30CrMnSiA鋼激光再制造件的性能

李思瑾, 朱兆琦, 陳慶東, 汪宏斌, 吳益文,

(1. 上海海關工業品與原材料檢測技術中心, 上海 200135；2. 上海大學 材料科學與工程學院, 上海 200072)

高強鋼因其優良的性能，被廣泛應用在基礎設施建設、軍事裝備制造、汽車制造、飛機制造、核電工程等諸多領域[1-2]。30CrMnSiA鋼是一種常用的高強鋼，在調質后有很高的強度和足夠的韌性，而且該鋼還具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能也相當好,所以被廣泛應用于軸類和活塞類零配件中以及汽車和飛機等各種特殊的耐磨零配件[3]。由于長時間在沖擊、摩擦、振動等環境中服役，高強鋼零件易于產生應力集中和磨損，從而導致高強鋼零件的損壞[4]。對于損傷的高強鋼零部件,會直接更換整個零件。當今社會，大力提倡發展循環經濟、節能減排、綠色生活、走可持續發展道路。在此背景下，再制造技術應運而生，并已成為發展循環經濟、促進社會可持續發展的有效途徑[5]。零件再制造就要用到表面改性技術，因為損壞多發生在表面，損壞的機械零件修復后需要具有優異的表面性能。金屬材料的缺陷也多發生于表面，因此表面改性技術也是再制造工程的重點[6]。再制造技術包括納米電刷鍍技術、高速電弧噴涂技術、PVD鍍膜、激光焊接技術、微束等離子快速成形技術、自修復技術等[7]。

作者對預置了一定尺寸缺陷的30CrMnSiA鋼試樣進行激光堆焊再制造，并對再制造試樣進行了力學性能測試和顯微組織分析，為此類零部件的激光再制造和工程應用作一些基礎性的研究工作。

1 試驗材料

試驗用30CrMnSiA鋼的化學成分見表1，熱處理工藝是在880 ℃油淬后520 ℃高溫回火，回火后水冷，顯微組織為回火索氏體，其具有較高的強度和足夠的沖擊韌性，有較好的焊接性和冷沖壓變形性[8-9]。堆焊材料選用GH3030焊絲。

表1 30CrMnSiA鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of 30CrMnSiA steel (mass fraction) %

拉伸原始狀態材料試樣尺寸為198 mm×37 mm×4 mm，示意圖如圖1所示，在該試樣上預置缺陷，缺陷的尺寸為2 mm×3 mm×0.6 mm，示意圖如圖2所示。沖擊原始狀態材料試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，示意圖如圖3所示，在該試樣上預置缺陷，缺陷的尺寸為10 mm×3 mm×1.5 mm，示意圖如圖4所示。旋轉彎曲疲勞原始狀態材料試樣尺寸為φ7.5 mm×170 mm，示意圖如圖5所示，在該試樣上開環狀U型槽缺陷，厚0.55 mm，寬3 mm，示意圖如圖6所示。對上述的缺陷試樣都采用手工激光焊機進行激光修復。

圖1 拉伸原始狀態材料試樣示意圖Fig.1 Diagram of tensile original material sample

圖2 拉伸激光再制造試樣示意圖Fig.2 Diagram of tensile laser remanufactured sample

圖3 沖擊原始狀態材料試樣示意圖Fig.3 Diagram of impact original material sample

圖4 沖擊激光再制造試樣示意圖Fig.4 Diagram of impact laser remanufactured sample

圖5 疲勞原始狀態材料試樣示意圖Fig.5 Diagram of fatigue original material sample

圖6 疲勞激光再制造試樣示意圖Fig.6 Diagram of fatigue laser remanufactured sample

2 試驗結果及分析

2.1 拉伸性能

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對拉伸試樣進行拉伸試驗，試驗結果見表2。可以看出經過激光再制造后試樣的抗拉強度和原始狀態材料試樣的幾乎一致。

表2 30CrMnSiA鋼原始狀態材料試樣和激光再制造試樣的抗拉強度Tab.2 Tensile strength of 30CrMnSiA steel original material and laser remanufactured samples MPa

2.2 沖擊性能

按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》對沖擊試樣進行沖擊試驗，試驗結果見表3，可見經過激光再制造后試樣的沖擊吸收能量比原始狀態材料試樣的稍高。

表3 30CrMnSiA鋼原始狀態材料試樣和激光再制造試樣的沖擊吸收能量Tab.3 Impact test results of 30CrMnSiA steel oringial material and laser remanufactured samples J

2.3 旋轉彎曲疲勞性能

按照GB 4337—2015《金屬材料 疲勞試驗 旋轉彎曲方法》對疲勞試樣進行旋轉彎曲疲勞試驗，結果見表4。由表4可知，激光再制造試樣的疲勞壽命只能達到原始狀態材料試樣的約20%。

表4 原始狀態材料試樣和激光再制造試樣的疲勞壽命Tab.4 Fatigue life of original material and laser remanufactured samples

2.4 斷口分析

550 MPa應力水平下的無缺陷試樣和激光再制造試樣的疲勞斷口掃描電鏡(SEM)形貌如圖7所示,660 MPa應力水平下激光再制造試樣的疲勞斷口SEM形貌如圖8所示。

圖7 550 MPa應力水平下原始狀態材料試樣和激光再制造試樣的疲勞斷口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the fatigue fracture of original material and laser remanufactured samples under 550 MPa stress level: a) crack source area of original material sample; b) crack source area of laser remanufactured sample; c) crack expansion area of original material sample; d) crack expansion area of laser remanufactured sample; e) final fracture area of original material sample; f) final fracture area of laser remanufactured sample

圖8 660 MPa應力水平下激光再制造試樣的疲勞斷口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the fatigue fracture of laser remanufactured sample under 660 MPa stress level: a) crack source area; b) crack expansion area;c) final fracture area

由圖7可以看出，激光再制造試樣的二次裂紋較多，二次裂紋更長，激光再制造試樣的韌窩數量少，且比較細小。由圖8可以看出，660 MPa應力條件下的激光再制造試樣隨著疲勞應力水平的增加，對比圖7 b)裂紋源所在區域更加平坦，隨著循環應力的作用，裂紋從疲勞源向外擴展，疲勞裂紋擴展區形成二次裂紋，二次裂紋更多，裂紋長度更長；另外還可明顯觀察到疲勞弧線(貝紋線)，疲勞弧線也更密集，如圖8 b)所示；瞬斷區的韌窩更小，如圖8 c)所示。

3 結論

(1) 激光再制造試樣的沖擊性能和拉伸性能在靜態條件下與原始狀態材料試樣的基本一致，說明靜態條件下，預制一定尺寸缺陷的試樣，完全可以修復。

(2) 激光再制造試樣的旋轉彎曲疲勞性能遠小于原始狀態材料試樣的，壽命僅約為原始狀態材料試樣的20%，應進一步加強缺陷深度對旋轉彎曲疲勞性能影響的研究。