陳遠龍，劉金洋，李 翔，張亦弛，完顏紹旗

（ 合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽合肥 230009 ）

316L 不銹鋼具備較佳的力學性能，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域， 隨著316L 不銹鋼應用范圍越來越廣泛， 對其表面耐腐蝕能力也提出更高的要求。 目前改變材料表面特性的技術(shù)有化學氣相沉積、物理氣相沉積、離子注入、激光表面改性等。由于前三種技術(shù)工藝較為復雜， 導致316L 不銹鋼表面改性的成本較高。

激光重熔技術(shù)是一種低成本的表面改性技術(shù)，通過高能量激光束在合金表面不間斷掃描形成較薄的改性層， 利用基體熱傳導作用使熔池中的金屬液快速冷卻、凝固，從而細化合金組織，減少偏析，形成高度過飽和固溶體等亞穩(wěn)定相乃至非晶態(tài)， 提高工件表面的硬度與耐腐蝕性能等[1-2]。 Pei 等[3]對比研究了激光重熔Q235 鋼和激光熱噴涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂層在摩爾濃度0.5 mol/L 的NaCl 溶液中腐蝕性能的影響；結(jié)果表明，激光熱噴涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂層生成鈍化膜的密度缺陷高于激光重熔涂層，耐腐蝕性較弱，這是由于激光重熔過程中生成了致密的鈍化膜抑制了點蝕現(xiàn)象，從而提高了耐腐蝕性。 李鵬等[4]采用激光重熔技術(shù)對304 不銹鋼表面進行處理，利用光學顯微鏡和能譜儀分析重熔層的微觀組織，并分析不銹鋼重熔前后的耐腐蝕性能的變化；結(jié)果表明，激光重熔處理304 不銹鋼表面可以細化晶粒、改變微觀組織，從而提高其耐腐蝕性能。王建剛等[5]通過在A356 鋁合金上選用不同激光功率進行激光重熔試驗，通過測量顯微硬度發(fā)現(xiàn)激光表面重熔后試件表面硬度有顯著的提升，同時發(fā)現(xiàn)激光重熔區(qū)中細晶強化及第二相彌散強化增加了激光重熔區(qū)的表面強度，延遲了激光重熔區(qū)中第一次裂紋的發(fā)生，激光重熔區(qū)與基體具有非常好的冶金結(jié)合能力，平均孔隙率非常低。 傅衛(wèi)等[6]通過激光熔覆修復實驗優(yōu)化了激光熔覆修復工藝參數(shù)，在對激光熔覆修復過程進行最優(yōu)控制的條件下，獲得了界面結(jié)合良好、耐腐蝕性和耐磨損性均符合要求的激光熔覆修復試樣。

本文以316L 奧氏體不銹鋼為研究對象， 通過激光重熔技術(shù)制備表面質(zhì)量較好的改性層，研究激光功率對該材料微觀組織的影響，并在質(zhì)量分數(shù)為3.5%的海鹽溶液（含Cl-、NO3-及SO42-等離子）中測試重熔處理后的改性層耐腐蝕性能，為不銹鋼耐腐蝕性能的工藝優(yōu)化和組織調(diào)控機理提供參考。

1 激光重熔溫度場的動態(tài)分析

1.1 熱源模型的建立

激光作為熔化金屬材料表面的能量輸入，在數(shù)值模擬過程中移動熱源模型的選擇將影響金屬表面熔化過程中計算結(jié)果的準確性。 研究表明，高斯熱源模型能更加貼近激光重熔工藝熱源的狀況[7-10]，其方程式為：

式中：q為該區(qū)域液相熱流密度；η 為激光熱源利用率；p為激光功率；R為激光光斑有效半徑；r為基體材料上一點與激光光斑中心距離。 仿真模擬的激光高斯面熱源模型分布見圖1。

圖1 高斯面熱源模型

在分析激光重熔的溫度場時，忽略動量邊界，主要考慮能量邊界。試樣初始溫度設定為室溫300 K，設定底面與對稱面為絕熱條件，其他表面以對流和輻射邊界條件為主。 激光重熔過程中的熱量損失主要由工件表面與周圍環(huán)境的熱對流和熱輻射導致。316L 不銹鋼熱物理屬性見表1。

表1 316L 不銹鋼材料熱物性參數(shù)

綜合考慮激光重熔過程中的熔化、凝固、相變等復雜物理化學現(xiàn)象， 本文在對其進行溫度場模擬時做出如下假設： ①工件的初始溫度設定為300 K，材料各向同性；②激光作用于模型表面的吸收率恒定，不隨時間發(fā)生變化；③不考慮材料表面受熱變形的影響。 根據(jù)以上條件，建立激光重熔316L 不銹鋼物理模型見圖2。

