程東海，程沛源，熊震宇，王 德

（南昌航空大學(xué)，南昌 330063）

1Cr17Ni2是一種綜合性能優(yōu)異的馬氏體–鐵素體不銹鋼合金，在航空航天、醫(yī)療、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，尤其是航空航天上得到了廣泛的應(yīng)用[1–3]。1Cr17Ni2不銹鋼屬于高強(qiáng)不銹鋼，可以承受飛機(jī)高速起飛時的高溫，早在20世紀(jì)蘇聯(lián)就嘗試采用高強(qiáng)不銹鋼制造戰(zhàn)斗機(jī)，并取得了卓越的成就。1Cr17Ni2不銹鋼在使用過程中容易因為磨損造成表面損傷，通過對零件表面的損傷部位進(jìn)行修復(fù)可延長其使用壽命，有利于降低成本，提高效益，節(jié)約貴重稀有金屬材料[4]。

激光熔覆是利用激光束將合金基體與熔覆材料相結(jié)合，在基體表面形成高性能熔覆層的熔覆技術(shù)[5]。激光熔覆技術(shù)利用激光作為熱源，同時熔化填充材料和基體，并在基體表面形成冶金涂層，從而改善其表面力學(xué)性能[6–7]。激光熔覆技術(shù)具有激光能量密度高、精密性高、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[8–9]，因此，越來越多地被應(yīng)用于不銹鋼的表面修復(fù)中。1Cr17Ni2不銹鋼具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性[10–12]。為了解決不銹鋼使用過程中的損傷問題，學(xué)者對不銹鋼的修復(fù)進(jìn)行了大量的研究。蘇建華[13]采用TIG堆焊的修復(fù)方式對不銹鋼表面產(chǎn)生的點狀腐蝕進(jìn)行修復(fù)，堆焊后的修復(fù)質(zhì)量滿足了耐腐蝕性能的需求。高繼文等[14]采用熱噴涂技術(shù)對316L不銹鋼表面磨損帶來的尺寸超差問題進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果表明，熱噴涂技術(shù)可以有效提升零件表面的耐腐蝕性能。崔靜等[15]對316L不銹鋼進(jìn)行了激光修復(fù)，試驗結(jié)果表明激光修復(fù)后不銹鋼表面的耐蝕性能得到了明顯的提高。

綜上所述，目前對不銹鋼的研究主要以提高不銹鋼的耐腐蝕性能為主，對不銹鋼修復(fù)后表面硬度以及組織變化的研究較少。本研究采用GH4169合金粉末對1Cr17Ni2不銹鋼進(jìn)行激光熔覆，GH4169合金是一種高硬度的高溫合金，作為一種熔覆材料可以有效改善基體的顯微硬度，達(dá)到提升不銹鋼表面硬度的效果[16]。同時，GH4169合金是航空航天領(lǐng)域大量使用的一種高溫合金，采用這種合金對不銹鋼進(jìn)行激光修復(fù)也可以節(jié)省成本。由于在激光熔覆過程中，掃描速度是一個極其重要的焊接工藝參數(shù)，掃描速度的變化影響著熱輸入量的大小，從而對激光修復(fù)后熔覆層的顯微組織和力學(xué)性能有重要的影響。因此，本研究以掃描速度為主要變量，通過改變掃描速度研究修復(fù)層顯微組織及力學(xué)性能的變化，以期獲得與基體匹配性良好、力學(xué)性能優(yōu)良的熔覆層，為1Cr17Ni2不銹鋼的表面修復(fù)提供新的思路。

1 試驗方案及材料

試驗采用的待修復(fù)基體為直徑40mm的1Cr17Ni2不銹鋼棒材，在進(jìn)行修復(fù)試驗前對棒材表面進(jìn)行清潔、烘干。修復(fù)粉末為GH4169合金，粉末粒度為100目。試驗在由IPG YLS–4000型光纖激光器、數(shù)控工作臺、GTV PF2/2型高精度雙路可調(diào)送粉器、四路同軸送粉噴嘴以及惰性氣氛保護(hù)罩組成的激光增材修復(fù)平臺上進(jìn)行，采用氬氣進(jìn)行防護(hù)。試驗過程中固定激光功率為P=1200W，掃描速度Vs分別為0.006m/s、0.009m/s、0.012 m/s以及0.015m/s。

