球閥密封面激光熔凝強化工藝及性能的研究*

姜鶴明 ，李 勇 ，趙鑫達 ，繆星旭

（浙江工貿職業技術學院光電制造學院，浙江 溫州 325037）

奧氏體不銹鋼因具有良好的耐蝕性和冷加工性能而在閥門制造領域得到了廣泛的應用。但相對較低的硬度和較差的耐磨性，縮短了不銹鋼閥門的使用壽命。在工程領域的應用中，不銹鋼閥門容易出現磨損、劃傷甚至扭曲變形等問題。其中劃傷和磨損與不銹鋼的硬度較低有關，因此需要提高閥門材料的硬度和耐磨性以保證其在復雜工況下正常工作[1-2]。

利用高能量密度的激光束輻照在不銹鋼基材表面，在“急熱急冷”激光熔凝強化處理后，可以獲得細化晶粒的組織，提高不銹鋼的硬度[3-6]。與其他表面工程技術相比，激光熔凝強化技術工藝簡單，有利于環境保護，是一種比較節能的表面處理方法[7-8]。

本文利用半導體激光常見閥門材料不銹鋼進行熔凝強化處理，并對試樣的顯微組織、耐磨損性能進行測試和分析，為研究出具有高耐磨性的球閥提供定量的試驗基礎和理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

實驗材料為 304不銹鋼，試樣尺寸為 40 mm×40 mm×15 mm，實驗用304不銹鋼成分如表1所示。

1.2 試驗方法

分別采用100目、300目及800目砂紙對其表面進行除銹處理，并用酒精清洗表面。接著，利用RFL-A1000半導體激光器對試樣進行強化處理，激光掃描的同時采用工業用氮氣保護強化層，減少高溫下氧化帶來的影響，掃描激光波長為1 064 μm，聚焦鏡焦距為40 mm，激光光斑直徑為2.5 mm。試驗采用激光功率為800 W，掃描速度6 mm/s。試樣激光熔凝強化后宏觀表面形貌及掃描路徑圖如圖1所示。

圖1 激光熔凝表面宏觀形貌和掃描路徑圖

利用電火花線切割機沿著截面方向切割激光強化后試樣，并對試樣進行打磨和拋光。分別采用Lecia DM2500光學顯微鏡、HV-1000A顯微硬度計對試樣表面進行檢測和分析。利用MSR-2T型電化學往復摩擦磨損試驗儀對樣塊進行摩擦磨損試驗，載荷為500 g，試驗時間為20 min。試驗后采用Phenom XL電子顯微鏡表征其磨損形貌。

表1 304不銹鋼的化學成分 單位：%

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織分析

將圖中強化區沿垂直于激光掃描方向的位置做切面，得到強化區橫截面形貌如圖2所示，強化層的組織比較致密，沒有明顯的孔隙、裂紋等缺陷，強化區通過激光掃描獲得的能量密度較大，深度值較高，為179.7 μm。

圖2 304不銹鋼激光熔凝側面形貌圖

單道激光強化層截面為月牙形，如圖2中（A）區域所示，強化層與基材交接區域為近似的波浪形，如圖2中（B）區域和（D）區域所示，多道搭接處如圖2中（C）區域所示。多道搭接的激光強化層中有多個區域，如圖3中激光熔凝區（Re-melting Zone）、熱影響區（Heat Affected Zone）、重疊影響區（Temper Affected Zone）、基體（Substrate）。

圖3 激光熔凝多道搭接示意圖

其中，激光熔凝區（Re-melting Zone）主要為不銹鋼材料表面在激光的照射下，晶格與自由電子相碰撞而產生熱振動，從而把光能轉換熱能快速升溫，進而導致表層快速熔化形成熔池。由于激光高能量密度的特點，激光輻照區域表層的溫度升高和降低非常快速，這樣“急熱急冷”的過程致使晶粒生長時間短，熔凝區中大部分組織形核來不及長大就凝固，形成與基體相比晶粒更細小的組織[9-10]。

熱影響區（Heat Affected Zone）位于熔凝區之下，在熔凝層之下基材之上的組織，主要吸收表層的熱量，進一步傳遞至基材。一般伴隨著吸熱和散熱的過程，熱影響區組織存在淬火區域導致組織的變化，由于本次熔凝基材為奧氏體不銹鋼，組織并無明顯變化。在多道搭接的試樣中存在重疊影響區（Temper Affected Zone），此區域組織在一次熔凝結束后，再次受到搭接的光束輻照影響而熔化再次凝固。

