321不銹鋼激光增材制造工藝及變形研究

王招陽 李金全 肖長源 袁立銘 林 健 雷永平 李康立

321不銹鋼激光增材制造工藝及變形研究

王招陽1李金全1肖長源1袁立銘1林 健2雷永平2李康立2

（1. 首都航天機械有限公司，北京 100076；2. 北京工業大學材料科學與工程學院，北京 100124）

基于激光熔覆同軸送粉技術，在不銹鋼基板表面制備了321不銹鋼合金涂層，研究了工藝參數對涂層宏觀形貌的影響，分析了涂層的顯微組織和顯微硬度。研究結果表明：在激光功率為2.2kW，掃描速度為7mm/s，送粉速率為13.2g/min，搭接率為30%時，可獲得平整無缺陷的321不銹鋼涂層。熔覆層可分為一次熔化區、道間重熔區和層間重熔區三部分。熔覆層的組織主要由胞狀晶和樹枝晶構成；相比于一次熔化區，道間重熔區和層間重熔區的組織較為粗大且硬度較低。在激光熔覆過程中，成形件產生了較為明顯的變形，通過改變成形路徑可以減小基板變形量，提升成形件的質量。

增材制造；宏觀形貌；微觀組織；顯微硬度；變形控制

1 引言

奧氏體不銹鋼具備易于加工成形、焊接性能優良、低溫韌性及無磁性等優點，在航空航天、化工、機械制造等工業中用途廣泛[1～4]。其中321不銹鋼作為典型的奧氏體不銹鋼，是在304不銹鋼的基礎上添加了Ti元素，增加了穩定性與耐腐蝕性，在航空航天的管路系統、機械零件等領域廣泛使用。目前航空航天中對于零件的質量要求越來越高，很多復雜形狀的零件難以用傳統技術制造，而增材制造技術是一種利用計算機設定的數學模型逐層累積原材料直接成形的先進制造技術，與傳統的去除式制造方法相比，極大地提升了原材料的利用率并縮短了構件的制備周期，解決了無法制造復雜構件的難題[5～7]。

目前國內外對增材制造方面的研究主要集中在鈦合金領域，而對于321不銹鋼增材制造方面的研究還比較少。本文在不銹鋼基板上激光熔覆321不銹鋼合金，研究了工藝參數對熔覆層宏觀形貌的影響，分析了熔覆層的顯微組織和顯微硬度，同時研究了不同成形路徑和道間起始溫度對于成形件變形的影響，對減小成形件的變形具有一定的意義。

2 實驗材料與實驗方法

2.1 實驗材料

采用YLS-6000型激光器進行激光增材制造實驗，光斑類型為方形光斑，尺寸為5mm×5mm，基板材料為321不銹鋼板，幾何尺寸為150mm×150mm×8mm，熔覆材料選擇321不銹鋼合金粉末，粉末粒徑在45～105μm之間，化學成分見表1。

表1 321不銹鋼合金粉末成分(質量分數/%)

2.2 實驗方法

圖1 激光熔覆試驗平臺

實驗前對基體材料321不銹鋼板表面磨削加工去除氧化皮，然后用砂紙打磨，再用丙酮擦洗。將321不銹鋼合金粉末置于真空干燥箱內，在150℃下保溫2h以去除結晶水。實驗過程中采用99.99%的高純氬氣保護。激光熔覆試驗平臺如圖1所示。激光增材制造過程中的工藝參數主要包括激光功率、掃描速度、送粉速率等，本文設置激光功率分別為1.8kW、2.0kW、2.2kW和2.5kW，掃描速度分別為5mm/s、7mm/s、9mm/s和11mm/s，通過調節送粉器的電壓50～80V得到送粉速率分別為9.8g/min，13.2g/min、15.6g/min和16.6g/min，采用控制變量法進行工藝試驗。

在增材制造完成后將成形件倒放在測量平臺上，利用變形測量系統對基板背面進行變形測量，變形測量系統由位移探針和數據傳輸系統組成，如圖2所示。利用線切割在熔覆層中段位置沿高度方向截取試樣，得到包括母材在內的10mm×10mm×12mm的試樣。經過砂紙預磨，預磨后的試樣研磨拋光后利用王水溶液對其進行化學腐蝕，采用擦拭的方式用棉花輕輕擦拭試樣表面，腐蝕時間為10s。利用OLYMPUS-BX51型金相顯微鏡觀察顯微組織。利用THV-1MD顯微硬度計在載荷為200N，加載時間為10s的參數下對熔覆層試樣橫截面沿縱向進行顯微硬度測試。借鑒焊接過程中對稱式焊接可以減小焊接變形的研究，本文設計不同掃描路徑，如圖3所示，熔覆單層9道，熔覆道長度為100mm，研究掃描路徑對于成形件變形的影響。

