激光熔覆成形316l不銹鋼微觀組織的形成

激光熔覆成形316l不銹鋼微觀組織的形成

1熔覆技術(shù)及應(yīng)用激光填充技術(shù)是1960年以來開發(fā)的一種新型先進制造技術(shù)，集信息技術(shù)、激光技術(shù)和材料加工技術(shù)于一體。該技術(shù)突破傳統(tǒng)去除材料的加工方法,以“離散+堆積”成形的思想為基礎(chǔ),將快速原型制造技術(shù)和激光熔覆表面強化技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)三維近終形全密度金屬零件的分層增材制造。激光熔覆成形時,首先在計算機中生成零件的三維CAD模型,然后將該模型按一定的厚度分層“切片”,即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列的二維輪廓信息,或直接轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼驅(qū)動工作臺和激光器的運動,金屬粉末由送粉裝置和噴嘴輸送到高能激光束在基體上形成的熔池中,再采用激光熔覆的方法按照輪廓軌跡逐線、逐層堆積材料,形成近終形三維實體零件。激光熔覆成形技術(shù)由計算機控制,可以用極少量的工序加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而無需工模具,省去了設(shè)計、加工模具的時間和費用,極大地提高了制造的柔性,縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低了生產(chǎn)成本。同時,該技術(shù)適用材料范圍廣泛,可以加工難熔金屬、高溫合金和金屬間化合物等難加工材料,實現(xiàn)梯度功能制造,成形零件的組織性能優(yōu)良。該技術(shù)一經(jīng)問世就受到了人們的高度重視,并得到了迅猛發(fā)展。激光熔覆成形技術(shù)在復(fù)雜零件制造、航空航天、國防和零件修復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對316L不銹鋼粉末的激光熔覆成形組織特征和性能進行深入的分析和測試,揭示其組織形成機理和規(guī)律。2熔覆工藝參數(shù)激光熔覆成形系統(tǒng)由6kW橫流CO2激光器、西門子SINUMERIK802C數(shù)控系統(tǒng)、自動寬帶送粉器和四軸數(shù)控工作臺組成。316L不銹鋼粉末成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))C<0.03%,Si:0.68%,Cr:16%~18%,Mo:2%~3%,Ni:12%~14%,Fe:Bal,粉末粒度:~200目,氣霧化制粉,基體材料為2Cr12。熔覆成形工藝參數(shù)如表1所示。成形后制備標(biāo)準(zhǔn)試樣在KEYENCEVH-3000三維數(shù)字顯微鏡下進行顯微組織觀察,在Zwick/Roell材料試驗機上進行抗拉強度實驗,采用Philips掃描電鏡觀察斷口形貌,用ShimadzuEPMA-8750電子探針進行元素線掃描。沖擊韌性檢測在SATECSYSTEMSSI-lC3材料沖擊試驗機上進行。3枝晶組織及織構(gòu)工藝3.1316L不銹鋼激光熔覆成形組織特征圖1所示為激光熔覆成形316L不銹鋼顯微組織。圖1(a)為多層熔覆組織低倍形貌,從圖中可以看出,316L不銹鋼熔覆成形組織由長短不一的柱狀樹枝晶組成,樹枝晶沿著與每一層界面接近90°夾角的方向外延生長。圖1(b)顯示熔覆層與基體的界面為一條光滑平整的平面晶帶,說明二者之間呈良好的冶金結(jié)合。熔覆層中部垂直于掃描方向的高倍放大組織如圖1(c)所示,熔覆層組織主要由基本垂直于層間界面的細(xì)長的柱狀晶和部分層間轉(zhuǎn)向樹枝晶的組織組成,由平行于熔覆層的縱截面可以看出,這些轉(zhuǎn)向樹枝晶組織大致平行于掃描方向,如圖1(d)所示,層與層之間呈冶金結(jié)合。圖1(e)為多層熔覆成形試樣頂部組織,頂部轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)的厚度大于中間層,柱狀晶組織相對粗大。圖1(f)為平行于基體上表面的枝晶橫截面組織,可以看出,枝晶橫截面組織均勻,呈典型的蜂窩狀結(jié)構(gòu),與熔覆層中部橫截面內(nèi)轉(zhuǎn)向枝晶的組織形貌一致。整個熔覆層組織致密、無氣孔、裂紋等缺陷,柱狀晶間距在8~20μm之間。