激光先掃描區域由于吸收激光能量而升溫，正是存在這樣的熱積累現象，導致后掃描區域與先掃描區域相比較，熔凝強化層深度和寬度都有所增加[11]。

2.2 硬度測試與分析

在激光熔凝強化后，隨機選取試樣表層位置A和位置B取點測試顯微硬度數據點，沿著表層至基材方向垂直取點，每點間距20 μm，顯微硬度載荷300 g，測試結果如圖4所示。由圖4可知，在距離表層100 μm以內處的硬度值最高在270 HV0.3～300 HV0.3之間，100 μm～180 μm處開始緩慢下降至200 HV0.3左右，180 μm以后硬度基本穩定在304不銹鋼基體的硬度并且趨于穩定。

圖4 激光熔凝側面硬度折線圖

對比發現，激光熔凝后試樣的顯微硬度最高值位于次面層區域60 μm～80 μm處，最表層受到“急熱急冷”下應力的影響存在一些孔隙或微裂紋等缺陷導致最表層顯微硬度值偏低。同時由于多道搭接的情況下熱量積累而改變了熔凝的初始條件，導致先掃描區域的初始溫度低于后掃描區域。

由以上顯微硬度的測試結果可知，由于激光熔凝強化可以獲得細化的組織，因此有效地提高了不銹鋼的表層顯微硬度。熔凝強化層的深度受到激光掃描速度、能量密度等工藝因素的影響，激光熔凝強化區域組織晶粒細化硬度明顯提高。而基材組織微奧氏體，激光熔凝過程中沒有相變發生。熔凝層次表層的平均顯微硬度最大，其最高值為294 HV0.3，這相對基體硬度提高了47%左右。

2.3 摩擦磨損測試與分析

為研究激光熔凝對試樣摩擦機理的影響，測試了未處理304不銹鋼（一號試樣，摩擦系數A）和經過激光熔凝處理試樣（二號試樣，摩擦系數B）的摩擦系數，加載載荷500 g，測試時間為20 min。測試摩擦系數圖如圖5所示，其中一號試樣摩擦系數在2 min后逐步穩定在1～1.3之間，摩擦系數變化幅度比較大，在4 min～6 min快速上升之后又在6 min～8 min快速下降，說明在此階段摩擦機理出現變化，初步判斷是粘著磨損或疲勞磨損導致材料剝落的磨屑導致。

圖5 未處理的一號試樣（A）與激光熔凝的二號試樣（B）摩擦系數圖

對比經過激光熔凝處理的二號試樣，摩擦系數在經過初步的咬合期6 min后，摩擦系數基本穩定在1～1.1，之后較少出現大幅度的波動變化，初步判斷其中剝落的磨屑數量少于未處理的試樣。同時，二號試樣咬合期長于一號試樣，是因為經過激光處理后的試樣硬度提高，耐磨性優于未處理的試樣。

未處理一號試樣與激光熔凝二號試樣磨痕形貌分別如圖6（a）和（b）所示。可以看出，經過激光熔凝強化的二號試樣比一號試樣磨損剝落的面積顯著減少，不銹鋼的耐磨損性能明顯改善。二號試樣經過激光熔凝強化處理在不銹鋼表面獲得了細化的等軸晶組織，提高了組織的硬度，從而獲得更佳的耐磨損性能。

圖6（a）是未經強化處理的不銹鋼表面，可見更為寬大，且存在較多大小不一的剝落后呈現黑色的區域，磨損較為嚴重；圖6（b）是經過激光熔凝強化后的不銹鋼表面，其磨痕較淺、較細，且剝落的區域較少，試樣的磨損較輕微，主要磨損機制為少量的粘著磨損和少量的磨粒磨損。

圖6 未處理一號試樣與激光熔凝二號試樣磨痕形貌圖

3 結論

1）采用激光熔凝強化技術可在304不銹鋼表面獲得厚度達到179.7 μm強化層，單道熔凝層顯微硬度最高值可達290 HV0.3以上，熔凝層平均硬度約為250 HV0.3～280 HV0.3，較基材提高了25%以上。

2）激光熔凝強化技術顯著改善了304不銹鋼閥門的表面耐磨性能，熔凝試樣主要磨損機制為少量磨粒磨損和少量粘著磨損，熔凝層耐磨性能明顯提升。