秦仁耀，周 標(biāo)，馬 瑞，李 能，龔群甫，郭紹慶，張學(xué)軍

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.上海海鷹機(jī)械廠，上海 200436)

0 引言

40CrNiMoA鋼是一種優(yōu)良的低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼。合金中1.50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Ni、0.75%Cr、0.20%Mo和0.40%C元素使其具有良好的室溫強(qiáng)度、塑性以及淬透性，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、鐵路和石油勘探等領(lǐng)域，如飛機(jī)的緊固螺栓和定位銷、汽車的齒輪和傳動軸等[1-3]。但是這些零件在長期服役后，經(jīng)常出現(xiàn)表面腐蝕、磨損等局部區(qū)域損傷。由于其形狀結(jié)構(gòu)功能被破壞，導(dǎo)致這些存在局部損傷的40CrNiMoA鋼零件報廢。因此，對其進(jìn)行延壽修復(fù)能夠有效節(jié)約材料、降低航空裝備的維修成本并縮短修理周期。

激光熔化沉積(Laser melting deposition，LMD)是一種逐層堆積的增材制造修復(fù)技術(shù)[4-7]，相比于其他傳統(tǒng)熔焊修復(fù)方法，如電弧焊[8]、鎢極氬弧焊[9]和激光焊[10]等，具有熱影響區(qū)小、精度高、組織細(xì)小和性能好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于結(jié)構(gòu)鋼零件表面的局部損傷修復(fù)。本研究通過對40CrNiMoA高強(qiáng)鋼及其激光熔化沉積修復(fù)接頭的組織、顯微硬度和耐腐蝕性能的研究，為40CrNiMoA鋼以及其他高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼零件激光熔化沉積修復(fù)技術(shù)的研究和工程化應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 試驗過程

試驗用的修復(fù)粉末是采用氬氣霧化法制備的高Co-Ni二次沉淀硬化鋼粉末，粒徑為50～106 μm，形貌如圖1所示。母材是尺寸為30 mm×30 mm×30 mm的40CrNiMoA高強(qiáng)鋼試塊，其熱處理制度為860 ℃×1 h(油淬)+580 ℃×1 h(空冷)。粉末和試塊成分見表1。激光熔化沉積修復(fù)試驗是采用同軸送粉的6 kW光纖激光加工綜合系統(tǒng)在40CrNiMoA鋼試塊的6個面上進(jìn)行沉積修復(fù)試驗，其試驗示意圖見圖2，修復(fù)工藝參數(shù)見表2。

采用線切割方法分別截取40CrNiMoA高強(qiáng)鋼母材和激光修復(fù)接頭的金相和顯微硬度試樣，然后進(jìn)行細(xì)磨，并對試樣進(jìn)行機(jī)械拋光和組織形貌腐蝕，腐蝕劑是3.5%的硝酸酒精，腐蝕時間約為30 s。采用FM-800型顯微硬度儀測試母材和修復(fù)接頭的顯微硬度性能，試驗載荷為4.9 N，加載時間為15 s；采用BX51M型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-7900F型掃描電鏡(SEM)及其配備的EDS對其微觀組織進(jìn)行觀察和分析。參照HB 5194—1981，將圖2所示的修復(fù)試樣表面磨平，然后采用周期浸潤腐蝕法對同尺寸的母材和修復(fù)后的試樣進(jìn)行耐腐蝕性能對比測試。

圖1 高Co-Ni二次沉淀硬化鋼粉末顆粒形貌

圖2 激光熔化沉積修復(fù)試樣的尺寸和制備示意圖

ItemCMnSiCoMoCrNiFeHigh Co-Ni steel powders0.120.250.1511.602.018.32Bal.40CrNiMoA steel0.390.650.200.220.801.52Bal.

