王招陽 肖長源 李昌林 李思源 付一峰 祝天放 劉 策 袁立銘

激光增材制造321不銹鋼組織性能研究

王招陽 肖長源 李昌林 李思源 付一峰 祝天放 劉 策 袁立銘

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

基于激光增材制造技術(shù)，在不銹鋼基板上制備了321不銹鋼熔覆層，利用金相顯微鏡和顯微硬度計(jì)分析熔覆層的顯微組織和顯微硬度，利用XRD衍射儀分析熔覆層的成分，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和電位極化曲線分析熔覆層的耐磨和耐腐蝕性能。研究結(jié)果表明，熔覆層與基體之間呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。熔覆層主要由胞狀晶和樹枝晶組成；顯微硬度約為410HV；由于基材的混入，熔覆層中出現(xiàn)α-Fe；磨損量約為0.0108g，是基材的0.09倍；自腐蝕電流密度為3.272×10A/cm，優(yōu)于基材的4.303×10A/cm。

增材制造；321不銹鋼；顯微組織；耐磨性；耐腐蝕性

1 引言

激光增材制造技術(shù)是以高功率激光為熱源，利用計(jì)算機(jī)建立模型，通過同軸送粉的方式在基體表面制造不同形狀的零件，具有熱影響區(qū)小，自動(dòng)化程度高且易于與基體之間形成冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到金屬快速制造及零件表面修復(fù)領(lǐng)域。由于結(jié)構(gòu)的需要，零件的復(fù)雜程度越來越高，許多精密構(gòu)件的磨損會(huì)造成整個(gè)零件報(bào)廢，利用激光增材制造技術(shù)可以對(duì)磨損零件進(jìn)行修復(fù)，這就要求涂層性能能夠滿足使用要求。

321不銹鋼具備優(yōu)良的加工性能，在機(jī)械制造、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文以321不銹鋼粉末為熔覆材料，在基體表面利用增材制造技術(shù)成形了321不銹鋼熔覆層，分析了熔覆層的組織性能，研究結(jié)果有助于增加對(duì)321不銹鋼熔覆層組織性能的了解，推廣其在航天制造及零件修復(fù)方面的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用激光器為YLS-6000型光纖激光器，最大輸出功率為6000W，光斑大小為方斑5mm×5mm，光斑內(nèi)能量分布均勻。實(shí)驗(yàn)材料為粒度為45～105μm的321不銹鋼合金粉末，利用BTSF-2同軸送粉器送粉，基板材料為321不銹鋼板。合金粉末成分如表1所示。

表1 321不銹鋼合金粉末成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

選取增材制造321不銹鋼實(shí)驗(yàn)參數(shù)為激光功率2.2kW，掃描速度為7mm/s，送粉速率為13.2g/min，增材制造過程中均采用高純氬氣保護(hù)，得到的單道熔覆層形貌如圖1所示，多道多層熔覆層如圖2所示。

圖1 激光熔覆試驗(yàn)平臺(tái)

圖2 多道多層熔覆層形貌

采用王水溶液對(duì)熔覆層進(jìn)行腐蝕處理，配比為HCL:HNO3=3:1，用擦拭腐蝕的方式利用棉花輕輕擦拭表面，腐蝕時(shí)間10s，利用金相顯微鏡和數(shù)字顯微硬度計(jì)分析熔覆層顯微組織和顯微硬度；利用XRD衍射儀對(duì)熔覆層與基體的成分進(jìn)行分析；利用MM-200滑塊磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的耐磨性能，磨環(huán)材料為GCr15鋼，載荷196N，轉(zhuǎn)速200r/min，利用TG328B光學(xué)分析天平每隔半小時(shí)稱重一次。利用CHI600E電化學(xué)工作站測(cè)試材料的耐腐蝕性，首先將材料線切割為10mm×10mm×4mm的薄片，打磨后冷鑲，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液。

3 結(jié)果與分析

3.1 熔覆層顯微組織與顯微硬度

單道321不銹鋼熔覆層宏觀形貌如圖3a所示，微觀形貌如圖3b所示。由圖可知，熔覆層主要由胞狀晶與樹枝晶組成。在激光熔覆過程中，熔池中的熔融金屬以外延生長的形式形成具有顯著非平衡快速凝固組織特征的胞狀晶組織，并且隨著溫度梯度減小和凝固速率增大，形成樹枝晶組織?；w形貌如圖3c所示，熱影響區(qū)形貌如圖3d所示。由圖可知，基體組織主要是奧氏體和鐵素體，靠近熔覆層的熱影響區(qū)為較粗大的晶粒，這是由于激光熔化粉末的溫度非常高，當(dāng)熔融的液態(tài)金屬粉末接觸基體時(shí)，會(huì)有一部分基材被熔化，相鄰部位的基材受到高溫的影響晶粒長大。

圖3 顯微組織特征

單道熔覆層顯微硬度如圖4所示，由圖可知，321不銹鋼熔覆層的平均硬度約為408HV，高于基材，熔覆層底部由于基材的混入硬度較低。

圖4 顯微硬度特征

3.2 熔覆層物相分析

圖5 熔覆層物相分析

分別對(duì)基體、321粉末、熔覆層進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖5所示。由圖可知321不銹鋼粉末全部為γ-Fe，熔覆層為α-Fe和γ-Fe，在基體中存在鐵素體相，這是因?yàn)閵W氏體不銹鋼中含有適量的鐵素體有利于提高金屬抗熱裂紋和晶間腐蝕的能力，由此可以推斷出熔覆層中的α-Fe應(yīng)該為基體中進(jìn)入的。

