17-4PH 不銹鋼激光修復E 級鋼組織及力學性能研究

崔德安,曾力榮,熊 旭,蔣士春,沈 浩,徐文盛,蔣富銀

（1.中車南京浦鎮車輛有限公司,江蘇 南京 210031; 2.南京中科煜宸激光技術有限公司,江蘇 南京 210046）

0 引言

E 級鑄鋼作為我國軌道交通領域最常用的鑄鋼，屬于高強度低合金鑄鋼，具有高抗拉強度和高屈服強度的特點，廣泛應用于車軸、轉向節以及車鉤等關鍵高附加值零部件中[1-2]。零部件往往因鑄造過程產生裂紋、生產環節中拉傷、磕碰等損傷以及服役過程中腐蝕或磨損等問題造成失效[3]。

目前，再制造往往是通過增減材的方式在損傷區域恢復至原尺寸，使再制造后的零件達到甚至超過新品的質量和性能[4]。激光沉積具有能量密度高、熱輸入小、沉積層的熱影響區較小、稀釋率較低、應力及應變小等優勢；基體與沉積層界面的結合屬于結合強度高的冶金結合，機械臂搭配柔性激光光路傳輸可以實現復雜構件多形態的損傷部位的修復[5]。

激光增材再制造技術作為近年來快速發展的技術，是當前高附加值零部件修復的重要方式和主要發展方向，該技術已應用于航天航空、軍工、核工業、鋼鐵冶金、煤機裝備以及汽車制造業中關鍵零部件的修復和新品制備，但對軌道車輛關鍵零部件的激光增材再制造應用和研究較少。E 級鑄鋼作為軌道交通領域高附加值以及高性能零部件的關鍵材料，其修復與再制造應用目前研究還在起步階段，因此該文深入研究激光增材制造17-4PH材料修復E 級鋼的微觀結構和力學性能，為實現工程應用提供重要數據參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

實驗基材為150 mm×150 mm×10 mm E 級鋼樣塊，其主要成分如表1 所示。沉積實驗前先用砂紙將基材表面打磨平整，再用酒精清洗表面污漬并與粉體材料一同真空干燥。粉末材料為17-4PH 粉末，成分如表2 所示。基材成分如表1 所示。17-4PH 不銹鋼粉末是采用氣霧化法制成。

表1 E 級鋼基材化學成分/(wt%)

表2 17-4PH 不銹鋼粉末化學成分/（wt%）

1.2 試驗設備

試驗采用南京中科煜宸激光技術有限公司生產的LDF8060 激光增材制造成套裝備，光源為Laserline-LDF-6000 半導體6 000 W 激光器，執行機構為五軸精密機床，采用同軸送粉方式，保護氣為氬氣。

1.3 試驗方法

為應對實際修復過程的不同場景和研究不同幾何形狀對微觀結構和力學性能的影響，激光增材制造尺寸200 mm×60 mm×1.2 mm 的單層試樣和尺寸為200 mm×60 mm×15 mm 多層試樣，成型樣件如圖1 所示。該文中試樣力學性能試驗參照GB/T 40737—2021 再制造激光沉積層性能試驗方法進行，取樣示意圖如圖2 所示。殘余應力測試采用X 射線衍射應力測試方法，并參照GB/T 7704—2017 執行，測試點位置示意圖如圖3 所示。

圖1 增材制造沉積樣品

圖2 拉伸試樣取樣示意圖：(a)單層；(b)多層

圖3 沉積試樣殘余應力測量點位置示意圖

2 結果與分析

2.1 17-4PH 組織分析

圖4為單層和多層激光增材制造17-4PH 試樣金相，其微觀組織主要為馬氏體和碳化物析出相。由于激光增材制造過程溫度梯度大，熔池冷卻速度快，單層沉積層組織呈現定向凝固的特點，與基材搭接區域為優先生成平面晶，隨著極高的溫度梯度，柱狀晶開始快速生長至沉積層中部，沉積層中部熱流方向不再垂直于界面熔合線，伴隨著溫度梯度的下降，復雜的枝晶和胞狀晶開始紊亂生長，沉積層頂部溫度梯度進一步下降，初生枝晶相互抑制生長并不斷破碎為異質形核創造了有利條件，導致沉積層頂部生成均勻細小的等軸晶。多層激光沉積層道與道搭接之間以及層與層搭接之間有著明顯的熱影響區，沉積層內的晶粒也更細小，這是由于快速加熱和重熔使得沉積層發生了多次相變和再結晶，晶粒被多次細化，晶體組織也呈現均勻化。此外，由于多層激光沉積，熱量逐層累積，多層試樣頂部晶粒發生粗化。