表2 激光熔化沉積修復(fù)工藝參數(shù)Table 2 Repairing parameters of laser melting deposition

1.2 母材與激光熔化沉積修復(fù)接頭的顯微組織分析

圖3是40CrNiMoA鋼母材及其激光修復(fù)接頭的光學(xué)組織形貌。由圖3a可知，激光熔化沉積修復(fù)接頭是由修復(fù)區(qū)(LRZ)和熱影響區(qū)(HAZ)組成，激光修復(fù)區(qū)厚度約為0.4 mm，沉積道寬度約為0.5 mm，40CrNiMoA鋼基體上熱影響區(qū)的深度為0.4～0.5 mm，略大于修復(fù)區(qū)厚度。進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，修復(fù)區(qū)與40CrNiMoA鋼基體上HAZ的界面處實現(xiàn)了完好的冶金結(jié)合(圖3b)。

圖4是40CrNiMoA鋼母材的顯微組織，可見，母材是由兩相(即深灰色基體相和亮灰色相)層片結(jié)構(gòu)和少量在晶內(nèi)析出的白色顆粒狀相組成。根據(jù)Fe-Fe3C相圖[11]和母材熱處理制度，可以推斷出40CrNiMoA高強(qiáng)鋼母材組織是馬氏體在高溫(500～650 ℃)回火作用下產(chǎn)生的回火索氏體，基體上少量的白色顆粒相是粗化的滲碳體顆粒。

圖3 試樣橫截面形貌Fig.3 Cross-section morphology of experimental specimen

圖4 40CrNiMoA鋼母材的顯微組織Fig.4 Microstructure of the 40CrNiMoA steel base metal

圖5是激光熔化沉積修復(fù)接頭(包括熱影響區(qū)與高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū))顯微組織的SEM照片。相比于40CrNiMoA鋼基體(圖4)，熱影響區(qū)組織發(fā)生了較明顯的變化，根據(jù)圖5a所示的組織形貌、

化學(xué)成分(表1)和現(xiàn)有文獻(xiàn)[7,12-13]可以判定，其組織由最初的回火索氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂衅瑺罱Y(jié)構(gòu)的馬氏體組織。

高Co-Ni二次沉淀硬化鋼修復(fù)區(qū)呈現(xiàn)為明顯的柱狀結(jié)構(gòu)(圖5b)，由于凝固過程中晶?？偸莾?yōu)先從固液界面處沿著最大溫度梯度方向進(jìn)行凝固生長[14]，因此柱狀晶的延伸方向總是垂直于熔池底部(即基體或前一條沉積道的重熔區(qū)邊緣)，從而引起不同的晶粒生長方向，進(jìn)而導(dǎo)致修復(fù)區(qū)出現(xiàn)不同形貌的柱狀晶粒，如圖5b所示。將修復(fù)區(qū)進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)，高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)是由深灰色柱狀晶基體相、晶界處灰色塊狀相、在柱狀晶內(nèi)析出的白色針狀析出相(圖5c)以及尺寸≤0.1 mm的桿狀析出物(圖5d)組成。表3為采用EDS測得各相的化學(xué)成分。

表3 采用EDS測得的激光熔化沉積修復(fù)區(qū)及其各相的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 3 Chemical composition of the laser repaired zone and each phase by EDS on SEM (mass fraction /%)

激光熔化沉積的高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)的XRD分析圖譜(圖6)表明，修復(fù)區(qū)中含有大量bcc結(jié)構(gòu)的鐵素體和少量M3C型碳化物(即Fe(Cr,Co,Ni)3C滲碳體)。同時根據(jù)Fe-Co-Ni三元相圖[11]、各相的特征(包括相形貌、分布、尺寸以及化學(xué)成分)和文獻(xiàn)[15-18]可以確定，含有最高Fe含量和相對較低Co、Ni含量的柱狀晶(即基體相)為C元素過飽和的鐵素體，含有較高C含量的針狀析出相(圖5c中“3”所示)顯然是M3C型滲碳體，含有最高Co、Ni含量的晶界塊狀相(圖5c中“2”所示)則應(yīng)為殘余奧氏體，而尺寸非常細(xì)小的桿狀析出物(圖5d中黑色箭頭所示)則是具有強(qiáng)烈沉淀強(qiáng)化作用的M2C型碳化物。

圖6 激光修復(fù)區(qū)的X射線衍射圖Fig.6 X-ray diffraction pattern of the laser repaired zone

1.3 母材與激光熔化沉積修復(fù)接頭的顯微硬度

圖7是40CrNiMoA鋼基體及其激光熔化沉積修復(fù)區(qū)的顯微硬度。從圖7可知，激光修復(fù)區(qū)的顯微硬度值顯著高于40CrNiMoA鋼基體(包括熱影響區(qū)和母材)，這表明采用激光熔化沉積技術(shù)在表面修復(fù)成形高Co-Ni二次沉淀硬化鋼涂層能夠有效提高40CrNiMoA鋼零件表面的耐磨性能。另外，40CrNiMoA鋼基體上緊鄰激光修復(fù)區(qū)的熱影響區(qū)，深度約為0.45 mm(圖3)的顯微硬度值也明顯高于其原始母材。

