激光熔覆马氏体不锈钢组织性能研究

陈翠玲，房鑫亮，刘 博，付田田，卢彦朋

(河北敬业增材制造科技有限公司，河北 石家庄 050000)

激光熔覆技术采用激光热源将合金粉末熔覆于零件表面，使零件表面获得较高的耐磨、耐腐蚀[1]和耐热等性能。与热喷涂和传统堆焊相比，激光熔覆技术具有冷却速度快、组织细小均匀、稀释率低、母材热影响区小[2]、零件变形小[3]等优势，且激光熔覆技术材料利用率高，能量消耗少，被认为是先进的绿色制造技术，成为表面改性和加工技术的研究热点之一。激光熔覆层的性能受很多方面因素的影响，激光熔覆用粉末材料是影响覆层质量的关键因素之一，因此，开发激光熔覆配套合金粉末体系具有重要意义。

不锈钢具有优秀的综合力学性能，同时具有良好的耐腐蚀性能，并且具有铁基合金粉末生产成本低[4-5]、性价比高等优点，成为重要的激光熔覆材料研究课题之一。马氏体不锈钢具有优良的机械性能，被认为是航空航天、石油化工等领域的重要材料。与奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相不锈钢相比，马氏体不锈钢具有较高的强度、硬度、耐磨性以及良好的耐腐蚀性能。

目前，研究较多的马氏体不锈钢激光熔覆涂层主要有AISI431、AISI420以及沉淀硬化马氏体不锈钢[6]。李勇作[7]等以传统AISI431马氏体不锈钢的合金成分为基础，添加钒元素进行微合金化，结果表明钒元素可细化熔敷层的马氏体组织，提高熔敷层耐腐蚀性能，当钒元素含量为0.25%时，熔覆层硬度提高，具有最佳的拉伸力学性能。I. Hemmati[8]等在AISI304奥氏体不锈钢基体上进行单层和多层激光熔覆AISI431马氏体不锈钢合金粉末，研究了不同扫描速度下AISI431快速凝固产生的微观组织特征变化，讨论了微观组织的变化对熔敷层硬度的影响：随着扫描速度增加，马氏体的晶界角度没有差异，残余奥氏体含量增加，导致熔敷层硬度降低。Kaimingwang[9]等人研究了Mo含量对AISI431激光熔覆层组织和性能的影响，结果表明：随着Mo含量的增加，熔覆层耐腐蚀性能先增加后降低，当Mo含量为2%时，熔敷层耐腐蚀性最好，随着Mo含量再增加，熔覆层硬度降低。

由于在含氯离子(Cl-)介质中，Cr-Ni奥氏体钢容易发生因钝化层破坏而腐蚀；若钢中含Mo，在各种酸中均有改善耐腐蚀性的作用。本研究在传统AISI431成分基础上，通过添加适量的B，提高熔敷层的成型性；添加少量Nb、Mo等元素进行合金化，提高合金系耐点蚀和晶间腐蚀等性能，研究了不同Nb含量对激光熔覆层组织以及硬度、耐腐蚀等性能的影响。

1 实验材料及方法

不锈钢合金粉末采用本公司真空气雾化设备进行制备，粉末粒度为-100～+300目，粒径分布D10为60-70 μm，D50为80-100 μm，D90为160-180 μm，氧含量为300 PPm，合金粉末名义成分如表1。粉末形貌如图1所示，由于合金粉末的空心粉率对激光熔覆层质量具有重要的影响，因此对粉末的空心粉率进行测定，空心粉率为3%，空心粉情况如图2。

表1 合金粉末名义成分

激光熔覆采用TruDisk4002型号光纤激光器进行熔覆，熔覆工艺参数如下：激光功率为2500 W，光斑直径为5 mm，扫描速度为0.008 m/s，搭接率为50%，氩气作为保护气体，保护气体流量为15 L/min。

图1 粉末形貌图

图2 空心粉形貌

实验基材采用20#钢板，上熔覆两层，砂轮机打磨后，采用TIME6610M型号维氏硬度计对熔覆层进行硬度测定。熔覆层金相组织腐蚀使用硝酸、盐酸1∶4溶液，采用BT-1600型号光学显微镜对熔覆层进行金相组织分析，采用ZEISS EVO18型扫描电镜分析熔覆层组织形貌。

采用同样的熔覆工艺在20#钢棒材上进行熔覆，棒材直径为70 mm，基材在车床进行车削，再用酒精进行清洗，以去除表面油污和灰尘，根据《GB/T 10125-2012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》标准，采用LRHS-412-RY型盐雾试验箱进行中性盐雾试验。

2 实验结果及分析

2.1 熔覆层宏观形貌

在此激光熔覆工艺下，熔覆飞溅很小，熔覆层厚度为1.2 mm，熔覆层表面光亮平整，成形良好(如图3，Nb含量为3%时熔覆层)。将熔覆好的工件车削，车削后熔覆层保留厚度为0.8 mm，然后进行渗透探伤，探伤后形貌如图4，可看出熔覆层无裂纹和气孔等缺陷。