將試樣制成大小為Φ30mm鑲嵌塊并打磨拋光，配置體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸水溶液腐蝕金相側(cè)，用5g CuSO4+20mL HCl+25mL C2H5OH溶液腐蝕熔覆層。腐蝕后立即用自來水沖洗，用酒精輕輕擦拭表面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。對得到的試樣組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 熔覆接頭顯微組織分析

圖1為GH4169激光修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼熔覆接頭橫截面及其顯微形貌，熔覆接頭主要由熔覆層、熱影響區(qū)以及基體構(gòu)成?？梢钥闯?，熔覆接頭成形良好，接頭表面平滑，熔覆層較為飽滿。熔覆層顯微組織為細(xì)長緊密的柱狀晶組織，垂直于熔合線生長。細(xì)密的顯微組織可以有效地提高熔覆層的力學(xué)性能，尤其是顯微硬度。

圖1 熔覆接頭橫截面及顯微組織形貌Fig.1 Cross section and microstructure of cladding joint

激光功率為1200W，掃描速度為0.012m/s時，1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭熔覆區(qū)SEM圖如圖2所示，可知，GH4169合金激光修復(fù)不銹鋼后，合金修復(fù)接頭在熔覆區(qū)枝晶間均析出了有害相Laves相，其在形貌上表現(xiàn)為塊狀結(jié)構(gòu)。通過測量發(fā)現(xiàn)此時枝晶間析出的Laves相的體積分?jǐn)?shù)為1.3%。這是因為隨著掃描速度的上升，熱輸入逐漸減少，在較高掃描速度下，待修復(fù)金屬溫度與當(dāng)前熔池基體溫度下降的速度較高，熔池冷卻速度加快，因此明顯抑制了Nb在枝晶間的析出，使Laves相的析出量有所下降。Nb元素在熔池冷卻過程中極易出現(xiàn)枝晶偏析，在枝晶間形成富鈮帶，組織中的δ相、MC相和Laves相同樣富含Nb元素，導(dǎo)致枝晶干中Nb元素的含量相對較少，由于Nb元素是GH4169合金中主要強(qiáng)化相γ″（化學(xué)式為Ni3Nb）的重要元素，Nb元素的缺失會導(dǎo)致熔覆層的力學(xué)性能下降，通過抑制Nb元素偏析，可在枝晶中產(chǎn)生發(fā)達(dá)的二次臂，減少枝晶間隙，提高接頭抵抗外力產(chǎn)生滑移變形的能力。

圖2 1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭SEM圖（P =1200W，Vs =0.012m/s）Fig.2 SEM of 1Cr17Ni2 stainless steel alloy joint (P =1200W, Vs =0.012m/s)

圖3和4及表1為合金修復(fù)接頭在激光功率P=1200W、掃描速度Vs=0.012m/s時，從熔覆區(qū)底部到不銹鋼熱影響區(qū)的線掃描及能譜分析結(jié)果。從圖3中可知，熔覆區(qū)與熱影響區(qū)之間熔合線附近的組織分布較為均勻且無缺陷。GH4169合金激光增材修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼的過程中，由于能量集中，使熔化合金粉末中的Nb、Mo等元素沿著垂直于熔合線方向朝不銹鋼基體熔池中擴(kuò)散。從圖4及表1的EDS分析可知，在熔合線附近處Fe元素對應(yīng)的峰值最大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.48%，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為16.16%，Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為11.10%，Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.26%。從Fe元素在熔合線附近形成的峰值，且不銹鋼側(cè)出現(xiàn)Nb、Mo等元素可以看出，不銹鋼基體與GH4169合金在最佳工藝參數(shù)下，元素相互擴(kuò)散使結(jié)合更加緊密。

表1 最佳工藝參數(shù)下1Cr17Ni2–合金接頭熔合線處元素成分Table 1 Composition analysis of 1Cr17Ni2 alloy joint fusion line under optimum process parameters

圖3 最佳工藝參數(shù)下1Cr17Ni2–合金接頭熔合線處線掃描Fig.3 Line scanning at fusion line of 1Cr17Ni2 alloy joint under optimum process parameters

