参数对多层多道熔覆层的影响研究相对较少。
本文采用单一变量法设计试验，对激光功率与其他工艺参数之间的匹配进行研究,获得激光功率与其他参数之间的匹配关系，研究激光功率变化对熔覆层成形、组织及性能的影响规律。
«——【·试验材料及方法·】——»
激光熔覆层制备工艺试验：试验母材为Q345,尺寸为150mm×100mm×5mm,所用粉末为316L,粉末粒径为50~150μm,粉末成分如表1所示。
本实验中采用激光熔覆设备,将316L粉末熔覆至Q345钢表面。该系统由IPG-500光纤激光光源、旁轴送粉装置及三轴数控机床组成。激光的波长为1064nm,光斑直径2mm。所采用的熔覆层制备工艺参数如表2所示。
«——【·显微组织与性能表征试验·】——»
根据不同试验的要求将激光熔覆技术制备好的熔覆层采用线切割机切割成所需尺寸。对金相试样依次采用200#、400#、800#、1200#、1500#及2000#砂纸进行打磨,然后对截面进行抛光,之后利用硝酸和盐酸的混合溶液(体积比为1∶3)侵蚀试样截面8s。
采用LEICADMi8型莱卡金相光学显微镜进行组织观察。采用TMVS-1型维氏硬度计进行显微硬度测定,从熔覆层表层到基材每隔0.5mm测试3个点位,然后取平均值作为此位置的硬度值,实验过程中载荷为200g,加载时间为15s。
采用JBD-300A型冲击试验机对不同激光功率制备的熔覆层进行冲击实验后,采用TESCANVEGA3钨灯丝扫描电子显微镜进行断口观察。电化学腐蚀试验采用三电极体系,在0.5mol/LNaCl溶液中测试熔覆层的恒电位极化曲线,测量范围为-1~1V。
«——【·实验结果及分析·】——»
如图1所示,随着激光功率的增加熔覆层的表面成形质量变差,表面呈现波浪变化形式,而熔覆层的熔宽及熔深相应增大,但熔高减小。
分析其原因,在激光熔覆过程中,激光能量主要用来加热基材和熔化熔覆粉末,但一部分被粉末和基材反射。
随着激光功率的增加其熔化的粉末质量增加,当功率增加至350W后,熔覆的粉末质量不再发生变化,而基材吸收的热量随激光功率的增大继续保持增加状态,则母材的熔深与熔宽相应增加。
此外,激光辐射会影响熔滴的飞行速度和温度,激光功率增大后,金属液滴更容易铺展,形成较大的润湿角,使熔覆层的高度下降、宽度增加。
单层多道激光熔覆过程中,基材及已加工熔覆层均受到后续加工过程中激光热的反复作用,对基材及熔覆层的组织及性能产生较大影响,其中热影响区的组织可分为4个区域,如图2所示。
A区域是熔覆层与基材之间的熔合区,激光熔覆的过程中由于较大的热输入量造成熔覆层与基体结合界面处的峰值温度较高,冷却速度大于临界冷却速度,熔合区主要以马氏体为主。
B区域是过热区,此区域的金属处于严重的过热状态,金属液体冷却凝固后主要形成粗大的铁素体和珠光体。
C区域是热影响区中的完全重结晶区,此区域的晶粒极易发生重结晶,铁素体和珠光体晶粒细小且均匀。
D区域是热影响区中的不完全重结晶区,部分显微晶粒发生了重结晶,形成细小的铁素体和珠光体,另一部分晶粒较为粗大,因此晶粒在该区域呈现不均匀的分布且尺寸差异较大。
E区域是母材区,未受到激光热作用,依然保持原始的铁素体及珠光体。采用激光熔覆技术制备熔覆层时,熔覆层不同区域的晶粒形态会产生较大差异。