圖7 激光修復(fù)區(qū)和40CrNiMoA鋼基體的顯微硬度

1.4 母材與激光熔化沉積修復(fù)區(qū)的耐腐蝕性能

圖8是40CrNiMoA鋼母材和高Co-Ni修復(fù)區(qū)經(jīng)168 h周期浸潤后的腐蝕速率試驗結(jié)果，兩者對比發(fā)現(xiàn)，激光熔化沉積修復(fù)后試樣的腐蝕速率約為20 g/(h·m2)，而40CrNiMoA鋼母材的腐蝕速率則高達(dá)100.4 g/(h·m2)，是激光修復(fù)后試樣腐蝕速率的5倍。顯然，采用激光熔化沉積技術(shù)在表面修復(fù)成形高Co-Ni二次沉淀硬化鋼涂層能夠有效提高40CrNiMoA鋼零件表面的耐腐蝕性能。

圖8 激光修復(fù)區(qū)和40CrNiMoA鋼母材的耐腐蝕性能

2 分析與討論

2.1 熱影響區(qū)和激光修復(fù)區(qū)顯微組織演變機(jī)制

目前關(guān)于鋼的研究已非常成熟，鋼中常見的物相有鐵素體、奧氏體、珠光體、貝氏體、滲碳體和馬氏體等。由Fe-Fe3C相圖[11]可知，40CrNiMoA鋼以平衡凝固方式從高溫奧氏體相區(qū)冷卻至室溫后的微觀組織由珠光體和鐵素體組成。但經(jīng)激光熔化沉積修復(fù)后，40CrNiMoA鋼基體上緊鄰修復(fù)區(qū)的熱影響區(qū)組織卻是片狀馬氏體結(jié)構(gòu)。按照鋼材料的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(CCT)曲線[1,19]，鋼材料凝固過程中冷卻速率對40CrNiMoA鋼的微觀組織有很大影響，由于激光熔化沉積過程中冷卻速率高達(dá)103～105℃/s[19-22]，不僅遠(yuǎn)高于40CrNiMoA鋼平衡凝固方式(即爐冷)的冷卻速率，還明顯高于其馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率[1,15,18-19]。顯然，激光熔化沉積修復(fù)過程中的快速冷卻極大地限制了母材中Fe和C原子的擴(kuò)散，使得40CrNiMoA鋼基體上因激光加熱作用而出現(xiàn)奧氏體化的區(qū)域(即熱影響區(qū))在后續(xù)冷卻過程中發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致40CrNiMoA鋼基體上熱影響區(qū)組織由最初的回火索氏體(圖4)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體結(jié)構(gòu)(圖5a)。

激光修復(fù)區(qū)是由高Co-Ni鋼粉末通過激光熔化沉積成形方式獲得，不同于熱影響區(qū)組織的轉(zhuǎn)變機(jī)制，修復(fù)區(qū)組織不僅與冷卻速率有關(guān)，其元素成分和激光熔化沉積過程中的熱循環(huán)也有至關(guān)重要的作用。修復(fù)區(qū)中較高的Co(約11.4%)和Ni(約8.2%)含量使其奧氏體轉(zhuǎn)變溫度大幅降低，這促使部分奧氏體相在激光熔化沉積修復(fù)過程中元素偏析作用下能夠保留到室溫[15,17,23]，而C元素過飽和的鐵素體和滲碳體則是在激光熔化沉積的冷卻過程中從高溫奧氏體固態(tài)轉(zhuǎn)變而來。顯然激光熔化沉積過程的快速冷卻特性是導(dǎo)致C元素過飽和鐵素體形成的主要原因。此外，由于激光熔化沉積修復(fù)的沉積道寬度非常窄，僅0.5 mm左右(圖3)，因此在激光熔化沉積修復(fù)過程中，每一沉積道都對上一沉積道具有顯著的高溫(約550～650 ℃)回火作用，從而促進(jìn)了高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)中C元素的擴(kuò)散，根據(jù)文獻(xiàn)[6,18]可知，高Co-Ni二次沉淀硬化鋼的高溫回火產(chǎn)物主要是M3C滲碳體。