圖4 最佳工藝參數(shù)下1Cr17Ni2–合金接頭熔合線處成分分析Fig.4 Composition analysis of 1Cr17Ni2 alloy joint fusion line under optimum process parameters

Nb元素的分布狀況對熔覆區(qū)組織和性能有著至關(guān)重要的影響，對不同工藝參數(shù)下熔覆區(qū)枝晶干和枝晶間的Nb含量進(jìn)行EDS分析，分別對5個相同條件下的試樣進(jìn)行測試，并對其結(jié)果取平均值。發(fā)現(xiàn)在熔覆區(qū)的不同部位，Nb元素含量也不同。圖5和表2為激光功率1200W、掃描速度0.012m/s時，1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭熔覆區(qū)微觀組織及EDS分析結(jié)果，特征點A為枝晶干處的能譜分析，特征點B為枝晶間的能譜分析?？芍琋b元素更傾向于往枝晶間偏析，而Fe、Cr和Ni等元素在枝晶干中的含量大于枝晶間。在較好的工藝參數(shù)下，Nb元素的枝晶偏析現(xiàn)象得到了抑制，從而提高了接頭熔覆層的力學(xué)性能。

表2 圖5各特征點成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Component analysis of each characteristic point in Fig.5 (mass fraction) %

圖5 1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭熔覆區(qū)微觀組織Fig.5 Microstructure of cladding zone of 1Cr17Ni2 stainless steel alloy joint

2.2 掃描速度對顯微組織形貌的影響

圖6為激光功率P=1200W時，不同掃描速度下1Cr17Ni2不銹鋼基體側(cè)熱影響區(qū)的金相組織?？梢钥闯觯瑹嵊绊憛^(qū)顯微組織主要由小尺寸塊狀δ鐵素體、殘余奧氏體和馬氏體等構(gòu)成，且隨掃描速度逐漸增加，熱影響區(qū)組織形貌和尺寸變化不大。

圖6 不同掃描速度下熱影響區(qū)金相組織Fig.6 Microstructure of heat affected zone under different scanning speeds

圖7為激光功率為P=1200W時，不同掃描速度下1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭熔覆區(qū)金相組織的變化?？梢钥闯?，熔覆層金相組織主要為平行生長的柱狀晶組織，晶間夾雜細(xì)小的樹枝晶組織和棒狀晶組織，這是由于在激光熔覆熔池凝固的過程中，沿基體待修復(fù)表面垂直方向的散熱速度最快，從而晶粒組織呈柱狀晶結(jié)構(gòu)。隨著掃描速度逐漸上升，熔覆區(qū)精密組織逐漸變得更加均勻致密，柱狀晶尺寸和數(shù)量逐漸減少，當(dāng)掃描速度為0.012m/s，其晶粒組織最為均勻致密。這主要是因為隨著掃描速度的提升，熱輸入量逐漸減小，晶粒生長速度逐漸下降，熔覆區(qū)柱狀晶晶粒組織逐漸變得更加細(xì)小致密。但掃描速度過高，也會使晶粒組織不能充分長大，抑制了晶粒的生長。在過高或過低的掃描速度下，晶粒組織會過于粗大或者過于細(xì)小，都有損于合金的力學(xué)性能，均勻致密的熔覆區(qū)組織可以有效地提高修復(fù)表面的綜合性能。

圖7 不同掃描速度下熔覆區(qū)中下部金相組織Fig.7 Microstructure of middle and lower part of cladding area under different scanning speeds

圖8為激光功率P=1200W時，不同掃描速度下1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭熔覆區(qū)SEM圖。熔覆區(qū)主要由基體相γ、沿晶界析出的不規(guī)則相和MC相等組成，對樹枝晶晶界上不規(guī)則的條狀相進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3所示；對不同掃描速度下枝晶干中Nb元素平均含量進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表4所示。

表3 熔覆區(qū)晶界處元素分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Element analysis at grain boundary of cladding zone (mass fraction) %

表4 不同掃描速度下枝晶干處Nb元素含量Table 4 Content of Nb in dendrite stem at different scanning speeds

圖8 不同掃描速度下熔覆區(qū)組織SEM圖Fig.8 SEM of microstructure of cladding zone at different scanning speeds