由图3可以看出,熔覆层底部主要是平面晶,这是由于在此处的金属液体处于凝固阶段,温度梯度很大,成分过冷接近于零,凝固所释放的热量主要沿基体散失,晶粒沿界面形成平面晶。
随着金属液体凝固时固液界面向熔覆层中部推移,温度梯度减小,且熔覆层中部形核困难,利于柱状晶的形成。
熔覆层顶部的晶粒形态主要为等轴晶,熔覆层顶部与保护气体直接接触导致散热速度增大,且温度梯度较小,成分过冷度增加,形核点位较多,利于等轴晶的形成。
激光熔覆过程中,基材与熔覆层冶金反应导致基材中的C元素熔融混合进入熔覆层,在熔覆层底部形成M23C6等析出相，激光功率的变化会对熔覆层的形貌产生较大影响。
当激光功率过小时,在熔覆层与基体的结合界面处出现裂纹,随着激光功率的增加,较大的热输入能够保证基材与粉末充分熔化，同时随着激光功率的增加,熔池的流动性得到改善,避免了熔池凝固过程中Cr元素的偏析及熔覆层中的裂纹消失。
随着激光功率的增加,熔覆层的熔深增加,熔覆层与基材冶金结合良好，如图4所示。在采用激光熔覆技术制备熔覆层时，异种材料中C元素含量不同，存在较大的浓度差异,基材中的C向熔覆层中扩散。
在基材与熔覆层的结合线下方区域易形成脱碳层,高温下大量C进入熔覆层,导致熔覆层中M23C6析出相增多。激光功率的增大,使基材吸收的热量增多,熔覆层界面处的脱碳变得明显。
«——【·激光功率对多层激光熔覆成形及组织的影响·】——»
在单层熔覆的基础上,通过参数优化选取300,350和400W激光功率进行多层熔覆,在Q345基材表面堆覆10层316L,截面如图5所示,相关影响见图6。
从图6a)可以看出,随着激光功率的增加,熔覆层的高度呈现先增加后减小的趋势,与单层熔覆过程中熔覆层的成形规律一致。
对熔覆层的熔深面积与熔覆层整体面积进行测绘,分析发现随着激光功率的增加,熔覆层的稀释率逐渐增加,如图6b)所示。
这主要是由于激光功率增大时,基材所吸收的激光能量增加,对基材的加热作用更明显,熔深和熔宽变大,稀释率也逐渐增大。
在多层熔覆过程中,上层金属液体凝固时会向下层散热,产生反复的热输入,熔覆层的微观组织发生改变。
图7是多层熔覆时较为典型的微观组织。通过对比图7a)、图7b)、图7c)发现,随着激光功率的增加,熔覆层中部的柱状晶增大,产生此现象的原因是熔覆层吸收的能量增多,液体金属存在时间长,凝固速度减小,导致柱状晶尺寸增大。
图7d)、图7e)、图7f)是不同激光功率下熔覆层底部区域的显微组织图。通过对比可以看出,激光功率越大,熔覆层底部的析出物越多,晶粒长大趋势明显。
这主要是由于较大的热输入使更多的碳化物析出,同时使凝固速度下降,晶粒长大。由于大量M23C6析出相富集在晶界处,晶界裂纹的敏感性增加。
«——【·激光功率对多层激光熔覆性能的影响·】——»
对多层熔覆层的硬度性能进行测试,从图8中可以看出,从熔覆层表面到结合层,显微硬度值逐渐上升,从结合层到基体的显微硬度值逐渐下降,直到与基材硬度相当。
其中熔覆层表面显微硬度值最低为210HV左右,界面处硬度值最高为475HV左右。界面处硬度最高,是由于结合处基材产生了脱碳现象,更多的C元素进入熔覆层,在界面处析出碳化物。
随着激光功率的增加,熔覆层硬度增大，这是由于激光功率增大使熔覆层的热输入增多,更容易导致析出物的产生,析出强化的效果增加。生分层断裂的现象,说明3个激光功率参数下制备的激光熔覆层与基材的结合性能很好。