圖4 單層與多層激光增材17-4 試樣金相組織：(a)單層；(b)多層

2.2 力學性能分析

圖5為不同樣品應力應變曲線圖，其中抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率數據為表3 所示，其中多層試樣抗拉強度為1 143 MPa，單層試樣抗拉強度為1 033 MPa，均高于E 級鋼的抗拉強度893 MPa。但多層試樣的屈服強度為777 MPa，低于單層試樣的屈服強度667 MPa，但高于E 級鋼的屈服強度560 MPa。此外，E 級鋼的斷后伸長率最高為17.5%，斷面收縮率同樣最高為36.6%，單層試樣的伸長率為15.1%，斷面收縮率為31.6%，多層試樣的伸長率最低13.5%，斷面收縮率最低為21.5%。

圖5 應力應變曲線圖

表3 拉伸性能數據

2.3 殘余應力分析

表4、圖6 為增材試樣的殘余應力測試結果：單層激光增材試樣縱向平均殘余應力為96.2 MPa，橫向平均殘余應力為162.4 MPa；多層激光增材試樣縱向平均殘余應力為293.8 MPa，橫向平均殘余應力為427.2 MPa。多層增材試樣和單層增材試樣的縱向殘余應力均小于橫向殘余應力，也就是激光掃描方向殘余應力值高于垂直方向，這是由于熔池溫度梯度方向與激光掃描方向一致，導致激光掃描方向溫度梯度最大，熔池凝固速率最快，容易產生應力集中。此外，熔池在垂直于沉積方向受表面張力影響，晶粒變形及移動的阻力較大，抑制了殘余應力的產生。多層激光增材制造試樣殘余應力值大于單層激光增材制造試樣，這是由于當熔池處于液態時，溫度梯度最大，材料膨脹最顯著，受到基板以及已凝固固態金屬制約，會形成瞬時壓應力，當激光光源發生移動，熔池在極短的速度下凝固收縮，晶粒由熔池底部向頂部生長，形成拉應力，隨著下一層重復的加熱、凝固過程，拉應力逐層累積，導致多層激光增材試樣表面殘余應力遠大于單層激光增材試樣。

圖6 激光增材試樣殘余應力值

2.4 顯微硬度分析

圖7為激光增材制造17-4PH 試樣顯微硬度統計圖，單層增材制造試樣的顯微硬度值最高，平均硬度為432.7 HV，多層增材制造試樣的平均顯微硬度值為400.3 HV，E 級鋼的顯微硬度最低，平均為272.7 HV。相比于E 級鑄鋼，單層和多層激光沉積17-4PH 試樣顯微硬均有提升。單層激光沉積層表面由細小的等軸晶組成，顯微硬度相對較高；枝晶內組織較為紊亂導致硬度分布不均；多層激光沉積層表層到熱影響區硬度逐漸升高，由于熱影響多次重熔再結晶產生的細晶強化作用。

圖7 顯微硬度統計圖

3 結論

（1）多層增材與單層增材試樣成型效果良好，內部組織結構細小致密，無裂紋、氣孔等缺陷，單層表層晶粒小于多層試樣。沉積層組織從表層沿深度方向依次為等軸晶、樹枝晶和胞狀晶組織。

（2）多層激光增材試樣抗拉強度為1 143 MPa，單層試樣抗拉強度為1 033 MPa，均高于E 級鋼的抗拉強度893 MPa。但多層試樣的屈服強度為777 MPa，低于單層試樣的屈服強度667 MPa，但高于E 級鋼的屈服強度560 MPa。E 級鋼的伸長率最高為17.5%，斷面收縮率也同樣最高。說明多層激光增材修復并不會降低材料整體的抗拉強度，但隨著抗拉強度的升高，塑性隨之下降。

（3）增材試樣表面殘余應力為拉應力，且激光掃描方向殘余應力大于垂直方向，沉積層表面殘余拉應力隨著激光多層沉積而逐層累積，導致多層激光增材制造試樣殘余應力值遠遠大于單層激光增材制造試樣。由于細晶強化作用，單層增材制造試樣的顯微硬度值最高。綜上所述，激光增材制造17-4PH 不銹鋼修復E 級鋼抗拉強度和表面硬度均有所提升，但沉積層內部會產生較大的殘余應力。