根據(jù)能譜分析結(jié)果可知不規(guī)則相為δ相，對熔覆區(qū)枝晶干處Nb元素平均含量進(jìn)行測量，可知枝晶干中Nb元素含量隨掃描速度的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，隨著掃描速度的增加，更多Nb元素從枝晶間往枝晶干處擴(kuò)散，抑制了枝晶間因存在過多Nb而形成富鈮帶甚至析出脆性有害相Laves。這主要是由于掃描速度的逐漸上升使熔池中的能量累計逐漸下降，提高了熔池凝固速率，從而抑制了Laves相形成所必需的元素Nb往枝晶間的偏析，使更多Nb留在枝晶干中形成穩(wěn)態(tài)強(qiáng)化相γ′及亞穩(wěn)態(tài)強(qiáng)化相γ″，從而提高合金修復(fù)接頭的組織及性能；當(dāng)掃描速度過高時，合金粉末還未完全熔化，整個修復(fù)過程結(jié)束，導(dǎo)致了枝晶干中Nb元素含量的下降?？梢钥闯?，當(dāng)掃率速度為0.012m/s時，枝晶干處Nb元素的含量最高。

2.3 熔覆接頭顯微硬度

激光功率P=1200W時，不同掃描速度下GH4169合金激光修復(fù)1Cr17Ni2不銹鋼熔覆接頭顯微硬度測量值如表5所示，圖9所示為相應(yīng)變化趨勢?？芍?，當(dāng)激光功率保持不變時，各區(qū)域硬度測量值隨掃描速度的增加大致呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。

表5 接頭顯微硬度測量數(shù)據(jù)Table 5 Microhardness measurement date of joint HV0.2

從圖9可以看出，當(dāng)激光功率保持不變時，熔覆接頭各區(qū)域顯微硬度整體波動不大。隨著距離熔覆層頂部距離的增加，顯微硬度大體上不斷下降。距離熔覆層頂部距離一定時，隨著掃描速度增加，熔覆層顯微硬度先升后降，在掃描速度為0.012m/s時，平均值達(dá)到峰值330.64HV0.2。這是由于隨著掃描速度的增加，熔覆層的晶粒組織得到了顯著改善，為平行生長的均勻致密的柱狀晶組織，晶間夾雜細(xì)小的樹枝晶組織和棒狀晶組織。同時，熔覆層中的Nb元素偏析現(xiàn)象得到緩解，更多的強(qiáng)化相析出，因此在此時熔覆層的顯微硬度得到了明顯的提升。而隨著掃描速度的繼續(xù)上升，熱輸入量繼續(xù)減少，熔覆區(qū)柱狀晶生長不完全，從而導(dǎo)致晶體間空隙增大，熔覆區(qū)顯微硬度下降。從顯微硬度的變化趨勢可看出，掃描速度Vs為0.012m/s時，對熔覆層顯微硬度的提升效果最好。

圖9 顯微硬度變化曲線Fig.9 Microhardness change curve

3 結(jié)論

（1）1Cr17Ni2不銹鋼在激光功率P=1200W、掃描速度Vs=0.012m/s時，修復(fù)效果最佳。熔覆區(qū)主要由γ相、強(qiáng)化相γ′和γ″以及δ相組成。熔覆區(qū)晶粒組織主要為柱狀晶及樹枝晶組織，晶粒尺寸主要受熱輸入量的影響，隨著熱輸入量的增加晶粒尺寸也逐漸增加。

（2）在激光熔覆熔池凝固過程中會有Laves有害相生成。在最佳工藝參數(shù)下Nb元素的偏析受到抑制，熔覆區(qū)枝晶干中Nb元素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)回升至5.58 %，Laves相平均體積分?jǐn)?shù)下降至2.3%；GH4169合金中元素沿垂直于熔合線方向朝不銹鋼中擴(kuò)散，冶金結(jié)合良好。

（3）1Cr17Ni2不銹鋼–合金接頭各區(qū)域的平均硬度值隨掃描速度的逐漸增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢；各區(qū)域平均硬度值排序為：熔覆區(qū)>1Cr17Ni2不銹鋼基體>熱影響區(qū)；當(dāng)激光功率P=1200W、掃描速度Vs=0.012m/s時平均硬度值最高為330.64HV0.2，較1Cr17Ni2不銹鋼基體提高了9.78%。