图3 激光熔覆后宏观形貌

图4 探伤后形貌

2.2 熔覆层组织

随Nb含量增加熔覆层顶部扫描形貌如图5。可以看出，熔覆层组织主要有网状共晶组织、少量颗粒状共晶组织和枝晶基体构成。随着Nb含量从0%增加到1.0%，枝晶尺寸减小，熔覆层组织得到细化。这是因为Nb元素是强碳化物形成元素，在熔覆冷却过程中，Nb首先与C、N元素结合形成M(C、N)相，M(C、N)相尺寸很小，结合图7(b)看出，尺寸小于2 μm，且在1400 ℃高温时便析出，可作为非均匀形核的基底，且Nb的碳化物相热稳定性好，不易分解，不易氧化，阻碍晶界的增长，从而起到细化晶粒的作用。

图6为熔覆层与基体结合界面金相组织，可以看出，基体和熔覆层结合处存在亮白的熔合线，表明基体和熔覆层之间良好的冶金结合。在熔覆层底部，形成垂直于熔合线的胞状晶，这是因为在熔池的底部，温度梯度高，凝固速率慢[9]，固液界面成分过冷小，因此形成胞状晶；而随着与熔合线的距离增大，成分过冷变大，形成树枝晶。

2.3 熔覆层成分分析

为了解熔覆层微观组织成分，对微区进行EDS分析。图7(a)为Nb含量为0%时，树枝晶(区域1)和网状共晶组织(区域2)的EDS结果，可以看出，树枝晶组织的Fe含量相对较高，结合熔覆层显微硬度为592.7 HV，说明树枝晶主要为马氏体组织，因为文献[10]中提到马氏体组织的显微硬度为525.4 HV。网状共晶组织的Cr含量相对较高，从热力学角度分析为Cr的碳硼化物。图7(b)为当Nb含量为1.0%时，熔覆层扫描形貌及质点能谱分析，能谱图上看出，Nb的峰值很强，百分含量为18.49%，表明形成了NbC，扫描形貌看出析出的NbC，尺寸小于2 μm，呈粒状、短杆弥散分布于基体，这是因为NbC的密度(7.79 g/cm3)与铁的密度极为相近，因此利于NbC在铁基上均匀分布[11]。

图5 随着Nb含量增加熔覆层组织形貌(a)不含Nb；(b)Nb含量为0.3%；(c)Nb含量为1.0%

图6 随着Nb含量增加结合界面组织形貌100倍(a)不含Nb；(b)Nb含量为1.0%

图7 熔覆层质点能谱分析(a)Nb含量为0%；(b)Nb含量为1.0%

2.4 熔覆层硬度

图8为熔覆层截面显微硬度分布情况，可以看出，熔覆层硬度明显高于基体硬度，当Nb含量为0%、0.3%、1.0%时，熔覆层显微硬度平均值分别为592.7 HV、611.6 HV、455.6 HV。当Nb含量为0.3%时，熔覆层显微硬度提高，主要是因为：一方面，Nb的添加使熔覆层的晶粒细化；另一方面，Nb的碳化物显微硬度为2000～3200 HV，一定程度上可强化熔覆层。当Nb含量为1.0%时，熔覆层硬度下降，主要是因为，Nb为缩小γ奥氏体相区元素[12]，使得合金系相区进入铁素体区，导致熔覆层铁素体组织增加，熔覆层硬度降低，且Nb元素的增加会消耗基体中碳元素，使得熔覆层整体硬度下降。

图8 随Nb含量增加熔覆层硬度变化

2.5 熔覆层耐腐蚀性

将三种不锈钢粉末采用相同的激光熔覆工艺进行熔覆，根据《GB/T 10125-2012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》国家标准进行中性盐雾试验。Nb含量为0%的熔覆试样，在中性盐雾试验500 h，表面出现少量轻微腐蚀锈点，如图9(a)。Nb含量为0.3%的熔覆试样，中性盐雾试验720 h，表面光亮，如图9(b)。Nb含量为1.0%的熔覆试样，在中性盐雾试验4 h，表面出现较多轻微腐蚀锈点，如图9(c)。这是因为，在不锈钢中添加适当含量的Nb，在熔覆层中优先形成Nb的碳化物，减轻了因Cr的碳化物析出而引起的Cr的贫化程度[13]，改善了熔覆层的耐腐蚀性能。然而，过多含量的Nb，使熔覆层缺陷增多，对耐腐蚀性产生不利影响。

图9 中性盐雾试验后熔覆层形貌(a)Nb含量为0%，中性盐雾试验500 h；(b)Nb含量为0.3%，中性盐雾试验720 h；(c)Nb含量为1.0%，中性盐雾试验4 h

3 结论

(1)熔覆层组织主要有网状共晶组织、少量颗粒状共晶组织和枝晶基体构成。随着Nb含量从0%增加到1.0%，枝晶尺寸减小，熔覆层组织得到细化。

(2)随着Nb元素含量增加，熔覆层中析出NbC，熔覆层硬度先增加后减小，当Nb含量为0.3%时，熔覆层硬度提高。

(3)Nb含量为0%的熔覆试样，在中性盐雾试验500 h，表面出现少量轻微腐蚀锈点，Nb含量为0.3%时中性盐雾试验720 h，表面光亮，Nb含量为1.0%时，在中性盐雾试验4 h，出现较多轻微腐蚀锈点。