激光熱輸入對激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼組織與力學性能的影響

范 朝， 程宗輝， 張志強

(國營蕪湖機械廠， 安徽 蕪湖 241007)

激光增材修復也稱為激光熔覆，還可稱為激光堆焊，是一種先進的表面改性技術[1-2]。高質量的修復層是激光增材修復技術追求的核心，其特點主要體現在稀釋率低、與基材結合好、熱影響區小、基材變形量小等[3]。高溫合金是制造航空發動機渦輪葉片和導向葉片等高溫零部件的關鍵材料[4]。高溫合金所具有的優良力學性能使其成為激光修復工藝中被廣泛使用的材料[5-6]。Wilson等[7]采用幾何學的方式，確定了激光增材修復的最佳工藝參數。Tabernero等[8]、Liu等[9]利用激光立體成形技術進行零件成形，發現激光掃描方式對Inconel 718合金立體成形后的力學性能有著顯著的影響。Farahmand等[10]發現將激光增材修復技術與感應加熱技術相結合，可以明顯改善熔覆區的顯微組織。Sexton等[11]利用激光增材修復技術，對不同基體(Inconel 792、Rene 80、Rene125等)進行修復，發現激光增材修復技術在鎳基合金修復方面具有顯著優勢。

GH4169合金是目前應用最為廣泛的一種高溫合金，GH4169合金擁有優良的綜合性能，被大量應用于激光增材修復中[12]。范朝等[13]采用鎳基合金粉末對QAL10-4-4鋁青銅進行了激光沉積試驗，通過對獲得的試樣進行分析，發現激光修復接頭成形良好，無裂紋、氣孔等修復缺陷，力學性能良好。夏國俊等[14]采用IN939合金粉末對IN718鎳基高溫合金進行激光修復，修復區形貌良好，無裂紋等缺陷，同時顯微硬度也得到明顯提高。目前，對于激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼的研究還未見報道，本項目開展激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼研究，并對接頭的顯微組織、力學性能進行分析，為激光增材修復損傷1Cr17Ni2鋼制構件的實際應用提供理論指導。

1 試驗材料與方法

試驗采用的待修復基體為1Cr17Ni2不銹鋼，尺寸規格為直徑φ40 mm的棒材。表1、表2為1Cr17Ni2不銹鋼待修復基體以及修復粉末的化學成分，鎳基合金粉體為球形粉末，粒度53～150 μm。在進行修復試驗前，對合金粉末進行烘干。

表1 1Cr17Ni2不銹鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 鎳基合金粉體的化學成分(質量分數，%)

試驗采用由IPG YLS-2000型光纖激光器、數控工作臺、GTV PF2/2型高精度雙路可調送粉器、四路同軸送粉噴嘴以及惰性氣氛保護罩組成的激光增材修復平臺進行。試驗過程中采用氬氣進行防護。激光修復工藝參數見表3。

表3 激光修復工藝參數

目前在激光增材修復基體與填充材料一定的情況下，1Cr17Ni2激光增材試樣的性能主要受激光熱輸入影響，激光熱輸入主要受激光功率、掃描速率等因素影響，故在光斑直徑一定時，定義激光增材熱輸入為激光功率與掃描速度的比值，即：

J=P/v

式中：J為激光增材熱輸入；P為激光功率；v為掃描速度。

激光增材修復試驗結束后，將試樣制成φ30 mm的鑲嵌塊，經砂紙打磨和拋光后，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕1Cr17Ni2鋼側組織，擦拭時間大約10 s；配置5 g CuSO4+20 mL HCl+25 mL C2H5OH溶液，腐蝕鎳基合金熔覆層側組織，擦拭時間大約20 s。腐蝕完成后迅速清洗吹干，并用光學顯微鏡和掃描電鏡對熔覆接頭顯微組織進行觀察。采用維氏硬度計測定顯微硬度，測試條件為200 g載荷，加載時間10 s，測試點間距為0.2 mm，沿垂直于熔合線方向往1Cr17Ni2鋼基體一側進行測量。

