激光熔覆制备马氏体不锈钢涂层的研究

喻佳臣，邱长军

（南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

激光熔覆技术是利用高能量密度激光辐照金属粉末使其与基材一起熔凝，在基材表面快速成型出高质量的熔覆层。激光熔覆是一种高经济效益、绿色环保的再制造技术[1]，它可以在普通的基材表面制备出抗氧化、耐腐蚀、耐高温或高耐磨的涂层[2-3]。与电刷镀、堆焊、热喷涂等其他技术相比（如表1所示）而言具有以下明显的技术优势：1）激光熔覆制备的涂层与基材成冶金结合，界面结合强度高[4-6]；2）激光熔覆过程激光能量集中，其热影响区域小，产生的热变形量小，对于熔覆层形貌和其力学性能影响较小；3）激光熔覆工艺通常与移动平台和机械手臂等自动化控制单元结合，可以提高熔覆质量必能处理较复杂的表面和难以处理的部分等，激光熔覆示意图如图1所示。

表1 常见的再制造技术及其特点[7]

图1 激光熔覆原理示意图[8]

马氏体不锈钢（Martensitic Stainless Steel，MSS）是一种高强度钢种，具有优异的综合力学性能、耐腐蚀性和良好的热处理工艺性。根据不同的化学成分可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类；根据组织和不同的强化机理又可分为马氏体不锈钢、马氏体沉淀硬化不锈钢及马氏体时效不锈钢等。目前国内外研究主要集中在激光熔覆制备410、420、431、17-4PH马氏体不锈钢涂层组织与性能上。

本文重点综述了激光熔覆制备马氏体不锈钢涂层的研究进展，并提出了主要问题和今后的发展方向。

表2 常用的马氏体不锈钢元素成分质量分数[11-18]%

1 马氏体铬钢

1.1 410马氏体不锈钢涂层

410马氏体不锈钢强度高、机械加工性能优异，主要应用于一般用途刀刃、机械部件、餐具等。通过数值模拟来指导实验有助于预测实验结果提高实验成功性，Maurizio等[9]通过激光熔覆在420不锈钢表面制备了18%WC/410复合涂层，并通过数学模型、计算机模拟与检测结果对比研究了不同粒径WC颗粒的热演化和溶解效率。结果表明，小于12 μm的WC颗粒由于超过其沸点温度而无法到达基材，大于30 μm的WC颗粒无法达到其熔化温度，因此会以固体形式存入熔池。此外将（0、2%、5%和10%）的Cr3C2粉末添加到410不锈钢粉末中，在420不锈钢表面制备Cr3C2/410复合涂层[10]。通过Thermo-calc专业软件将模拟与实际实验相结合，结果表明，随着涂层中碳含量的增加，为了减少对材料力学性能产生负面影响的溶质俘获效应，需要进行包括完全再奥氏体化和回火在内的沉积后热处理。显微硬度与金属材料的力学性能息息相关，是评价涂层性能的重要指标之一，Zhu等[11]通过在410粉末中添加不同质量分数的TiC（0～15%）通过激光熔覆在Q235基材制备TiC/410复合涂层。涂层的主要组织由马氏体、碳化钛和M23C6析出相组成。当碳化钛质量分数为15%时，激光熔覆层出现微裂纹和气孔等缺陷。通过控制TiC质量分数（5%～15%），涂层的显微硬度由462 HV提高至735 HV，磨损率由7.795×10－5mm3/（N·m）降低至0.149×10－5mm3/（N·m）。

1.2 420马氏体不锈钢涂层

420马氏体不锈钢具有较好的抗蚀性、耐磨性、硬度高和价格较低等特点，其广泛应用于各类精密机械、仪器与仪表、交通运输工具、家用电器等。原位热处理工艺可以简化工艺路线节约工艺成本。Sun等[12]利用激光熔覆技术使用420粉末修复300M钢，通过引入每个熔覆道之间的激光空载时间（0 s、80 s）来控制原位淬火和回火顺序，扫描方式示意图如图2所示，研究了激光修复后的组织、拉伸性能和磨损性能。结果表明，在熔覆层中加入较长的空载时间主要产生的组织为回火马氏体，其塑性为17.4%，而未采用原位淬火和回火控制的熔覆层塑性为2.7%。使涂层的延伸性显著提升，相比于之前提升了38%，而屈服强度和抗拉强度仅降低了5%～10%。减小残余应力可以减小局部的应力集中，从而提高材料的力学性能。Mohammad等[13]研究了激光熔覆制备AISI 420马氏体不锈钢的纵向和横向力学行为，结果表明，在565 ℃下进行1 h的热处理，可以有效消除激光熔覆420不锈钢的各向异性行为，其残余应力明显下降。此外，研究了与底座成30°角的零件制造技术（使用工作台旋转叠加来定位样品，而沉积头正对底座），以提高极限抗拉强度，并改善和部分消除方向性问题。Zhang等[14]通过激光熔覆技术在A36钢上制备了不同质量分数（0～40%）的420/VC金属复合涂层，并使用水射流切割机和动电位极化测试熔覆层的耐腐蚀性，研究表明随着VC 质量分数增加，熔覆层的耐腐蚀性能也逐渐提高，但当VC的质量分数超过30%时耐腐蚀性能会随着VC含量的增加而逐渐降低。

