激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢磁痕分析

周 标，秦仁耀，唐 斌，高 超，郭绍庆，李 能，张 强，黄 帅

(1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)

0 引言

1Cr15Ni4Mo3N钢是半奥氏体沉淀硬化不锈钢，经淬火、冷处理和回火处理后，使其具有较高的强度、优良的塑性和耐腐蚀性能，同时可在室温至300 ℃处于长期稳定状态，目前主要用于制造航空承力构件，如起紧固作用的端轴颈、螺栓以及起落架接头等[1-3]。然而这些1Cr15Ni4Mo3N钢零件在长期服役后，表面易出现磨损、划伤等局部区域的小尺寸损伤，导致其结构功能被破坏，使得这些局部损伤的零件面临报废。为了避免材料浪费、缩短航空装备的维护周期和降低成本，对失效零件的延寿修复和再制造正逐渐取代传统换新。

激光直接沉积(Laser Direct Metal Deposition，LDMD)是一种新兴的绿色制造和修复技术[4-7]，相比于其他熔焊修复方法，如钨极氩弧焊[8-9]、激光焊[10-11]和电子束焊[12]等，该技术具有修复热输入量小、尺寸增量小、能够实现修复层与基体的冶金结合等优点，非常适合零件的小尺寸损伤修复，因此被用于1Cr15Ni4Mo3N钢零件表面局部损伤修复。

对激光直接沉积修复的1Cr15Ni4Mo3N钢零件进行磁粉检测时，发现明显的磁痕显示，磁痕形貌主要呈规则且封闭的矩形轮廓。这类磁痕显示对磁粉检测的激光直接沉积修复零件质量评判造成严重影响。本研究通过对激光直接沉积修复的1Cr15Ni4Mo3N钢进行磁粉检测试验，确定磁痕与激光直接沉积修复的关系，并通过对磁痕及其周围区域的微观组织分析，明确磁痕的形成原因，为1Cr15Ni4Mo3N钢零件激光直接沉积修复过程中的质量评判和控制提供依据。

1 实验材料及方法

实验用的基材为100 mm×60 mm×8 mm的1Cr15Ni4Mo3N钢试板，热处理制度为：1 070 ℃×1 h(油淬)+-70 ℃×2 h(冷处理)+370 ℃×1 h(空冷)。用于激光直接沉积修复用的填充材料是与母材同成分的气雾化球形粉末(具体成分见表1)，粒径为50～106 μm，形貌见图1。参照1Cr15Ni4Mo3N钢零件表面磨损、划伤等损伤去除后的待修复区形貌，在试板上设置2个尺寸均为30 mm×12 mm×0.5 mm的待修复区，其形貌见图2a。采用同轴送粉的6 000 W光纤激光加工综合系统在试板上进行沉积修复，填满待修复区域，并留有1.0 mm的加工余量(图2b)。参照1Cr15Ni4Mo3N钢零件修复区机械加工方法，对试板上的其中1块修复区进行同样的恢复尺寸加工。同时，为确定磁粉检测磁痕的位置及其形成原因，对另1块修复区只进行局部区域的恢复尺寸加工，具体机械加工方式如图3a所示。在磁粉检测前，采用丙酮将修复区及其周围表面擦洗干净，然后采用接触通电、湿磁粉连续法对机械加工后的试板进行磁粉检测，磁化电流约为25 A。为确定激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢磁粉检测磁痕的“缺陷形式”，按照图3b所示位置采用线切割(即电火花切割)截取金相试样，并依次进行细磨和抛光，腐蚀剂为4%(体积分数)的硝酸酒精，腐蚀时间为15～30 s。采用BX51M型光学显微镜(OM)对其微观组织进行观察和分析。

表1 1Cr15Ni4Mo3N钢试板及其粉末的化学成分 (质量分数 /%)Table 1 Chemical compositions of 1Cr15Ni4Mo3N steel plate and its powder (mass fraction /%)