2 試驗結果與討論

2.1 激光熱輸入對熔覆區組織的影響

圖1 修復接頭橫截面形貌Fig.1 Cross section morphology of the repaired joint

激光增材修復接頭的橫截面如圖1所示，由圖1可知，激光增材修復接頭由熔覆區(A區)、熱影響區(B區)和基體(D區)組成。熔覆區(A區)由熔覆區頂部(b區)、熔覆區中部(c區)和熔覆區底部(d區)組成。

圖2為不同激光熱輸入下熔覆區各區域顯微組織，b區為均勻分布的樹枝晶結構，一次臂較為發達，且生長方向具有一致性，大致平行于熔覆高度方向生長；樹枝晶尺寸隨掃描速度的增加而逐漸減小，晶粒間的空隙逐漸增大。c、d區為短小的柱狀枝晶結構，且生長方向具有一致性，隨激光熱輸入的減小，尺寸略有減小。

圖2 不同激光熱輸入下熔覆區各區域的顯微組織Fig.2 Microstructure of each region in the cladded zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

圖3 不同激光熱輸入下熔覆區的SEM圖像Fig.3 SEM images of the cladded zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

根據凝固理論可知，在合金熔池的冷卻凝固過程中，柱狀枝晶的生長方向與熱量散失的方向總是呈現平行的關系。在激光增材修復1Cr17Ni2鋼過程中，熱量主要是沿著修復層/不銹鋼基體和已凝固成形部分方向散失。激光增材修復屬于急熱急冷過程，熔覆區更易形成枝晶結構，且合金熔池中溫度梯度大小與熔覆層晶體的取向，共同決定了熔覆區樹枝晶的生長方向。由上述準則可知，熔覆區中枝晶組織大致上是沿垂直于熔覆面方向生長。d區由于距離基體較近，沿垂直于熔合線方向成為溫度梯度最大的方向，即熔池在該方向上熱量散失速率最快，因此該區域易形成細長的柱狀枝晶結構，且其方向基本上垂直于熔合線生長；c區由于離基體較遠，且鎳基合金的熱導率遠低于1Cr17Ni2鋼基體。因此，該區域由上至下主要呈現出樹枝晶向柱狀枝晶過渡的趨勢。b區由于溫度梯度降低，其熔池凝固速率增大，主要呈現為分布均勻、密集的樹枝晶組織。

圖3為不同激光熱輸入下不銹鋼-合金接頭熔覆區的SEM圖像。熔覆區主要由基體相γ、沿晶界析出的不規則δ相和MC相等組成，對不同激光熱輸入下枝晶干中Nb元素平均含量進行能譜分析，結果如圖4所示。枝晶干中Nb元素含量隨激光熱輸入的增大呈現先升后降的趨勢。最佳工藝參數下(在激光熱輸入為80 J/mm)，更多Nb元素從枝晶間往枝晶干處擴散，抑制了枝晶間因存在過多Nb而形成富鈮帶，甚至析出脆性有害相Laves。這主要是由于掃描速度的逐漸上升，熔池中的能量累積逐漸下降，提高了熔池凝固速率，從而抑制了Laves相形成所必需的元素Nb往枝晶間的偏析，使更多的Nb留在枝晶干中形成穩態強化相γ′及亞穩態強化相γ″；當掃描速度過大時，合金粉末來不及完全熔化，整個修復過程便已完成，因此枝晶干中Nb元素含量下降。

圖5 不同激光熱輸入下熱影響區的顯微組織Fig.5 Microstructure of the heat affected zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

圖4 不同激光熱輸入下熔覆區枝晶干處Nb質量分數Fig.4 Mass fraction of Nb in dendrite stem of the cladded zone under different laser heat inputs