圖2 激光輻照316L 不銹鋼熱作用理論模型

1.2 激光功率對溫度分布規(guī)律的影響

保持激光掃描速度20 mm/s、掃描間距10 μm，其他條件不變， 改變激光功率為3、5、7、9 W 時，分別進行激光重熔熔池溫度的數(shù)值模擬， 得到不同激光功率下熔池溫度的分布云圖（圖3）。

圖3 不同激光功率下熔池溫度分布

由圖3 可見，隨著激光功率不斷增大，熔池的幾何尺寸不斷增大，激光熔池的表面形貌向上微微凸起，這是由于隨著激光功率增加，熔池的溫度逐漸增加，較高的激光功率時熔池的金屬液體有向汽化的發(fā)展趨勢。 當激光功率約3 W 時，熔池溫度達到臨界熔點；當激光功率約5 W 時，熔池的溫度較穩(wěn)定，處于液相飽和區(qū)，沒有明顯的溫度波動；當激光功率約9 W 時，熔池的金屬達到熔點后，熔池溫度波動較劇烈，改性層表面易產(chǎn)生微裂紋等缺陷。綜合圖4不同激光功率下的熔池溫度， 在激光功率約5 W時，熔池溫度較穩(wěn)定，沒有明顯的波動情況，在此激光功率參數(shù)下制備的改性層表面質(zhì)量理論上較佳。

圖4 不同激光功率下熔池的溫度變化

2 激光重熔試驗與結(jié)果

2.1 試驗裝置與基體材料

試件基體材料為316L 不銹鋼， 所選試件尺寸大小為10 mm×10 mm×3 mm。 將基材表面逐級打磨至2 000#， 放置于超聲清洗機用無水乙醇進行清洗，去除表面雜質(zhì)并自然風干，再利用激光重熔技術(shù)進行改性層制備， 最終通過電化學工作站進行耐腐蝕性能試驗，試驗整體流程見圖5。

圖5 試驗流程圖

通過能譜儀與掃描電子顯微鏡測定316L 不銹鋼基體材料所包含元素種類、表面微觀形貌，相關(guān)元素含量見表2。采用納秒脈沖光纖激光器（1064 nm）進行樣品表面重熔處理，掃描速度固定為20 mm/s，激光功率為3、5、7、9 W， 得到4 份用以測試的激光重熔改性層樣品。

表2 316L 不銹鋼材料化學成分

2.2 改性層表面微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡觀察分析激光重熔316L不銹鋼改性層， 得到不同激光功率下改性層表面微觀形貌見圖6。當激光功率為3 W 時，不銹鋼表面改性程度不高，基體材料熔化少，材料汽化程度相對較弱， 主要是對基體表面的熔融氧化， 熔融氧化層較薄，這是由于基體材料融化少，材料殘渣較少，改性層表面質(zhì)量較好。 由各元素在改性層表面的分布情況可知，該熔融氧化層主要為Cr 和Fe 的氧化物。當激光功率為5 W 時，改性層表面呈現(xiàn)出較明顯的重熔狀態(tài)，分析認為激光到達不銹鋼表面時，激光能量基本被吸收與散射，使被處理區(qū)域的材料發(fā)生熔融、汽化，部分區(qū)域的基材熔融、汽化后冷卻，從而使材料表面微觀區(qū)域呈現(xiàn)出相對規(guī)則的形貌特征。

圖6 不同激光功率下的改性層表面微觀形貌

隨著激光功率繼續(xù)增加到9 W， 不銹鋼材料表面單位面積內(nèi)積累了大量能量致使材料去除， 使得材料在過高溫度下汽化，材料表面存在大量的塊狀熔融物而產(chǎn)生堆積形貌，改變周圍材料的性質(zhì)，破壞已生成的改性層。 如圖7 所示，該過程材料的去除機制為相爆炸與汽化共同作用，溫度梯度較大，材料內(nèi)部受熱應力不平衡影響，改性層表面存在微裂紋。

圖7 改性層燒蝕

2.3 改性層物相組成分析

表3 是316L 不銹鋼在不同激光功率下形成改性層通過能譜儀采集的元素含量對比，改性層的主要元素為O、Cr、Ni 及Fe，結(jié)合表1 可知改性層中有氧化物存在。 隨著激光功率增大，改性層的Cr 元素含量先增加后減少，與O 元素結(jié)合成Cr2O3。