图2 两种不同的扫描方式示意图[11]

2 马氏体铬镍钢

2.1 431马氏体不锈钢涂层

431马氏体不锈钢涂层具有较高的强度、硬度、抗蚀性和韧性等优点，其广泛应用于既要求强韧性又耐腐蚀的机械部件等。超高速激光熔覆技术光斑小，激光能量密度大，相对于传统的激光熔覆技术效率高基体受热小。Li等[15]采用超高速激光熔覆（EHLA）和常规激光熔覆（CLA）分别在27SiMn基体上制备了高质量的431不锈钢涂层，研究结果表明，在90%的搭接率下，用EHLA制备了致密无缺陷的多层搭接涂层。与CLA相比，EHLA制备的涂层组织以纤细的枝晶为主，在整体范围内更细小、更均匀其耐蚀性更好。CAMILA等[16]采用激光熔覆技术在AISI 1010基材上制备了431马氏体不锈钢涂层，研究了激光工艺参数、扫描速度、送粉速率对涂层形貌、组织、稀释率和显微硬度的影响。结果表明，熔覆层高度受扫描速度影响较大，熔覆层宽度受激光功率、扫描速度和离焦量的影响较大。激光功率的变化对稀释率的影响大于对长宽比的影响，而扫描速度和离焦量的变化对稀释和长宽比都有显著影响，涂层组织主要由板条马氏体组成，AISI 431不锈钢熔覆层的显微硬度约为基体的5倍。Wang等[17]通过激光熔覆技术在45钢上制备了不同钼（Mo）含量的431/Mo复合涂层，并通过各种检测手段对涂层性能进行评价，研究发现随着Mo含量的提升，M7（C，B）3型硼碳化物含量减少，M2B和M23（C，B）6型硼碳化物含量增加，马氏体减少，而铁素体量逐渐增加，组织结构更精细，显微硬度降低但是耐磨性能显著提高。添加6%Mo时其耐磨性能最佳可达到无Mo涂层的3倍以上。添加2%Mo时其耐腐蚀性能最佳。

2.2 17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢涂层

17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢涂层具有良好的热处理工艺性，主要应用于海上平台、航天涡轮叶片、机械部件等。王强等[18]通过激光熔覆技术在27SiMn 表面熔覆17-4PH不锈钢丝材。结果表明，随着激光功率的增加，熔覆层的高度先降低后增加，基体的穿透深度和热影响区增大，熔覆层的平均显微硬度逐升高。当激光功率较低时，熔覆层的组织主要为较短且没有取向性的板条状马氏体；当激光熔覆的功率较高时，主要由具有方向取向的板条状马氏体组成。综合考虑激光功率对17-4PH不锈钢丝材激光熔覆组织及硬度的影响，2600 W为最佳激光功率。邓操等[19]通过激光熔覆与金属粉末注射成形技术制备含有不同质量分数TiB2（0.5%、1%、2%、3%、4%）的混合粉末样品。结果表明，TiB2的加入会引起熔覆层元素偏析，随着TiB2含量的增加，硬度先增大后减小。与基材相比，熔覆层的耐磨性能有显著提高，随着TiB2含量的增加其磨损率也随之升高，耐腐蚀性随之降低，在熔覆层中添加适量的TiB2可以提升17-4PH钢的综合性能，当TiB2的质量分数为1%时，材料具有最佳的力学性能和相对较好的耐腐蚀性能。Lin等[20]通过激光熔覆技术对17-4PH进行修复，研究发现激光沉积区域与基体之间的界面呈现出致密的冶金结合，显微组织主要由板条状马氏体和少量强化相颗粒组成，通过激光熔覆再制造后的17-4PH与锻造的力学性能相当。

3 结语

马氏体不锈钢作为一种价格低廉、力学性能优异、耐腐蚀性好、应用范围广的金属材料，目前大部分国内外学者对激光熔覆制备马氏体不锈钢涂层的研究集中在激光工艺参数、热处理参数、强化元素及添加物上，对于主要存在的问题和发展方向提出以下建议。

1）工艺参数有待标准化。马氏体不锈钢作为一种铁基合金材料其自熔性较差，故可能会出现气孔、组织分布不均等问题，导致熔覆层质量不一，可以根据不同的牌号对其激光工艺参数形成相关的指导标准，这样有利于形成标准化工业生产。

2）数值模拟方面等国产专业软件缺乏。激光熔覆是光、粉、气多物理场耦合的过程，利用数值模拟软件对实际的实验和生产有重大的指导意义，例如采用Jmatpro、Thermo-calc软件对激光熔覆马氏体不锈钢涂层热处理工艺参数进行模拟；利用ANSYS、Comsol对激光熔覆过程中的温度场进行数值模拟。国产化数值模拟专业软件有待于进一步发展。

3）对于激光熔覆马氏体不锈钢涂层热处理工艺优化和建立相关的数据库。对于激光熔覆马氏体不锈钢热处理工艺方面研究较少，根据不同的材料和温度区间建立相对应的数据库，这样有助于激光熔覆马氏体不锈钢在工业上大规模应用。