浅谈304钢高速激光熔覆过程中扫描顺序对熔覆层组织性能影响的研究

史强，马欣，黄勇，王渊浩

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023）

激光熔覆技术是利用高能量的激光束快速熔化熔覆材料和基体表面，从而产生出一种与原有成分和性能均不同的涂层表面的改性技术，其具有热影响小、对粉末成分即熔覆层性能可调控等诸多优势。根据送粉方式的不同，激光熔覆技术可分为预置送粉激光熔覆和同步送粉激光熔覆两种。304不锈钢具有良好的力学性能和抗腐蚀性，目前被广泛用于多种行业。近年来大量研究显示，在熔覆过程中，工艺参数的不同对熔覆质量有着一定的影响作用，为了进一步研究预置送粉的激光熔覆技术在熔覆304不锈钢材料时对材料组织剂力学性能的影响，本文采用27SiMn板材作为基体，对比不同激光扫描顺序对熔覆层材料组织和力学性能的影响规律。

1 材料与方法

1.1 实验材料

基体材料采用27SiMn钢材，尺寸为200mm×300mm×20mm；熔覆材料为304不锈钢粉末，其粒度为100-300目，化学成分为：C≤0.08%，Mn≤2.00%,P≤0.045%,S≤0.030%,Si≤1.00%,Cr为18.0%～20.0%，Ni为8.0%～11.0%。

1.2 设备及参数

激光器为DLS-3000C半导体激光器，最大输出功率为3000W，输出波长为980nm，波长偏差为10nm。激光光斑直径为φ3mm，设定功率为2500W，扫描速度设定为16mm/s,搭接率为1/2，扫描方式为复式扫描，熔覆层材料多层累加尺寸为170mm×120mm×17mm。

1.3 方法

以上述方法进行激光熔覆，将所得熔覆层材料进行线切割加工进而得到拉伸试样和金相试样。根据激光扫描先后顺序不同，将所得的拉伸试样和金相试样进行区域划分，将其范围划分为A、B、C、D四个区域。其中，A区和B区距离激光初始扫描点的位置最近，称为先熔覆区域，C区和D区距离激光初始扫描点稍远，称为后熔覆区域。拉伸试样的拉伸方向与研究过程中激光扫描的方向一致。从熔覆层上切割下的金相试样为10mm×10mm×10mm的正方体，并对其进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀以及干燥处理后，使用光学显微镜对金相组织进行观察研究，观察面为垂直与激光扫描的一面。拉伸试样取自熔覆层，不包括基体部分。试样的标距为28mm，采用砂纸对其进行打磨后，再应用WDW-100电子万能试验机进行拉伸试验，速率为1mm/min。对拉伸断口的形貌特征应用扫描电镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

对高速激光熔覆层的四个区域的显微组织形貌进行观察可见，熔覆材料主要呈现出具有典型定向凝固特征的柱状晶，这主要是由于在高速激光熔覆过程中，304钢粉末在高能量、高密度的激光照射下迅速地熔化形成熔池，在扫描过后，熔池又迅速地凝固，在这个过程中，熔池内的晶粒与温度梯度反方向生长，见表1。

表1 不同区域显微组织形貌分析

通过对比可以看出，C区、D区的晶粒尺寸较大，而A区和B区的晶粒尺寸略小，这主要与A区、B区在高速激光熔覆过程中先熔覆，而C区和D区后被熔覆有关。在进行激光熔覆之前，基体和预置粉末均为常温状态，而在熔覆过程中，基体和粉末的温度均逐渐升高，进而导致了后熔覆区域的熔池在凝固时温度梯度小于先熔覆区域，进而C区、D区等后被熔覆区域的晶粒尺寸要明显大于先熔覆区域晶粒。

2.2 力学性能

对不锈钢熔覆层4个区域的拉伸试样应力进行测量可见，A区、B区两个区域的平均抗拉强度以及延伸率均略高于C区和D区，见表2。

表2 不同区域力学性能分析

通过分析可以看出，A区和B区的抗拉强度和延伸率均要高于C区和D区，这主要是由于A区和B区的晶粒尺寸相对小于C区和D区，柱状晶的数量也明显减少，而晶粒的尺寸和形状会直接影响材料的机械性能，晶粒的尺寸越小，形状约接近等轴晶，该材料的机械性能就越好，因此，拉伸试验的结果与显微组织研究结果相一致。同时，在高速激光熔覆过程中，先熔覆区域熔池中的金属颗粒物会在熔覆过程中飞溅到未熔覆区域，进而导致未熔覆区域内预先放置好的粉末受到“污染”，使其在熔覆过程中出现夹杂的现象，进而导致拉伸过程中出现应力集中的情况，使C区、D区的拉伸性能略低于A区和B区。

2.3 拉伸断口形貌

对比四个区域拉伸试样的典型断口形貌可见，高速激光熔覆304钢断口表面为典型韧性断裂特征，即断口部位均匀分布有韧窝，局部可见具有脆性断裂特征的光滑表面。观察可见断口表面的韧窝较浅，平均直径在3μm左右。相对而言，韧窝的尺寸越小材料的塑形越低，因此，较浅的韧窝表示材料延伸率较低，其与延伸试验结果相一致。A区与B区可见断裂区域呈现“河流状”和“舌状”的典型脆性解理断裂花纹，其出现的原因可能是由于组织内存在大量粗大的柱状晶，在拉伸过程中容易发生断裂导致的。C区和D区两个区域的断口呈现明显的夹杂现象，夹杂物的尺寸在400μm左右，根据能谱分析可以看出，其夹杂物主要为SiO2和Mn的氧化物。对比断口形貌可见，先熔覆区域拉伸试验断口部位未见明显的夹杂情况出现，而后熔覆区域的夹杂情况较为显著，存在这些缺陷的部位则更加容易发生断裂。因此，为了有效提高高速激光熔覆材料的机械性能，应减少这些导致应力集中的缺陷，如引入惰性气体保护系统来预防熔覆过程中存在的氧化反应。

另外，可通过吸附装置解决预置送粉高速激光熔覆技术操作过程中出现的粉末“污染”情况，继而有效提高熔覆材料的机械性能。

3 结语

高速激光熔覆304钢后熔覆区域的显微组织中的柱状晶较先熔覆区域的柱状晶粗大，而平均抗拉强度和平均延伸率则较先熔覆区域有所降低。熔覆后拉伸断口表现为韧性断裂，局部为脆性解理断裂，且存在夹杂现象。