圖2 變形測量系統

圖3 三種掃描路徑

3 結果與分析

3.1 工藝參數對熔覆層宏觀形貌的影響

激光功率與熔覆層高度和寬度的關系如圖4所示。熔覆層的高度和寬度隨著激光功率的增加呈現上升的趨勢，這是因為隨著熱輸入的增加，熔池的面積變大，粉末的熔化量增加，進入熔池的粉末體積也增大，熔覆層的高度和寬度均增大。掃描速度對熔覆層高度和寬度的影響如圖5所示。熔覆層的高度和寬度隨著掃描速度的增大呈現下降的趨勢，這是因為激光器的運動速度越快，單位面積內所獲得的能量越少，接受熱輸入熔化的粉末相應也會變少，所以熔覆層的高度和寬度都會降低。送粉速率與熔覆層高度和寬度的關系如圖6所示。熔覆層的高度和寬度隨著送粉速率的增加呈現上升趨勢，繼續增大送粉速率，熔覆層高度和寬度的增大趨勢越來越小。這是因為在激光功率和掃描速度不變的情況，單位面積內的熱輸入是一定的，在能量足以熔化所有粉末的情況下，送粉速率的增加會造成更多的粉末熔化，使熔覆層的高度和寬度上升，但是熱輸入是一定的，能夠熔化粉末的數量也是一定的，繼續增大送粉速率，提供的能量并不能完全熔化送粉系統提供的所有粉末，因此熔覆層的高度和寬度均不再繼續增大。當激光功率為2.2kW，掃描速度為7mm/s，送粉速率為13.2g/min時，稀釋率較小，并且熔覆層的高度為0.92mm，有利于構件的成形精度，熔寬為5.37mm，有利于形成大面積的熔覆層，因此選擇該工藝參數組合進行多道多層實驗，在搭接率為30%的條件下得到的熔覆層如圖7所示。

圖4 激光功率對熔覆層高度和寬度的影響

圖5 掃描速度對熔覆層高度和寬度的影響

圖6 送粉速率對熔覆層高度和寬度的影響

圖7 321不銹鋼熔覆層

3.2 顯微組織特征

在金屬的凝固理論中，純金屬的生長形態是由界面前沿液相內的溫度分布決定的[8，9]。單道321不銹鋼熔覆層顯微組織如圖8所示，在熔覆層底部與基體接觸區域有一層平面晶組織，這是因為熔池底部直接與基體接觸，前沿液體內的溫度梯度逐漸減小，在這種正溫度梯度時界面均勻地向前推移，整個界面保持穩定的平面狀；隨著凝固界面由熔池底部向上移動，熱量的積累造成溫度梯度減小并且凝固速率加快，晶體的生長不能保持穩定的平面狀，界面失穩使凸出部位深入到液體深處，在熔覆層底部和中部形成胞狀晶和樹枝晶組織；而在熔覆層頂部由于溫度梯度比較小，凝固速度較大，因此形成等軸晶組織。

圖8 單道熔覆層顯微組織

圖9 多道多層熔覆層顯微組織

多道多層熔覆層的整體形貌如圖9a所示，在層與層、道與道之間有明顯的界線。一次熔化區的組織如圖9b所示，該區域主要由胞狀晶和樹枝晶組成。在激光熔覆過程中，熔池中的熔融金屬通過已沉積的321不銹鋼熔覆層進行無界面快速熱傳導并迅速冷卻和定向凝固，以外延生長的形式形成具有顯著非平衡快速凝固組織特征的胞狀晶組織。隨著結晶過程的進行，界面前沿的溫度梯度逐漸變小，凝固速率增大，從而引起溫度梯度G與凝固速率R的比值逐漸減小，導致凝固組織由胞狀晶組織轉變成樹枝晶組織。道間重熔區的微觀組織形貌如圖9c所示，層間重熔區的微觀組織形貌如圖9d所示。由圖可知，熔覆層的道間重熔區寬度約為280μm，層間重熔區寬度約為320μm，且由于已經凝固的金屬受到激光的二次照射的影響，引起道間重熔區和層間重熔區的顯微組織明顯粗大，晶粒尺寸由原來的3μm增大到10μm左右。

