趙 萌，解乃軍，史建軍，花慧敏，施文博

(1.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167)

激光熔覆成形(Laser Cladding Forming，簡(jiǎn)稱(chēng)LCF)技術(shù)作為一種兼顧成形效率和高性能成形一體化需求的先進(jìn)制造技術(shù)，以激光為熱源熔化金屬材料，以逐層疊加的方式制備實(shí)體零件[1-3]。LCF成形速度較SLM(激光選區(qū)熔化)技術(shù)快30倍以上；適用于鈦合金、鋁合金、鎳合金、不銹鋼等材料的增材制造[4-7]；能夠賦予材料新的性能，降低制造成本，節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬元素[8]。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，激光熔覆成形技術(shù)日益發(fā)展成熟，在航空航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用[9]。而隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，單一材料制造的零件性能已無(wú)法滿(mǎn)足特定產(chǎn)品的功能要求，人們對(duì)金屬工件的性能要求越來(lái)越高，將多種材料組合成單個(gè)組件以擴(kuò)展其功能范圍的能力對(duì)于復(fù)雜工程系統(tǒng)的不斷優(yōu)化具有巨大的價(jià)值[10-11]。

鑒于此，本文根據(jù)貝殼微觀結(jié)構(gòu)的仿生模型的研究證明具有磚泥結(jié)構(gòu)的異質(zhì)異構(gòu)對(duì)抗沖擊性能有明顯的提升為研究雙材金屬界面結(jié)合能力[12-15]，現(xiàn)選用ln718作為泥，T91、SSL316、SSL304以及Fe30作為磚，進(jìn)行兩兩結(jié)合，用交叉與層疊兩種結(jié)構(gòu)驗(yàn)證不同金屬材料熔凝過(guò)程中的兼容性和層間界面的結(jié)合能力，為工業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)樣件制備

本次實(shí)驗(yàn)的樣件來(lái)自南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的LDM8060激光送粉熔覆成形設(shè)備，其設(shè)備結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

圖1 LDM8060激光熔覆成形設(shè)備組成

選用在模具行業(yè)具有耐熱性的ln718與冶金行業(yè)常用的T91、SSL316、SSL304以及Fe30四種鐵基合金進(jìn)行兩種結(jié)構(gòu)的組合。

針對(duì)磚泥結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了如圖2所示的異質(zhì)材料交叉結(jié)構(gòu)，即每塊磚均沿同向放置，上下、左右相鄰的磚均為異質(zhì)材料；圖3所示的異質(zhì)材料層疊結(jié)構(gòu)，即同一層磚沿同向放置，相鄰層的磚則為垂直交疊放置。圖3中黑色代表異質(zhì)材料中的“泥”即ln718，白色為異質(zhì)材料中的“磚”即T91、SSL316、SSL304、Fe30，樣塊按如下設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印。

圖2 交叉結(jié)構(gòu)

圖3 層疊結(jié)構(gòu)

選用鎳基718(In718)作為“磚”，并將其分別與鐵基T91、不銹鋼SSL304、不銹鋼SSL316和鐵基Fe30為“泥”的材料進(jìn)行異質(zhì)熔凝結(jié)合。由前期的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)可知，LDM8060激光熔覆成形設(shè)備的最佳工作光斑大小為3 mm，此時(shí)光粉耦合效果可獲得最大粉末利用率，因此未熔粉末對(duì)相鄰異質(zhì)熔道的污染影響最小。根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定熔道高度為0.3 mm。由正交實(shí)驗(yàn)方法，確定激光熔覆成形過(guò)程中，激光功率、送粉量、掃描速度對(duì)單道熔覆層高度的影響規(guī)律，獲得了最佳工藝參數(shù)組合為：激光功率P=1 000 W，掃描速度V=16 mm/s，送粉量mp=7 g/min。制成的異構(gòu)試樣分別標(biāo)記為T(mén)1、T2、T3、T4、S1、S2、S3、S4。材料和結(jié)構(gòu)組合如圖4所示。

圖4 異質(zhì)異構(gòu)試樣組合

選擇上述實(shí)驗(yàn)方法和工藝參數(shù)進(jìn)行了不同異質(zhì)材料組合的成形實(shí)驗(yàn)，成形體尺寸為寬度方向：20道，高度方向：50層，樣件總體尺寸：30 mm×30 mm×10 mm。打印樣件如圖5所示。由圖5可以看出，所有成形樣塊在長(zhǎng)、寬、高方向上均保持了較好的尺寸精度，沒(méi)有出現(xiàn)塌陷、開(kāi)裂、氣孔等缺陷。

圖5 異質(zhì)異構(gòu)金屬打印樣塊

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

由圖6(a)可以看到，交叉結(jié)構(gòu)中，T91的組織晶粒較為粗大，這主要是由于T91中碳含量較高，同時(shí)In718成形的過(guò)程中，過(guò)大的熱輸入量對(duì)其長(zhǎng)生的熱影響作用大，使得T91的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了再結(jié)晶；SSL304和SSL316的組織均出現(xiàn)了不同程度的微裂紋，這主要是由于不銹鋼材料的硬度較高，再成形過(guò)程中，熱循環(huán)的影響對(duì)不同熱膨脹系數(shù)異質(zhì)材料之間的擠壓而造成的；Fe30的組織結(jié)構(gòu)則為出現(xiàn)較為明顯的缺陷。交叉結(jié)構(gòu)樣塊中，In718材料的微觀組織晶粒細(xì)小，均未出現(xiàn)明顯的缺陷，符合“磚”結(jié)構(gòu)材料的要求。

