摘"要： 采用激光熔覆技術(shù)制備316L不銹鋼涂層作為過渡層，在過渡層表面激光熔覆431馬氏體不銹鋼作為表面熔覆層.通過OM和SEM觀察分析了熔覆層截面的微觀組織特征，并借助XRD分析了熔覆層和過渡層的物相組成，利用顯微硬度儀和電化學工作站測試熔覆層的硬度分布和耐腐蝕性.試驗結(jié)果表明：加入過渡層后獲得的熔覆層表面光滑平整，沒有氣孔裂紋等缺陷；表面熔覆層由馬氏體、鐵素體和少量殘余奧氏體組成，過渡層由奧氏體組成；整個熔覆層的硬度從頂端向下呈現(xiàn)出梯度減小，表面熔覆層的硬度為538 HV，比基材提高了3倍，過渡層的平均硬度為300 HV；熔覆層的腐蝕電流為0.956 9×10-6 A/cm2，腐蝕電位為-0.166 44 V，熔覆層的耐腐蝕性優(yōu)于基材.

關(guān)鍵詞： 激光熔覆；馬氏體不銹鋼；過渡層；硬度梯度；耐腐蝕性

中圖分類號：TG174.4"""文獻標志碼：A"""""文章編號：1673-4807（2024）04-032-04

Study on microstructure and properties of 431 stainless steel lasercladding layers based on 316L transition layers

GAO Yulong1， ZHOU Lilong2， FU Juan3*， ZHAO Yong3， FENG Naiqiang4，XU Haiyang4， YANG Ming4

（1.CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co. LTD.， Qingdao 266000， China）

（2.Aerospace Engineering Equipment （Suzhou） Co. LTD.， Suzhou 215104， China）

（3.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003，China）

（4. Jiangsu Yangzi Mitsui Shipbuilding Co. Ltd.， Taizhou 225300， China）

Abstract：316L stainless steel was prepared as the transition layer by laser cladding technology， and 431 martensitic stainless steel was used as the surface cladding layer on the transition layer. The microstructure of the cladding layer was analyzed by OM and SEM， and the phase composition of the cladding layer and transition layer was analyzed by XRD. The hardness distribution and corrosion resistance of the cladding layer were tested by microhardness tester and electrochemical workstation. The test results show that the surface of the cladding layer obtained by adding the transition layer is smooth and flat， and there are no porosity cracks and other defects. The surface cladding layer is composed of martensite， ferrite and a small amount of residual austenite， and the transition layer is composed of austenite. The hardness of the cladding layer decreases gradually from the top to the bottom. The hardness of the surface cladding layer is 538HV， which is 3 times higher than that of the substrate， and the average hardness of the transition layer is 300HV. The corrosion current of the cladding layer is 0.956 9×10-6 A/cm2， the corrosion potential is -0.166 44 V， and the corrosion resistance of the cladding layer is better than that of the substrate.

Key words：laser cladding， martensitic stainless steel， transition layer， hardness gradient， corrosion resistance

液壓系統(tǒng)在工程機械、礦物開采、海洋裝備等領(lǐng)域是必不可少的工作介質(zhì)，活塞桿作為液壓設(shè)備最為重要的零件之一起到連接活塞和工作部件的作用，由于重復的摩擦和其特殊的工作環(huán)境導致活塞桿容易出現(xiàn)損傷，選材上就必須滿足強度高、韌性好、耐磨性和耐腐蝕性能優(yōu)異［1-2］等特點.因此，提高基材的耐磨性和耐蝕性等綜合性能尤為重要.