图1 1Cr15Ni4Mo3N钢粉末颗粒形貌Fig.1 Morphology of 1Cr15Ni4Mo3N steel powder particles

2 结果与分析

2.1 磁粉检测与分析

图4是激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢试板的磁粉检测结果，可以发现，在2个明显的矩形框有磁痕显示。通过对比发现，磁痕显示的位置和形貌与激光直接沉积修复区的外轮廓是完全重合，但1Cr15Ni4Mo3N钢基体其他区域以及修复区内部无磁痕。显然，激光直接沉积修复工艺是导致磁痕显示的根源。根据磁粉检测原理可知，磁痕主要是因为不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变，产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉而形成，能够显示不连续性的位置、大小、形状和严重程度[13-14]。对于激光焊、氩弧焊等熔化焊的焊缝或修复区磁粉探伤，其磁痕显示分为缺陷磁痕显示、伪磁痕显示和假磁痕显示。假磁痕是由于工件表面的结构形状或其他油污引起，但磁痕处未产生漏磁场；而缺陷磁痕和伪磁痕则是由漏磁场的产生而形成。在焊缝或熔化修复区的缺陷磁痕显示主要有裂纹、咬边、未熔合等缺陷，伪磁痕显示主要是2种材质交界处、划伤、刀痕等[14]。本研究中1Cr15Ni4Mo3N钢试板上的激光修复区在磁粉检测前，已加工平整且擦洗干净，因此，可排除图4显示的磁痕是假磁痕的可能性。显然，该磁痕是由漏磁场的存在而形成。

2.2 微观组织与磁痕形成原因分析

为确定激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢磁粉检测磁痕的形成原因，对磁痕显示部位的多个位置进行微观形貌与组织观察。图5所示的是按照图3b截取的1～7号金相试样的显微照片，发现激光直接沉积修复区与1Cr15Ni4Mo3N钢基体具有很好的冶金结合，而且修复区与基体的界面处(即磁痕位置)呈现出完好的平滑过渡，既无裂纹、未熔合、咬边以及夹渣等修复缺陷，也没有划伤、刀痕等加工损伤。因此，1Cr15Ni4Mo3N钢激光直接沉积修复区四周边界出现的磁痕也不是缺陷磁痕显示。

通过对比磁痕显示处两侧的微观形貌，发现磁痕一侧的基体组织与另一侧的修复区组织存在显著的不同。由此表明：激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢磁粉检测出的规则矩形磁痕(图4)极可能是修复区与基体的同材质异组织引起的漏磁场现象，总在两种组织的交接处产生磁痕显示，是一种不影响工件强度和使用性能的伪磁痕显示。

图6所示的是1Cr15Ni4Mo3N钢母材及其激光直接沉积修复接头的显微组织，其中接头是由修复区和热影响区组成。虽然三者是同成分的沉淀硬化不锈钢材料，但其组织形貌存在明显的差异。热影响区中虽然残余奥氏体(灰白色相)长大和增多，但仍与母材组织相似，都是由回火马氏

体(黑色相)和少量残余奥氏体组成的双相组织；而修复区的组织呈柱状树枝晶结构，主要是由奥氏体和少量马氏体组成。根据文献可知，面心立方结构的奥氏体磁导率极小，而具有体心立方结构的马氏体相是铁磁性相，磁导率较高[15-16]。因此，激光直接沉积修复1Cr15Ni4Mo3N钢磁粉检测的矩形轮廓磁痕显示，是因为修复区与基体中奥氏体含量存在明显差异，导致两者界面处的磁力线发生局部畸变，产生漏磁场，使得界面处吸附磁粉而形成。

图6 1Cr15Ni4Mo3N钢母材及其激光直接沉积修复接头的显微组织Fig.6 Microstructures of the 1Cr15Ni4Mo3N steel and repaired joint using LDMD

3 结论

1)在磁粉检测激光直接沉积修复的1Cr15Ni4Mo3N钢工件时，当磁痕显示与修复区外轮廓完全重合时，该磁痕显示是不影响修复强度和使用性能的伪磁痕显示。

2)修复区与基体中奥氏体含量的差异，是在磁粉检测激光直接沉积修复的1Cr15Ni4Mo3N钢工件时出现与修复区外轮廓同形状磁痕显示的根本原因。