激光增材制造321不銹鋼組織性能研究

王招陽 肖長源 李昌林 李思源 付一峰 祝天放 劉 策 袁立銘

激光增材制造321不銹鋼組織性能研究

王招陽 肖長源 李昌林 李思源 付一峰 祝天放 劉 策 袁立銘

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

基于激光增材制造技術，在不銹鋼基板上制備了321不銹鋼熔覆層，利用金相顯微鏡和顯微硬度計分析熔覆層的顯微組織和顯微硬度，利用XRD衍射儀分析熔覆層的成分，利用摩擦磨損試驗機和電位極化曲線分析熔覆層的耐磨和耐腐蝕性能。研究結果表明，熔覆層與基體之間呈現良好的冶金結合。熔覆層主要由胞狀晶和樹枝晶組成；顯微硬度約為410HV；由于基材的混入，熔覆層中出現α-Fe；磨損量約為0.0108g，是基材的0.09倍；自腐蝕電流密度為3.272×10A/cm，優于基材的4.303×10A/cm。

增材制造；321不銹鋼；顯微組織；耐磨性；耐腐蝕性

1 引言

激光增材制造技術是以高功率激光為熱源，利用計算機建立模型，通過同軸送粉的方式在基體表面制造不同形狀的零件，具有熱影響區小，自動化程度高且易于與基體之間形成冶金結合等優點，目前已經被廣泛地應用到金屬快速制造及零件表面修復領域。由于結構的需要，零件的復雜程度越來越高，許多精密構件的磨損會造成整個零件報廢，利用激光增材制造技術可以對磨損零件進行修復，這就要求涂層性能能夠滿足使用要求。

321不銹鋼具備優良的加工性能，在機械制造、航空航天領域應用廣泛。本文以321不銹鋼粉末為熔覆材料，在基體表面利用增材制造技術成形了321不銹鋼熔覆層，分析了熔覆層的組織性能，研究結果有助于增加對321不銹鋼熔覆層組織性能的了解，推廣其在航天制造及零件修復方面的應用。

2 實驗材料與實驗方法

實驗用激光器為YLS-6000型光纖激光器，最大輸出功率為6000W，光斑大小為方斑5mm×5mm，光斑內能量分布均勻。實驗材料為粒度為45～105μm的321不銹鋼合金粉末，利用BTSF-2同軸送粉器送粉，基板材料為321不銹鋼板。合金粉末成分如表1所示。

表1 321不銹鋼合金粉末成分（質量分數/%）

選取增材制造321不銹鋼實驗參數為激光功率2.2kW，掃描速度為7mm/s，送粉速率為13.2g/min，增材制造過程中均采用高純氬氣保護，得到的單道熔覆層形貌如圖1所示，多道多層熔覆層如圖2所示。

圖1 激光熔覆試驗平臺

圖2 多道多層熔覆層形貌

采用王水溶液對熔覆層進行腐蝕處理，配比為HCL:HNO3=3:1，用擦拭腐蝕的方式利用棉花輕輕擦拭表面，腐蝕時間10s，利用金相顯微鏡和數字顯微硬度計分析熔覆層顯微組織和顯微硬度；利用XRD衍射儀對熔覆層與基體的成分進行分析；利用MM-200滑塊磨損試驗機測試材料的耐磨性能，磨環材料為GCr15鋼，載荷196N，轉速200r/min，利用TG328B光學分析天平每隔半小時稱重一次。利用CHI600E電化學工作站測試材料的耐腐蝕性，首先將材料線切割為10mm×10mm×4mm的薄片，打磨后冷鑲，腐蝕介質為質量分數3.5%的NaCl溶液。