對(duì)圖6(b)層疊結(jié)構(gòu)的微觀組織分析，與交叉結(jié)構(gòu)的情形類(lèi)似，T91組織中出現(xiàn)了明顯的氣孔，而不銹鋼材料則有微裂紋的存在。

以上結(jié)果說(shuō)明，本實(shí)驗(yàn)確定的工藝方法和工藝參數(shù)組合對(duì)成形結(jié)構(gòu)的影響不大，具有較好的普適性。

圖6 異質(zhì)異構(gòu)樣塊微觀組織

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)

由圖7(a)可以看出，交叉結(jié)構(gòu)的樣塊均出現(xiàn)了明顯的異質(zhì)材料界面過(guò)渡區(qū)域，但范圍有所差異。其中，T91材料的過(guò)渡區(qū)較大，且晶粒粗大，這與微觀組織的分析保持一致；而SSL304材料的界面過(guò)渡區(qū)較T91有所減小，過(guò)渡區(qū)晶粒粗大，但右側(cè)的本體區(qū)域晶粒較小，沒(méi)有受到In718成形過(guò)程或熱循環(huán)的影響；SSL316的界面過(guò)渡區(qū)呈明顯的曲線分布，且過(guò)渡區(qū)域不明顯；Fe30的過(guò)渡界面平整且無(wú)明顯的過(guò)渡區(qū)域，兩側(cè)的In718和Fe30的微觀組織分布非常均勻，晶粒細(xì)小。

由圖7(b)對(duì)層疊結(jié)構(gòu)的分析也可以看出類(lèi)似的規(guī)律，但是可以發(fā)現(xiàn)，層疊結(jié)構(gòu)的界面過(guò)渡區(qū)域的不規(guī)則性要大于交叉結(jié)構(gòu)，這可能跟樣塊的結(jié)構(gòu)存在關(guān)系。

圖7 異質(zhì)材料結(jié)合界面電鏡分析

2.3 界面元素分布

通過(guò)對(duì)異質(zhì)材料結(jié)合界面過(guò)渡區(qū)的進(jìn)行組織觀察發(fā)現(xiàn)，不同材料之間界面大小形態(tài)均存在較大差異。

對(duì)交叉結(jié)構(gòu)的樣塊過(guò)渡區(qū)元素分布進(jìn)行了EDS測(cè)定，如圖8所示。可以明顯看出在4類(lèi)樣件的過(guò)渡界面上，元素含量發(fā)生“突變。這是由于不同材料之間元素成分差別較大造成的，但與界面電鏡圖像不一樣的是，元素分布并不存在明顯的過(guò)渡區(qū)。這說(shuō)明在異質(zhì)材料界面熔凝過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)生元素滲透，這主要是由于本實(shí)驗(yàn)選擇的鎳基合金In718和與之組合的4種鐵基材料具有相近的熔點(diǎn)(均在1 200～1 300 ℃)，在試驗(yàn)較大寬高比的情況下，激光提供的能量剛剛滿(mǎn)足熔池形成的基本條件，而沒(méi)有多余的能量去熔化相鄰熔道的異質(zhì)金屬。

通過(guò)對(duì)鎳基合金In718和4種鐵基合金中Fe、Ni含量及彈性模量的進(jìn)一步對(duì)比(見(jiàn)圖9)，可以發(fā)現(xiàn)：In718中Fe含量為18%，與此含量最近的為Fe30中的56%；In718中Ni含量為55%，與此含量最近的也為Fe30中的35%；彈性模量則是In718與Fe30相差最大。這說(shuō)明，在近熔點(diǎn)異質(zhì)材料成形時(shí)，彈性模量差異大、元素成分含量相近有利于形成性能良好的界面。

3 結(jié) 論

(1)采用了交叉和層疊兩種結(jié)構(gòu)模擬了珍珠層結(jié)構(gòu)。從工藝過(guò)程上看，這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)成形參數(shù)的限制不大，均可以獲得致密度為100%的成形樣件。

(2) 進(jìn)行的以鎳基材料為“磚”，4種不同鐵基材料為“泥”的實(shí)驗(yàn)中，微觀結(jié)構(gòu)和界面形貌出現(xiàn)了較大差異。其中In718+Fe30的組合，從實(shí)驗(yàn)分析的角度看，性能為最優(yōu)。但整體上，鎳基材料與鐵基材料組合的冶金結(jié)合機(jī)理和界面韌性機(jī)理尚不明確。需針對(duì)樣件的力學(xué)性能，包括：微觀硬度、拉伸實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)等需制備新的試樣，驗(yàn)證仿生結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的改變。

圖8 異質(zhì)材料結(jié)合界面EDS元素分布

圖9 異質(zhì)材料Fe， Ni成分及彈性模量對(duì)比