17- 4PH不锈钢激光修复45钢组织及显微硬度研究

戴浩，江训焱，王燕

江西昌河航空工业有限公司 江西景德镇 333002

1 序言

激光具有作用时间短、功率密度高、功率精确可调及热影响区小的优点，被广泛应用于3D打印及激光修复领域。激光修复通常以激光熔覆作为技术基础，为零部件及工装模具制备耐磨、耐蚀等特殊功能涂层，对断裂、磨损（损伤）区域进行修复及表面改性，可延长设备使用寿命，是绿色制造的重要组成部分[1]。

45钢是应用较广泛的一类碳素钢，在航空工业中被广泛用于夹具、模具及力学、疲劳等性能测试工装的制作[2]，使用过程中经常会发生断裂、磨损失效，影响零件生产节点。17-4PH是一类沉淀硬化不锈钢，具有优良的强度、硬度及耐磨性和耐蚀性[3]。工业上一般选用合适的金属材料用于修复损坏的工装、模具，这样既能节约工装制造成本，又能提升工装表面耐磨性能。本文采用激光熔覆技术在45钢表面熔覆沉积17-4PH不锈钢，并对修复区域两种钢的微观组织及显微硬度进行了测试。

2 试验方法

试验基材选用45钢，材料厚度为6mm，熔覆之前用2000#砂纸进行打磨，并依次用酒精、去离子水及丙酮擦洗干净，放入干燥皿中备用。

17-4PH不锈钢粉末的粒径为50～150μm，熔覆粉末在真空干燥箱内100℃下烘烤2h，除去熔覆粉末表面吸附的气体和水分。选用光纤激光器（最高功率为3kW）及6轴联动机械臂进行修复，激光熔覆试验设备如图1所示。激光熔覆修复工艺参数为：激光功率2kW，同轴送粉方式，送粉速率10g/min；激光光斑直径3mm，扫描速率350mm/min，搭接率30%；保护气氛为高纯氩气，送气量为3L/min；单层熔覆金属厚度为0.4～0.7mm，熔覆10个道次。

图1 激光熔覆试验设备

修复后的金属依次用500#、1000#及3000#砂纸打磨纵截面，抛光后用10%的硝酸酒精溶液进行金相刻蚀并观察金相；采用数字式显微硬度计测试修复区纵截面维氏硬度，载荷为500g，保压时间为10s。

3 结果分析与讨论

3.1 金相组织

45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的纵截面金相如图2～图6所示。由图2可知，熔覆层与基体之间的界面为良好的冶金结合，整个17-4PH不锈钢熔覆层致密完整，不存在气孔、夹杂、裂纹等冶金缺陷，表明激光修复参数合理；由图3可知，基体中主要为珠光体和铁素体，热影响区在熔覆过程中反复受到加热和急速冷却，具有类似回火马氏体的组织；由图4可知，熔覆层（17-4PH不锈钢）紧贴基体的部分形成了细小的等轴晶，这主要是由于首次熔覆时基体温度较低且体积较大，熔融的17-4PH不锈钢接触冷基体的瞬间，热传导很快，过冷度极大，所以形成了数量众多的细小等轴晶粒；随着距熔覆界面距离的增加，熔覆道次也在增加，此时由于热量积累，熔池与基体间的温度梯度减小，过冷度降低，熔池在冷却凝固过程中形核率下降，所以晶粒易长大；由图5可知，搭接区也有大量明显的细小等轴晶粒，主要是由于在多道搭接熔覆过程中，先期形成的熔覆层受到后续熔覆时热量输入的影响，发生重熔结晶，同时，反复加热急冷也使后一道次的熔覆对前一道次的熔覆金属层起到了类似激光淬火的作用，在搭接区生成了细小等轴晶；由图6可知，两个熔覆道次的界面同样存在由细小晶粒组成的熔覆线，熔覆线以上为等轴晶，形成该现象的原因同样是熔池与上一层固体接触时过冷度较大，易形成细小等轴晶，随着热量积累，在熔覆线以上形成了柱状晶[4-8]。

图2 45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的截面总体金相组织

图3 45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的基体及热影响区金相组织

图4 45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的熔覆层金相组织

图5 45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的搭接区金相组织

图6 45钢表面熔覆17-4PH不锈钢后的熔覆道次界面层金相组织

3.2 显微硬度

沿着基体到熔覆层上表面的方向，对45钢基体、热影响区及熔覆层的不同部位进行了显微硬度测试，如图7所示。熔覆层与热影响区界面处的17-4PH不锈钢硬度最高，其次为熔覆搭接区，再次为17-4PH不锈钢熔覆层本体，且其硬度随着距（本体45钢/熔覆层）界面距离的增加有微弱的下降；随后为45钢热影响区，硬度最低的为45钢基体。

图7 激光熔覆层不同部位的显微维氏硬度

显微硬度测试结果表明，熔覆层不同部位的硬度与其熔池凝固冷却速度密切相关，冷却速度越快，获得的硬度越高；45钢热影响区的硬度高于基体是因反复加热和急冷而起到了淬火的作用[9，10]。由于17-4PH不锈钢熔覆修复区有着比基体45钢更高的硬度，具有比基体更优良的耐磨性及力学性能，所以使用17-4PH不锈钢修复45钢工装及模具技术可行，有着广阔的应用前景。

4 结束语

本文通过使用17-4PH不锈钢作为熔覆材料开展基于45钢基板的激光熔覆工艺试验，对熔覆区组织及显微硬度进行分析，得出如下结论。

1）17-4PH不锈钢熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合，熔覆层中不存在气孔、夹杂、裂纹等冶金缺陷，因此使用17-4PH不锈钢修复45钢是可行的。

2）由于冷却速度快，熔覆层贴近基体的部位、使搭接区形成了细小的等轴晶；在等轴晶之上，沿着熔覆层外表面方向，由于热量积累冷却速度降低，所以熔覆层内形成了柱状晶；热影响区形成了类似屈氏体的组织。

3）17-4P H不锈钢熔覆层搭接区显微硬度达到了526H V，熔覆层内细小等轴晶区域硬度为516HV，柱状晶区显微硬度为496HV；45钢热影响区硬度为377HV，基体硬度为280HV。由此可知，17-4PPH不锈钢修复45钢能显著增加其耐磨性。