30CrMnSiA钢激光再制造件的性能

李思瑾, 朱兆琦, 陈庆东, 汪宏斌, 吴益文,

(1. 上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135；2. 上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072)

高强钢因其优良的性能，被广泛应用在基础设施建设、军事装备制造、汽车制造、飞机制造、核电工程等诸多领域[1-2]。30CrMnSiA钢是一种常用的高强钢，在调质后有很高的强度和足够的韧性，而且该钢还具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能也相当好,所以被广泛应用于轴类和活塞类零配件中以及汽车和飞机等各种特殊的耐磨零配件[3]。由于长时间在冲击、摩擦、振动等环境中服役，高强钢零件易于产生应力集中和磨损，从而导致高强钢零件的损坏[4]。对于损伤的高强钢零部件,会直接更换整个零件。当今社会，大力提倡发展循环经济、节能减排、绿色生活、走可持续发展道路。在此背景下，再制造技术应运而生，并已成为发展循环经济、促进社会可持续发展的有效途径[5]。零件再制造就要用到表面改性技术，因为损坏多发生在表面，损坏的机械零件修复后需要具有优异的表面性能。金属材料的缺陷也多发生于表面，因此表面改性技术也是再制造工程的重点[6]。再制造技术包括纳米电刷镀技术、高速电弧喷涂技术、PVD镀膜、激光焊接技术、微束等离子快速成形技术、自修复技术等[7]。

作者对预置了一定尺寸缺陷的30CrMnSiA钢试样进行激光堆焊再制造，并对再制造试样进行了力学性能测试和显微组织分析，为此类零部件的激光再制造和工程应用作一些基础性的研究工作。

1 试验材料

试验用30CrMnSiA钢的化学成分见表1，热处理工艺是在880 ℃油淬后520 ℃高温回火，回火后水冷，显微组织为回火索氏体，其具有较高的强度和足够的冲击韧性，有较好的焊接性和冷冲压变形性[8-9]。堆焊材料选用GH3030焊丝。

表1 30CrMnSiA钢的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of 30CrMnSiA steel (mass fraction) %

拉伸原始状态材料试样尺寸为198 mm×37 mm×4 mm，示意图如图1所示，在该试样上预置缺陷，缺陷的尺寸为2 mm×3 mm×0.6 mm，示意图如图2所示。冲击原始状态材料试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，示意图如图3所示，在该试样上预置缺陷，缺陷的尺寸为10 mm×3 mm×1.5 mm，示意图如图4所示。旋转弯曲疲劳原始状态材料试样尺寸为φ7.5 mm×170 mm，示意图如图5所示，在该试样上开环状U型槽缺陷，厚0.55 mm，宽3 mm，示意图如图6所示。对上述的缺陷试样都采用手工激光焊机进行激光修复。

图1 拉伸原始状态材料试样示意图Fig.1 Diagram of tensile original material sample

图2 拉伸激光再制造试样示意图Fig.2 Diagram of tensile laser remanufactured sample

图3 冲击原始状态材料试样示意图Fig.3 Diagram of impact original material sample

图4 冲击激光再制造试样示意图Fig.4 Diagram of impact laser remanufactured sample

图5 疲劳原始状态材料试样示意图Fig.5 Diagram of fatigue original material sample

图6 疲劳激光再制造试样示意图Fig.6 Diagram of fatigue laser remanufactured sample

2 试验结果及分析

2.1 拉伸性能

按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对拉伸试样进行拉伸试验，试验结果见表2。可以看出经过激光再制造后试样的抗拉强度和原始状态材料试样的几乎一致。

表2 30CrMnSiA钢原始状态材料试样和激光再制造试样的抗拉强度Tab.2 Tensile strength of 30CrMnSiA steel original material and laser remanufactured samples MPa

2.2 冲击性能

按照GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》对冲击试样进行冲击试验，试验结果见表3，可见经过激光再制造后试样的冲击吸收能量比原始状态材料试样的稍高。

表3 30CrMnSiA钢原始状态材料试样和激光再制造试样的冲击吸收能量Tab.3 Impact test results of 30CrMnSiA steel oringial material and laser remanufactured samples J

2.3 旋转弯曲疲劳性能

按照GB 4337—2015《金属材料 疲劳试验 旋转弯曲方法》对疲劳试样进行旋转弯曲疲劳试验，结果见表4。由表4可知，激光再制造试样的疲劳寿命只能达到原始状态材料试样的约20%。

表4 原始状态材料试样和激光再制造试样的疲劳寿命Tab.4 Fatigue life of original material and laser remanufactured samples

2.4 断口分析

550 MPa应力水平下的无缺陷试样和激光再制造试样的疲劳断口扫描电镜(SEM)形貌如图7所示,660 MPa应力水平下激光再制造试样的疲劳断口SEM形貌如图8所示。

图7 550 MPa应力水平下原始状态材料试样和激光再制造试样的疲劳断口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of the fatigue fracture of original material and laser remanufactured samples under 550 MPa stress level: a) crack source area of original material sample; b) crack source area of laser remanufactured sample; c) crack expansion area of original material sample; d) crack expansion area of laser remanufactured sample; e) final fracture area of original material sample; f) final fracture area of laser remanufactured sample

图8 660 MPa应力水平下激光再制造试样的疲劳断口SEM形貌Fig.8 SEM morphology of the fatigue fracture of laser remanufactured sample under 660 MPa stress level: a) crack source area; b) crack expansion area;c) final fracture area

由图7可以看出，激光再制造试样的二次裂纹较多，二次裂纹更长，激光再制造试样的韧窝数量少，且比较细小。由图8可以看出，660 MPa应力条件下的激光再制造试样随着疲劳应力水平的增加，对比图7 b)裂纹源所在区域更加平坦，随着循环应力的作用，裂纹从疲劳源向外扩展，疲劳裂纹扩展区形成二次裂纹，二次裂纹更多，裂纹长度更长；另外还可明显观察到疲劳弧线(贝纹线)，疲劳弧线也更密集，如图8 b)所示；瞬断区的韧窝更小，如图8 c)所示。

3 结论

(1) 激光再制造试样的冲击性能和拉伸性能在静态条件下与原始状态材料试样的基本一致，说明静态条件下，预制一定尺寸缺陷的试样，完全可以修复。

(2) 激光再制造试样的旋转弯曲疲劳性能远小于原始状态材料试样的，寿命仅约为原始状态材料试样的20%，应进一步加强缺陷深度对旋转弯曲疲劳性能影响的研究。