表3 不同激光功率下改性層表面元素分布

通過圖8 更直觀的截面微觀形貌來觀察不同激光功率下制備的改性層。 可知激光功率為5 W 時，組織結(jié)構(gòu)較致密，缺陷較少。由于基體Ni 和Fe 的含量較多，可以推斷Fe 元素在微觀下表現(xiàn)為由基體逐漸向熔池增大， 在結(jié)果上表達為改性層和基體之間達到冶金結(jié)合的程度。

圖8 不同激光功率下改性層截面微觀形貌及元素分布

在激光作用下， 不銹鋼表面材料熔化會在自身重力和表面張力作用下產(chǎn)生馬蘭戈尼對流效應，將合金元素固溶于奧氏體中， 不斷提高奧氏體的穩(wěn)定性，還使固溶體中的Cr 元素和O 元素結(jié)合成Cr2O3，達到提高材料表面耐腐蝕性能的作用， 其形成過程示意見圖9。

圖9 馬蘭戈尼對流擴散溶質(zhì)分布

圖10 是不同激光功率下的316L 不銹鋼XRD圖譜。 可見， 經(jīng)不同激光功率處理的改性層均存在（111）、（200）和（220）衍射峰，表面改性層的物相主要由奧氏體與鐵素體組成， 并且奧氏體峰面積遠大于鐵素體，這說明奧氏體相對含量多于鐵素體。這主要是由于316L 不銹鋼中含有大量的Cr、Ni 等元素，基體相由α-Fe 向γ-Fe 轉(zhuǎn)變； 隨著激光功率增大，（111） 衍射峰半寬比不斷增大， 表明γ-Fe 含量增大，可間接預測其耐腐蝕性能得到提高；但隨著功率繼續(xù)增加，（111）衍射峰半寬比開始減少，表明γ-Fe含量減少，耐腐蝕性能具有降低趨勢。

圖10 不同激光功率下試樣的XRD 衍射圖

2.4 改性層耐腐蝕性能分析

圖11 是采用電化學三電極體系測試316L 不銹鋼基體在不同激光功率下改性層的極化曲線，電壓掃描范圍為-2～2 V，掃描速率為5 mV/s。 表4 是通過計算得到改性層的自腐蝕電壓和電流密度數(shù)據(jù)，可見隨著激光功率的增大，改性層的自腐蝕電位呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，而其自腐蝕電流密度則先減少后增大，表明隨著激光功率增大，耐腐蝕性能先提升后下降。

表4 不同激光功率下改性層的自腐蝕電壓和電流密度

圖11 不同激光功率下改性層的極化曲線

再次分析微觀組織，在激光作用下，表面材料熔化產(chǎn)生的馬蘭戈尼效應將不銹鋼材料中的Cr、Mn等元素固溶于奧氏體中，產(chǎn)生的改性層中Cr、Mn 等較多，且由于激光的熱作用可使不銹鋼的晶核變大、晶粒細化，產(chǎn)生的改性層微觀組織較致密，見圖12。

圖12 激光作用下奧氏體不銹鋼晶粒細化過程

3 結(jié)論

基于激光重熔原理研究了不同激光功率對316L 不銹鋼表面改性層的微觀結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在激光重熔不銹鋼表面成分中，氧元素含量大幅增加。 這是生成了一層覆蓋在金屬表面的鉻和鐵氧化物，激光重熔前后發(fā)生了α-Fe 相向γ-Fe 相的物相轉(zhuǎn)變。

（2）當激光功率為5 W 時，改性層表面呈現(xiàn)出較為明顯的微觀重熔形貌狀態(tài)； 激光功率增至9 W時， 材料表面存在大量的塊狀熔融物， 產(chǎn)生堆積形貌，材料內(nèi)部熱應力梯度較大，改性層表面存在微裂紋與熔渣堆積，破壞改性層表面質(zhì)量，進而影響其耐腐蝕性能。

（3）隨著激光功率的增大，改性層的自腐蝕電位呈先增大后減少趨勢，在5 W 激光功率下改性層自腐蝕電位較基體正移0.157 V，自腐蝕電流密度較基體提高8.68×10-5A/cm2，此時的抗腐蝕性能最佳。

（4）在激光作用下，不銹鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)更致密，晶核變大、晶粒細化，同時316L 不銹鋼表面材料中的Cr、Mn 等元素固溶于奧氏體，可產(chǎn)生微觀組織較致密且耐腐蝕元素含量較多的改性層。