2.2 激光熱輸入對熱影響區組織的影響

圖5為不同激光熱輸入下1Cr17Ni2不銹鋼側熱影響區的顯微組織，圖6為不銹鋼基體側熱影響區的SEM圖像?？梢钥闯?，1Cr17Ni2鋼側熱影響區主要由塊狀δ鐵素體、奧氏體、馬氏體及球狀珠光體等組織構成，且與合金熔覆區存在著明顯的分界線，即熔合線；隨單位長度內激光輸入量的逐漸下降，熱影響區組織形貌變化不大，尺寸略有減小。原因在于激光增材修復異種金屬的過程中，高能量密度的激光束輻射至基體的待修復表面，使基體和填充粉材同時熔化并快速凝固形成修復層；由于激光熱源加熱及冷卻速度極快的特性，基體受影響范圍較小，且組織形貌與尺寸變動不大，可大大減少殘余應力的產生及基體的形變。

圖6 不同激光熱輸入下熱影響區的SEM圖像Fig.6 SEM images of the heat affected zone under different laser heat inputs(a) 133.3 J/mm; (b) 100.0 J/mm; (c) 80.0 J/mm; (d) 60.0 J/mm

2.3 激光熱輸入對顯微硬度的影響

圖7 不同激光熱輸入下修復接頭各區域的顯微硬度曲線Fig.7 Microhardness curves of each zone in the repaired joint under different laser heat inputs

圖7為不同激光熱輸入下各區域顯微硬度變化曲線。由圖7可知，各區域硬度測量值隨激光熱輸入的減小大致呈現出先增后減的趨勢。在不同激光熱輸入下，修復接頭各區域顯微硬度測量值的整體波動趨勢較為一致，熔覆區中的硬度值浮動不大，在±25 HV0.2以內微小起伏，這是由于修復接頭熔覆區中枝晶干區域和枝晶間共晶區域不同的應力狀態及區域內位錯密度不同造成；激光熱輸入從133.3 J/mm減小到100 J/mm的過程中，熔覆區顯微硬度平均值逐漸增加，1Cr17Ni2不銹鋼/鎳基合金接頭熔覆區的平均硬度值在激光熱輸入為80 J/mm時達到峰值為330.64 HV0.2。這主要是因為隨激光熱輸入的逐漸減小，Nb元素往枝晶間偏析的現象逐漸得到緩解，使更多的Nb元素擴散進入枝晶干中，從而析出更多的強化相γ″及γ′；但隨著激光熱輸入繼續減小至60 J/mm，熔覆區內柱狀晶及樹枝晶的尺寸逐漸縮小，晶體間的空隙逐漸增大，且部分合金粉末還來不及熔化，整個修復過程便已經結束，從而導致熔覆區的顯微硬度值呈下降趨勢。在最佳工藝參數組合下(激光熱輸入為80 J/mm)，合金修復接頭各區域顯微硬度值排序為：熔覆區>基體>熱影響區，充分說明了使用鎳基合金粉末對異種材料進行激光修復，不僅可使待修復基體形成良好的接頭形貌、改善接頭的顯微組織，還能提升修復后零件的力學性能。

3 結論

1) 激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼接頭由熔覆區、熱影響區和不銹鋼基體組成，熔覆區上部為均勻分布的樹枝晶結構，一次臂較為發達，且生長方向具有一致性，大致平行于熔覆高度方向生長，樹枝晶尺寸隨熱輸入的減小而逐漸減小，晶粒間的空隙逐漸增大；熔覆區中部和下部區域為短小的柱狀枝晶結構，且生長方向具有一致性，隨激光熱輸入的減小，尺寸略有減小。熔覆區主要由γ基體、MC相和沿晶界析出的亮白色不規則δ相等組成，且頂部的樹枝晶一次臂較為發達。

2) 激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼側熱影響區主要由塊狀δ鐵素體、奧氏體、馬氏體及球狀珠光體等組織構成，且與合金熔覆區存在明顯的分界線。

3) 激光增材修復1Cr17Ni2不銹鋼熔覆區平均硬度值隨激光熱輸入的減小呈現出先增大后減小的特點。熔覆區硬度值在激光熱輸入為80 J/mm時達到峰值，為330.64 HV0.2，較基體提升了9.78%。