3 結果與分析

3.1 熔覆層顯微組織與顯微硬度

單道321不銹鋼熔覆層宏觀形貌如圖3a所示，微觀形貌如圖3b所示。由圖可知，熔覆層主要由胞狀晶與樹枝晶組成。在激光熔覆過程中，熔池中的熔融金屬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，并且隨著溫度梯度減小和凝固速率增大，形成樹枝晶組織。基體形貌如圖3c所示，熱影響區形貌如圖3d所示。由圖可知，基體組織主要是奧氏體和鐵素體，靠近熔覆層的熱影響區為較粗大的晶粒，這是由于激光熔化粉末的溫度非常高，當熔融的液態金屬粉末接觸基體時，會有一部分基材被熔化，相鄰部位的基材受到高溫的影響晶粒長大。

圖3 顯微組織特征

單道熔覆層顯微硬度如圖4所示，由圖可知，321不銹鋼熔覆層的平均硬度約為408HV，高于基材，熔覆層底部由于基材的混入硬度較低。

圖4 顯微硬度特征

3.2 熔覆層物相分析

圖5 熔覆層物相分析

分別對基體、321粉末、熔覆層進行XRD物相分析，結果如圖5所示。由圖可知321不銹鋼粉末全部為γ-Fe，熔覆層為α-Fe和γ-Fe，在基體中存在鐵素體相，這是因為奧氏體不銹鋼中含有適量的鐵素體有利于提高金屬抗熱裂紋和晶間腐蝕的能力，由此可以推斷出熔覆層中的α-Fe應該為基體中進入的。

3.3 熔覆層耐磨性分析

圖6 熔覆層耐磨性能分析

分別對熔覆層和基體進行摩擦磨損性能測試，如圖6所示，由圖可知，熔覆層120min磨損量為0.0244g，基體在30min摩擦磨損量為0.1156g，熔覆層的耐磨性遠遠高于基體，這也表現出了熔覆層良好的耐磨性。

3.4 熔覆層耐腐蝕性分析

分別對熔覆層與基體進行電化學腐蝕分析，極化曲線如圖7a、圖7b所示。最終測得熔覆層的自腐蝕電流為3.272×10A/cm，基體的為4.303×10A/cm，對于電化學腐蝕極化曲線來說Icorr（自腐蝕電流）越低耐腐蝕性能越好，阻抗圖譜如圖7c所示，對于阻抗圖譜，圓弧的半徑代表極化電阻，半徑越大耐腐蝕性越好。由自腐蝕電流和極化電阻可知，熔覆層的耐腐蝕性優于基體。

a 熔覆層極化曲線

4 結束語

a. 熔覆層顯微組織主要由胞狀晶與樹枝晶組成，熱影響區組織明顯粗大，顯微硬度約為408HV，熔覆層底部由于基體的混入，硬度較低。

b. 熔覆層的物相成分主要是γ-Fe和α-Fe，其中α-Fe是由于基材的混入造成的；在相同的磨損條件下，熔覆層的耐磨性能明顯優于基體。

c. 熔覆層的自腐蝕電流為3.272×10A/cm，基體的為4.303×10A/cm，耐腐蝕性能顯著提高。

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Microstructure and Properties of Laser Additive Manufacturing 321 Stainless Steel

Wang Zhaoyang Xiao Changyuan Li Changlin Li Syuan Fu Yifeng Zhu Tianfang Liu Ce Yuan Liming

(Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076)

Based on the technology of laser additive manufacturing, the 321 stainless steel alloy coating was coated on the surface of stainless steel. The microstructure and microhardness of the cladding layer were analyzed by optical microscopy and microhardness tester. The composition of the cladding layer was analyzed by XRD. The wear resistance and corrosion resistance of the cladding layer were analyzed by wear tester and polarization curve. The results showed that the cladding layer exhibited metallurgical bonding to the substrate. The microstructures of the cladding layer were composed of cell and dendrites crystals. The microhardness of the cladding layer is about 410HV; The α-Fe appears in the cladding layer due to the mixing of the substrate, abrasion loss of the cladding layer was 0.0108g, 0.09 times that of the substrate; self-corrosion current density was 3.272×10A/cm, better than 4.303×10A/cmof substrate.

additive manufacturing；321 stainless steel；microstructure；wear resistance；corrosion resistance

TG174.4

A

王招陽（1994），碩士，材料加工專業；研究方向：焊接及增材制造。

2021-04-08