3.2316L不銹鋼激光熔覆成形組織形成機理凝固界面的顯微組織與合金成分、固/液界面前沿的溫度梯度G和界面能以及凝固速率V等因素密切相關(guān)。在激光熔覆成形開始時,凝固表面與基體緊密接觸,基體本身是冷卻源,在固液界面形成很大的溫度梯度,冷卻速度V很小,使得凝固界面的G/V值很大,幾乎不存在成分過冷,凝固界面以平面晶方式長大,形成圖1(b)所示的平面晶帶。枝晶的生長與晶胞的位向有關(guān)。在體心立方和面心立方的金屬立方晶體中,枝晶晶軸沿著〈100〉方向生長,熱流方向不改變晶軸的生長方向,只是選擇三個〈100〉方向中與熱流方向夾角最小的一個方向生長。由于熔覆層通過基體散熱,熱流方向垂直于界面,界面前沿存在正的溫度梯度,樹枝晶沿溫度梯度最大的〈100〉方向擇優(yōu)生長,形成和熱流方向相反的快速凝固外延生長的枝晶組織。隨著固/液界面的推進和傳熱傳質(zhì),熔覆層溫度梯度G逐漸減小,通過基體的散熱已經(jīng)不占優(yōu)勢,枝晶垂直外延生長的趨勢被打斷。熔覆層主要通過周圍環(huán)境即表層的大氣散熱。激光熔覆成形中,熔池界面前沿的凝固速率V=Vbcosθ(Vb為掃描速度,θ為固/液界面法線方向與激光束掃描方向的夾角),在熔池底部,V很小,故生成無偏析的平面晶層,接近熔池頂部,cosθ值最大,沿水平方向的凝固速率最大。這時,由于大氣的冷卻作用,沿掃描速度方向的溫度梯度逐漸增大,枝晶生長的方向發(fā)生變化,與最大溫度梯度方向最為接近的〈100〉方向成為生長的擇優(yōu)取向。沿掃描速度方向水平生長柱狀樹枝晶組織生長的優(yōu)勢大于垂直向上枝晶的生長,該方向的枝晶快速凝固,競爭生長的結(jié)果出現(xiàn)了圖1(d)所示的組織。若合理控制工藝參數(shù),下一層掃描時,前層的轉(zhuǎn)向樹枝晶區(qū)被完全重熔,則外延生長的趨勢還可以延續(xù),層與層之間為外延生長的連續(xù)的細(xì)長樹枝晶,如圖1(c)中的位置A所示;否則,在層間會夾雜出現(xiàn)轉(zhuǎn)向的樹枝晶組織,如圖1(c)中的位置B所示,可以通過合理地選擇和控制工藝參數(shù),控制重熔深度,從而控制熔覆層的生長方向,得到外延生長的熔覆層。熔覆成形試樣頂部不存在重熔,冷卻比較充分,故轉(zhuǎn)向枝晶區(qū)的厚度較大,見圖1(e)。同時,根據(jù)W.Kurz等的快速凝固理論模型,枝晶臂的一次間距λ1與凝固速度之間存在近似關(guān)系:λ1∞V-xG-y(x,y為與合金相關(guān)的系數(shù)),由于激光熔覆成形的溫度梯度G很大,可達(dá)到106K/mm,所以λ1很小,成形組織非常細(xì)小,枝晶間距在8~20μm之間。3.3316L激光熔覆成形性能分別沿平行于掃描速度方向和垂直于掃描速度方向的水平方向制備圓柱和板狀拉伸試樣若干,在Zwick材料試驗機上按照ISO6892:1998標(biāo)準(zhǔn)進行抗拉強度實驗,拉伸結(jié)果如表2所示。通過和常規(guī)方法加工性能的對比可以看出,激光熔覆成形316L不銹鋼的抗拉強度大大超出熱軋、冷軋及鑄造材料,而延伸率接近或超過傳統(tǒng)材料加工方法,機械性能的提高主要是由于晶粒細(xì)化的結(jié)果,激光加工晶粒間距約比常規(guī)加工方法低一個數(shù)量級,所以其強度大大提高。兩個方向的平均抗拉強度接近,垂直方向的延伸率略低,這主要是由于熔覆道之間的搭接效應(yīng)引起的,道間結(jié)合處存在氧化物熔渣或結(jié)合不良可能形成裂紋源而導(dǎo)致過早斷裂。圖2所示為激光熔覆成形試樣平行掃描速度方向的拉伸斷口形貌,可以看出,斷口主要由比較均勻的塑性韌窩和白色的撕裂棱組成,呈現(xiàn)出良好的塑性,斷裂的機制是微孔的聚合和長大。熔覆層沖擊能量為50J。圖3為激光熔覆成形試樣中切取的一部分,其中底部為基體材料,上部為熔覆層,從它的截面也可以看出,熔覆層致密,無裂紋、氣孔等缺陷,與基體形成良好的冶金結(jié)合。從316L不銹鋼激光熔覆層過渡區(qū)開始,向熔覆層方向進行電子探針顯微分析(EPMA),結(jié)果如圖4所示。可以看出,整個熔覆層成分變化小,稀釋率很小,熱影響不顯著,這是由激光熔覆成形技術(shù)本身的工藝特性決定的。能譜分析(EDS)成分定量分析表明晶界處的Ni,Cr偏析率分別為2.962%和1.236%,這主要是由于激光熔覆成形是一個快速凝固的過程,宏觀的擴散邊界層變得很小,固液界面前進的速率超過溶質(zhì)原子在液相中的擴散速率,凝固過程顯著地偏離平衡,減少了偏析對組織性能的影響。4柱狀晶的生長1)激光熔覆成形316L不銹鋼熔覆層主要由垂直于結(jié)合面的外延生長的柱狀