研究發(fā)現(xiàn)通過激光熔覆不銹鋼涂層的方法能提高普通材料的性能，如文獻［3］對激光熔覆316L不銹鋼涂層組織和性能進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)熔覆層的硬度和耐腐蝕性能相較于基材有很大提升；文獻［4］研究了激光熔覆AISI431馬氏體不銹鋼涂層的微觀組織，結(jié)果表明熔覆層由馬氏體和奧氏體組成，熔覆層表面的平均硬度為540HV，相較于基材提高了近3倍，但較高的硬度差容易導致裂紋的出現(xiàn).針對裂紋的問題，可以采取減小溫度梯度的辦法，預(yù)熱和緩冷都能減小熔覆層凝固過程中的溫度梯度，對裂紋的產(chǎn)生有抑制作用［5-6］.另外還可以通過增加中間過渡層的方法，熔覆層和基材在物理性質(zhì)上有一個平緩的過渡，在硬度梯度上也能平緩地變化［7］.

文中通過激光熔覆技術(shù)在基材表面制備316L不銹鋼涂層作為中間過渡層，然后在過渡層的表面激光熔覆431馬氏體不銹鋼涂層作為表面涂層，分析了整個熔覆層的微觀組織特征，測試了涂層的硬度分布和表面的耐腐蝕性.

1"試驗材料與方法

1.1"試驗材料

試驗基材為45鋼，成分如表1，尺寸為100 mm×80 mm×10 mm.試驗前先用打磨機去除表面氧化皮，然后用丙酮清洗干凈.熔覆粉末為赫格納斯公司生產(chǎn)的316L不銹鋼粉末和431不銹鋼粉末，顆粒度為200～300目，粉末的成分如表1，使用前在150 ℃烘干爐中烘干30 min.

1.2"試驗方法

試驗使用的激光熔覆系統(tǒng)由光纖激光器（YLS-6000）、ABB機器人和同軸送粉器（DPSF-2）等設(shè)備所組成，激光器的光斑尺寸為5 mm×5 mm. 激光熔覆示意如圖1.

先在45鋼制備出合格的316L不銹鋼過渡層，然后在清理干凈且完全冷卻的316L不銹鋼過渡層表面制備431不銹鋼表面熔覆層.激光熔覆工藝參數(shù)如表2.

將制備好的激光熔覆層垂直于激光掃描方向加工出尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣.磨拋后采用草酸電解腐蝕的方法對試樣進行處理.利用Smartzoom5體視顯微鏡對熔覆層的截面進行宏觀金相分析，采用Merlin Compact場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析微觀組織和元素，通過島津XRD-6000 X射線衍射儀對表面熔覆層和過渡層進行物相分析，衍射角度為30°～100°，采用KB30S顯微硬度計測量涂層截面的硬度梯度，間距0.15 mm，載荷0.2 kg，加載時間15 s.

2"結(jié)果與分析

2.1"熔覆層的宏觀特征

經(jīng)過工藝優(yōu)化后所得的熔覆層宏觀形貌如圖2，熔覆層表面平整光滑，起伏很小，沒有缺陷產(chǎn)生。熔覆層的截面如圖3，熔覆層表面的起伏較小，各層之間結(jié)合良好，未出現(xiàn)未熔合的情況.

2.2"熔覆層的微觀組織

圖4為熔覆層的微觀組織，其中圖4（a）為整個熔覆層的全貌，圖4（b）為中間過渡層的微觀組織，在金屬的凝固過程中，固液界面溫度梯度G與凝固速率R的比值決定了凝固組織的形態(tài)［8］.當熔池開始凝固時，與基材接觸的液態(tài)金屬最先凝固，由于基材的散熱作用，形成激冷區(qū)，使此處的溫度梯度G很大，凝固速度R很小，此時界面G/R比值趨于無窮大，從而形成平面晶組織；隨著凝固的進行，由于溫度梯度是朝著熔池中心方向增加的，且G/R的比值越來越小，所以在過渡層的中部形成了大量指向熔池中心方向的柱狀樹枝晶；再往下由于受到空氣的冷卻作用，所以在過渡層的上部形成大量等軸晶.

表面熔覆層如圖4（d），是在過渡層的基礎(chǔ)上形成，凝固后的微觀組織與第一層類似，由表面等軸晶和中部的柱狀樹枝晶構(gòu)成.在過渡層和表面熔覆層的交界處，由于受到二次激光的影響，組織比較復雜.如圖4（c），因為發(fā)生了重熔和淬火，過渡層的晶粒因為反復受熱，晶粒明顯粗大，而且有一部分的等軸樹枝晶從過渡層一直延伸到了表面熔覆層，這樣貫穿的組織有利于熔覆層的結(jié)合強度和綜合性能.