3.3 顯微硬度分布

圖10 顯微硬度測量位置

圖11 多道多層熔覆層顯微硬度

多道多層熔覆層硬度測量點位置如圖10所示，自熔覆層頂部向下依次測量，測量點包含一次熔化區和層間重熔區，硬度分布如圖11所示。由圖可知，熔覆層的平均硬度約為410HV；在層間重熔區出現硬度值下降的現象，其原因是激光的二次照射導致層間重熔區晶粒受熱長大，組織發生粗化，底部區域由于基材的混入，硬度值較低。這表明，在多道多層熔覆層中存在顯微組織不均勻和力學性能不均勻的現象。

3.4 成形路徑對變形的影響

在激光增材制造的過程中，不同的掃描路徑決定著熔覆區域內能量加載的先后順序，因而該區域內熱量的累積大小和變形也會是不同的。在順序掃描的激光熔覆過程中，溫度處于一個不斷累積的過程，改變掃描路徑可以避免激光在短時間內對同一邊界區域的二次加熱，使基體的溫度分布更加均勻，從而變形量減小。利用變形測量系統所測得點的位移導入matlab中得到基板背面的變形云圖如圖12所示?？梢钥闯鲰樞驋呙杪窂较碌幕遄冃瘟繛?.08mm，從兩邊向中間的掃描路徑的翹曲變形量為3.66mm，而從中間向兩邊的掃描路徑的翹曲變形量為3.12mm，相比順序掃描的變形量分別減小了10.3%和23.5%。

圖12 不同掃描路徑的基板變形云圖

4 結束語

a. 321不銹鋼熔覆層的宏觀尺寸受增材制造工藝參數的影響。熔覆層的高度和寬度隨著激光功率的增加呈現上升的趨勢，隨著掃描速度的增加呈現下降的趨勢，隨著送粉速率的增加而增加，但增加趨勢逐漸變小。

b. 熔覆層的組織主要由胞狀晶和樹枝晶組成；熔覆層的道間重熔區寬度約為280μm，層間重熔區寬度約為320μm；熔覆層的平均硬度約為410HV；重熔區組織發生粗化，并且伴隨硬度值下降的現象。

c. 在增材制造過程中，成形件發生了較為明顯的變形。通過改變掃描路徑可以減小變形，采用從中間向兩邊的掃描路徑進行熔覆時，實驗所得基板的翹曲變形量為3.12mm，相對順序的掃描路徑變形量減小了23.5%。

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9 Kurz W, Fisher D J．凝固原理[M]．李建國，胡僑丹，譯．北京：高等教育出版社，2010

Study on Laser Additive Manufacturing Technology and Deformation of 321 Stainless Steel

Wang Zhaoyang1Li Jinquan1Xiao Changyuan1Yuan Liming1Lin Jian2Lei Yongping2Li Kangli2

(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076; 2. College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100076)

Based on the technology of laser cladding using coaxial powder feeding, the 321 stainless steel alloy coating was coated on the surface of stainless steel. The effects of processing parameters on the macroscopic morphology of the coating were studied, the microstructure and microhardness of the coating were analyzed. The results showed that the flat and defect-free 321 stainless steel coating could be obtained at the laser power, the scanning speed, the powder feeding rate and the lap ratio of 2.2kW, 7mm/s, 13.2g/min, and 30%, respectively. The structure section of the cladding layer included three zones, including primary melting zones, inter-channel remelting zones, and inter-layer remelting zones. The microstructures of the cladding layer were composed of cell and dendrites crystals. Compared with the primary melting zone, the microstructures of inter-channel remelting zone and the inter-layer remelting zone were coarse and accompanied with the decrease of the microhardness. In the process of laser cladding, the deformation of substrate is obvious. By changing the forming path, the deformation of the substrate can be reduced and the quality of the formed parts can be improved.

additive manufacturing；macroscopic morphology；microstructure；microhardness；deformation control

王招陽（1994），碩士，材料加工專業；研究方向：焊接及增材制造。

2020-11-11