由图9可知,在300,350和400W激光功率时,基材的断口都分布有明显的韧窝,随着激光功率的增加韧窝分布明显减少,解理断裂的特征变得明显,热影响区的韧性下降。
而熔覆层都呈撕裂状,属于典型的解理断裂形貌,说明熔覆层的韧性较低,激光熔覆的热作用会使材料的韧性降低。随着激光功率的增加,熔覆层晶粒尺寸变大,熔覆层与基材结合界面附近容易产生晶间裂纹,这在一定程度上降低了冲击性能。
生分层断裂的现象,说明3个激光功率参数下制备的激光熔覆层与基材的结合性能很好。由图9可知,在300,350和400W激光功率时,基材的断口都分布有明显的韧窝,随着激光功率的增加韧窝分布明显减少,解理断裂的特征变得明显,热影响区的韧性下降。
而熔覆层都呈撕裂状,属于典型的解理断裂形貌,说明熔覆层的韧性较低,激光熔覆的热作用会使材料的韧性降低。随着激光功率的增加,熔覆层晶粒尺寸变大,熔覆层与基材结合界面附近容易产生晶间裂纹,这在一定程度上降低了冲击性能。
采用恒电位法在0.5mol/L的NaCl溶液中,对不同激光功率下制备的熔覆层进行电化学腐蚀性能测试。测量电压范围为-1~1V,记录其阴极极化曲线。
图10为不同激光功率实验中的熔覆层表面的阴极极化曲线,腐蚀电位越大,金属的耐腐蚀性越好，金属的腐蚀倾向与腐蚀电位成反比,而金属的腐蚀速率与腐蚀电流密度成正比。随着激光功率的增加,腐蚀电位降低,腐蚀电流密度增加,耐腐蚀性能下降。
当激光功率为300W时,腐蚀电位Ecorr=-0.3V,腐蚀电流密度Icorr=0.165A/cm2,腐蚀倾向最小,腐蚀速率最小,具有最优的耐腐蚀性能，激光功率增加,使熔覆层的晶粒长大,316L不锈钢熔覆层的腐蚀性能会变差。
此外随着激光功率的增加,稀释率的上升使得熔覆层中的C含量增加,形成M23C6等Cr含量较高的碳化物,晶界处形成贫Cr区,耐腐蚀性能下降。而较小的稀释率使得表面更容易形成致密的氧化膜,以减小腐蚀速率。
«——【·结语·】——»
本文分析了激光功率对单层及多层316L熔覆层显微组织的影响,结合力学性能及耐腐蚀性能分析了激光功率变化引起性能改变的根本原因,明确了显微组织变化对性能的影响规律。
本文探明了激光功率变化对单层及多层316L不锈钢熔覆层成形、组织和性能的影响规律,可为316L激光熔覆层的工艺优化及性能调控提供参考。主要结论如下。
单层激光熔覆过程中,随着激光功率的增加,熔覆层的高度先增加后减小,熔覆层的组织晶粒尺寸逐渐增大,析出相逐渐增多,硬度值逐渐增大。
多层激光熔覆过程中,随着激光功率的增加,熔覆层的高度先增加后减小,熔覆层晶粒尺寸逐渐增大,析出物逐渐增多,界面处熔覆层的晶间裂纹的敏感性增加。
熔覆层的硬度值随着激光功率的增加呈现增大的趋势,熔覆层与基材结合界面处硬度最高,为475HV左右。
多层激光熔覆过程中,随着激光功率的增加,熔覆层的冲击韧性下降,耐腐蚀性能下降。300W激光功率下制备的熔覆层具有最大的冲击韧性,达到92J。
同时采用300W激光功率制备的熔覆层腐蚀电位Ecorr最高为-0.3V,腐蚀电流密度Icorr最小为0.165A/cm2,即腐蚀倾向最小,腐蚀速率最小,具有最优的耐腐蚀性能。
尽管得出300W激光功率下制备的熔覆层具有更优性能的结果,但是扫描速度和送粉速率对单层及多层熔覆层的影响行为还有待进一步研究。