2.3"熔覆層的元素分析

圖5為熔覆層的元素分布，由圖可知熔覆層主要是由Fe、Cr、Ni、Si等元素組成，因為材料是由基材、過渡層和表面熔覆層三部分組成，所以元素分別也呈現(xiàn)出梯度的變化.從基材到熔覆層，F(xiàn)e元素出現(xiàn)了明顯地下降，而Cr、Ni元素出現(xiàn)的陡增，這種突變集中發(fā)生在寬度為10 μm的界面過渡區(qū)，元素的擴散區(qū)域沒有超出過渡層的范圍，基材的成分對表面熔覆層沒有影響.過渡層中的Ni元素含量最多，Ni元素的存在可以增強熔覆層的韌性，有利于降低熔覆層內(nèi)的裂紋傾向［9］.

2.4"熔覆層的物相分析

從垂直于熔覆層的方向進行測試分析，表面熔覆層和過渡層的X射線衍射圖譜如圖6，表面熔覆層由馬氏體相、鐵素體相和少量的殘余奧氏體相共同組成，而在過渡層中全部是由奧氏體相所構(gòu)成.

結(jié)合圖5元素分布可知，在中間過渡層中有大量的Ni元素，能穩(wěn)定奧氏體相不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體相可以提高熔覆層的塑性和韌性，減小裂紋傾向.在表面熔覆層中因為Ni元素的含量比較少，所以主要是馬氏體相、鐵素體和少量的殘余奧氏體，馬氏體組織有很高的硬度，有利于熔覆層的耐磨性.

2.5"熔覆層的硬度分布

熔覆層的硬度分布如圖7，熔覆層內(nèi)的硬度從表面向內(nèi)部呈現(xiàn)出明顯的梯度減小趨勢，依次為表面熔覆層、中間過渡層和基材，表面熔覆層的平均硬度為538HV，相較于基材增加了近3倍，對普通基材起到了明顯的強化作用，中間過渡層的平均硬度為300HV，過渡層的存在使熔覆層內(nèi)的硬度平緩過渡，有利于降低熔覆層內(nèi)的裂紋傾向.

2.6"電化學腐蝕性能

基材和熔覆層在3.5%NaCl水溶液中的電位極化曲線如圖8，測試結(jié)果如表3，根據(jù)相關(guān)理論，腐蝕電流越小，材料的耐腐蝕性越強，腐蝕電壓越高，耐腐蝕性越好［10］.從表3可以看出，熔覆層表面的腐蝕電位為-0.166 44 V，腐蝕電流為0.956 9×10-6A/cm2，相較于基材，熔覆層腐蝕電流更小，腐蝕電壓更高，說明熔覆層的耐腐蝕性好于基材.

3"結(jié)論

（1） 加入過渡層后獲得的熔覆層表面平整光亮，熔覆層內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔和裂紋，各層之間結(jié)合牢固.

（2） 熔覆層內(nèi)Cr、Ni元素在寬度為10 μm的界面過渡區(qū)發(fā)生突變，過渡層全部是由奧氏體相組成，表面熔覆層主要是由馬氏體、鐵素體和少量殘余奧氏體相組成，加入過渡層后降低了熔覆層的內(nèi)應(yīng)力，減小了裂紋傾向.

（3） 熔覆層內(nèi)硬度從表面向內(nèi)部呈現(xiàn)出明顯的梯度減小，表面熔覆層的平均硬度為538HV，相較于基材提高了3倍，過渡層的存在有利于降低熔覆層內(nèi)的裂紋傾向.

（4） 熔覆層表面的腐蝕電位為-0.166 44 V，腐蝕電流為0.956 9×10-6A/cm2，熔敷層的耐腐蝕性好于基材.

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（責任編輯：顧琳）