顯然，小尺寸的桿狀M2C型碳化物也是激光熔化沉積過程熱循環(huán)的回火作用下獲得的另一析出相。但不同于M3C滲碳體，M2C型碳化物是中低溫回火析出相，析出溫度為200～500 ℃，盡管其從C元素過飽和鐵素體中析出的驅(qū)動能高于M3C、M6C和M7C3等穩(wěn)態(tài)碳化物，但高Co-Ni鋼中較高含量Co和Ni有著阻礙位錯恢復(fù)作用，大幅提高了碳化物形核源點(diǎn)和驅(qū)動能[15,23]，從而促使了M2C型碳化物的析出。同時較大的驅(qū)動能被用于其形核析出，也導(dǎo)致M2C型碳化物的尺寸普遍非常細(xì)小，如圖5d所示。

2.2 微觀組織和元素成分對顯微硬度的影響

微觀組織結(jié)構(gòu)上的差異是導(dǎo)致40CrNiMoA鋼基體上熱影響區(qū)與母材的顯微硬度值不同的根本原因。顯然，在鋼材料中，相比于鐵素體、珠光體、奧氏體和貝氏體等微觀相結(jié)構(gòu)，馬氏體結(jié)構(gòu)具有最大硬度，這是因為C元素間隙固溶強(qiáng)化和馬氏體轉(zhuǎn)變引起的大量位錯均具有顯著提高硬度性能的作用，因此，微觀組織由馬氏體組成的熱影響區(qū)的顯微硬度值能夠明顯高于顯微組織是回火索氏體的40CrNiMoA鋼母材。

激光熔化沉積的高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)的顯微硬度主要與其微觀組織和元素成分有關(guān)。盡管其馬氏體相含量低于熱影響區(qū)，但修復(fù)區(qū)含有較高的Co(約11.4%)和Ni(約8.2%)含量，這些合金元素不僅具有固溶強(qiáng)化和增加體積晶格畸變和位錯的作用，還能夠有效促使二次沉淀強(qiáng)化相(即細(xì)小的M2C型碳化物)的析出[23-24]，綜合M2C型碳化物的二次沉淀硬化、高Co、Ni元素的固溶強(qiáng)化、M3C滲碳體的沉淀強(qiáng)化和C元素過飽和鐵素體的相變強(qiáng)化作用，致使高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)擁有比熱影響區(qū)更高的顯微硬度值。

2.3 元素成分對耐腐蝕性能的影響

目前合金化是提高鋼材料耐腐蝕性能的有效手段。相比于40CrNiMoA鋼母材，激光熔化沉積的高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)含有約11.4%的Co、8.2%的Ni和2.0%的Cr。這3種合金化元素均具有穩(wěn)定鋼材料表面銹層和有效抑制Cl-侵入的作用，較高的Cr和Ni含量還具有抑制C元素擴(kuò)散和緩解晶粒成分偏析的效果，同時Cr、Ni元素的存在還能夠促進(jìn)保護(hù)性銹層生成[25-26]，從而降低鋼的腐蝕速率和提高鋼的耐蝕性。因此在上述3種防護(hù)機(jī)制綜合作用下，導(dǎo)致激光熔化沉積的高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)的耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于修復(fù)前的40CrNiMoA鋼母材。

3 結(jié)論

1)40CrNiMoA高強(qiáng)鋼表面的激光熔化沉積修復(fù)接頭是由高Co-Ni二次沉淀硬化鋼修復(fù)區(qū)和40CrNiMoA鋼基體上熱影響區(qū)組成。熱影響區(qū)組織是由典型的片狀馬氏體構(gòu)成，高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)的組織是由C元素過飽和的鐵素體、殘余奧氏體、M3C滲碳體和細(xì)小的桿狀M2C型碳化物組成。

2)采用高Co-Ni二次沉淀硬化鋼粉末激光熔化沉積修復(fù)的40CrNiMoA鋼，其顯微硬度由高至低排序是高Co-Ni鋼修復(fù)區(qū)>熱影響區(qū)>40CrNiMoA鋼母材。

3)在40CrNiMoA高強(qiáng)鋼表面激光熔化沉積修復(fù)高Co-Ni二次沉淀硬化鋼涂層后，腐蝕速率出現(xiàn)大幅降低，使得其耐腐蝕性能得到顯著提高。