鉬對激光快速成形試樣組織與力學性能的影響

張振遠，邱長軍，閆夢達

（南華大學機械工程學院，湖南 衡陽421001）

0 引言

激光快速成型技術滿足了國內外降低產品造價及降低產品開發周期等需求，是一種可實現設計制造一體化的高技術集成技術[1]。基于該技術設計研發了激光表面增材制造自動化系統，該系統能制備復雜形狀的多功能金屬增材，實現了大幅度提高技術部件表面物理、化學、力學性能，滿足了航空、汽車、快速成型、生物醫療等各個領域的應用，是實現國家重點支持發展的綠色制造技術的系統之一[2-5]。近幾年，抗孔蝕等效指數（PRE）≤30的低鎳鉬雙相不銹鋼因抗孔蝕性適度、原料成本較低在歐美迅速發展，我國應加快低鎳鉬雙相不銹鋼及鋼管的研發[6]。本文在一定激光表面增材制造的試驗基礎上，探究了鉬含量對激光快速成形試樣組織及力學性能的影響，以期為低鎳鉬雙相不銹鋼的研發提供參考。

1 試驗方法

采用尺寸大小為120 mm×50 mm×15 mm的Q235作為基材，以三種鉬含量不同的不銹鋼粉末作為激光快速成型粉末，試驗所用設備為TJ-HLT5000型橫流CO2激光器，圖1為激光快速成形工藝示意圖，激光熔覆工藝參數為：激光功率2.3 kW，掃描速度5 mm/s，送粉速率6 g/min，搭接率50%，圖2為激光成形試樣。采用DK7763型線切割機制備試樣，圖3為試樣形狀尺寸；采用TH320型多功能全洛氏硬度計測量試樣的表面硬度，載荷為150 kg，加載時間5 s；采用WDW-20E型微機控制電子式萬能試驗機測量試樣拉伸力學性能，拉伸速度為0.2 mm/min。表1為三種鉬含量不同的不銹鋼粉末成分。

圖1 激光成形工藝示意圖

圖2 激光成形試樣

圖3 拉伸試樣示意圖(mm)

表1 不銹鋼試樣化學成分（質量分數%）

2 試驗結果分析

2.1 鉬含量對熔覆層顯微硬度、抗拉強度

由圖4可知，Mo含量5%～5.5%試樣2比Mo含量2%～2.5%試樣1洛氏硬度增加了32.8%，抗拉強度提高了12.7%；Mo含量5% ～5.5%試樣3的洛氏硬度比Mo含量5%～5.5%試樣2降低了35.3%，抗拉強度下降了17%。有實驗結果可知，適量的增大Mo含量有助于提高熔覆層綜合力學性能；試樣2、3熔覆層殘余奧氏體量分別比試樣1增加了44.6%、153.8%.雖然奧氏體的增加會使硬度和抗拉強度的降低，但是Mo含量5%～5.5%試樣2的硬度和抗拉強度比Mo含量2%～2.5%試樣1有明顯提高。分析可知，Mo元素對熔覆層起主導強化作用。

2.2 顯微組織和SEM組織形態分析

由圖5可知，Mo含量從2.3%增加到5.2%，隨著Mo含量的增加，試樣的平均晶粒尺寸逐漸變小，當Mo含量增加到8.4%時，雖然出現了細小的晶粒區域，但是也出現了粗大奧氏體區域，平均晶粒尺寸也是變小的。由此可知，隨著Mo含量增加，試樣的平均晶粒尺寸逐漸變小，但是鉬元素對晶粒的細晶強化作用強于奧氏體對試樣硬度、抗拉強度的削弱作用，同時Mo元素與C、B元素在晶界析出形成MoB2和Mo2C，起到固溶強化的作用。

圖4 鉬含量分別對抗拉強度、硬度和奧氏體量的影響

圖5 試樣的SEM組織形

所以試樣的硬度、抗拉強度逐漸增強；出現當鉬含量從5.2%增加到8.4%，試樣的硬度、抗拉強度急劇下降的現象，是因為隨著鉬含量增加，試樣中的奧氏體增加較快，而鉬元素對晶粒的細晶強化作用是有限的，此時，奧氏體對試樣硬度、抗拉強度的削弱作用占主導地位。

3 結論

（1）當鉬含量從2.3%增加到5.2%，試樣的硬度、抗拉強度逐漸增加，鉬元素對晶粒的細晶強化作用強于奧氏體對試樣硬度、抗拉強度的削弱作用；

（2）當鉬含量從5.2%增加到8.4%，試樣的硬度、抗拉強度急劇下降。此時，奧氏體相對試樣硬度、抗拉強度的削弱作用占主導地位。