3.3 熔覆層耐磨性分析

圖6 熔覆層耐磨性能分析

分別對(duì)熔覆層和基體進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試，如圖6所示，由圖可知，熔覆層120min磨損量為0.0244g，基體在30min摩擦磨損量為0.1156g，熔覆層的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體，這也表現(xiàn)出了熔覆層良好的耐磨性。

3.4 熔覆層耐腐蝕性分析

分別對(duì)熔覆層與基體進(jìn)行電化學(xué)腐蝕分析，極化曲線如圖7a、圖7b所示。最終測(cè)得熔覆層的自腐蝕電流為3.272×10A/cm，基體的為4.303×10A/cm，對(duì)于電化學(xué)腐蝕極化曲線來說Icorr（自腐蝕電流）越低耐腐蝕性能越好，阻抗圖譜如圖7c所示，對(duì)于阻抗圖譜，圓弧的半徑代表極化電阻，半徑越大耐腐蝕性越好。由自腐蝕電流和極化電阻可知，熔覆層的耐腐蝕性優(yōu)于基體。

a 熔覆層極化曲線

4 結(jié)束語

a. 熔覆層顯微組織主要由胞狀晶與樹枝晶組成，熱影響區(qū)組織明顯粗大，顯微硬度約為408HV，熔覆層底部由于基體的混入，硬度較低。

b. 熔覆層的物相成分主要是γ-Fe和α-Fe，其中α-Fe是由于基材的混入造成的；在相同的磨損條件下，熔覆層的耐磨性能明顯優(yōu)于基體。

c. 熔覆層的自腐蝕電流為3.272×10A/cm，基體的為4.303×10A/cm，耐腐蝕性能顯著提高。

1 徐濱士，董世運(yùn)，門平，等. 激光增材制造成形合金鋼件質(zhì)量特征及其檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀（特邀）[J]. 紅外與激光工程，2018，47(4)：8～16

2 Cheikh H E, Courant B, Branchu S, et al. Analysis and prediction of single laser tracks geometrical characteristics in coaxial laser cladding process[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2012, 50(3): 413～422

3 Smurov I. Laser cladding and laser assisted direct manufacturing[J]. Surface & Coatings Technology, 2008, 202(18): 4496～4502

4 Diaz E, Amado J M, Montero J, et al. Comparative study of Co-based alloys in repairing low Cr-Mo steel components by laser cladding[J]. Physics Procedia, 2012, 39(10): 368～375

5 Pereira J, Zambrano J, Licausi M, et al. Tribology and high temperature friction wear behavior of MCrAlY laser cladding coatings on stainless steel[J]. Wear, 2015, 330: 280～287

6 Chen Tao, Liu Defu, Wu Fan, et al. Effect of CeOon Microstructure and Wear Resistance of TiC Bioinert Coatings on Ti6Al4V Alloy by Laser Cladding[J]. Materials, 2017, 11(1): 1～14

7 雷力明，侯慧鵬，何艷麗，等. 金屬增材制造技術(shù)在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J]. 航空制造技術(shù)，2019，62(21)：22～30

8 王華明，張述泉，王韜，等. 激光增材制造高性能大型鈦合金構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)及顯微組織控制研究進(jìn)展[J]. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，37(4)：9～14

9 李靜，林鑫，錢遠(yuǎn)宏，等. 激光立體成形TC4鈦合金組織和力學(xué)性能研究[J]. 中國激光，2014，41(11)：109～113

10 Zhu Zheng. MechanicalEngineering Materials[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2007. 148～150

11 Kurz W, Fisher D J. 凝固原理[M]. 李建國，胡僑丹，譯. 北京：高等教育出版社，2010

Microstructure and Properties of Laser Additive Manufacturing 321 Stainless Steel

Wang Zhaoyang Xiao Changyuan Li Changlin Li Syuan Fu Yifeng Zhu Tianfang Liu Ce Yuan Liming

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Based on the technology of laser additive manufacturing, the 321 stainless steel alloy coating was coated on the surface of stainless steel. The microstructure and microhardness of the cladding layer were analyzed by optical microscopy and microhardness tester. The composition of the cladding layer was analyzed by XRD. The wear resistance and corrosion resistance of the cladding layer were analyzed by wear tester and polarization curve. The results showed that the cladding layer exhibited metallurgical bonding to the substrate. The microstructures of the cladding layer were composed of cell and dendrites crystals. The microhardness of the cladding layer is about 410HV; The α-Fe appears in the cladding layer due to the mixing of the substrate, abrasion loss of the cladding layer was 0.0108g, 0.09 times that of the substrate; self-corrosion current density was 3.272×10A/cm, better than 4.303×10A/cmof substrate.

additive manufacturing；321 stainless steel；microstructure；wear resistance；corrosion resistance

TG174.4

A

王招陽（1994），碩士，材料加工專業(yè)；研究方向：焊接及增材制造。

2021-04-08