激光熔覆马氏体不锈钢组织与性能分析

王 华 卓 君 唐洪奎 张智昶

（1.海军装备部；2.西安欧中材料科技有限公司西安市3D 打印用金属粉末材料工程技术研究中心，陕西 西安 710018）

0 引言

激光熔覆作为一种效率高、灵活性好且具有节能减材特点的修复技术，被广泛应用于石油化工、煤矿和电力设备等重型机械行业中[1-3]。自熔性铁基材料因其良好的润湿性、优异的使用性能和材料的价格便宜而被广泛应用在激光熔覆方面，在激光熔覆的使用中，有高硬度的马氏体不锈钢和低硬度高耐蚀的奥氏体不锈钢2 类，其中，马氏体不锈钢因硬度高且兼具一定的耐蚀性而被广泛应用[4]，但随着马氏体不锈钢硬度的增加，熔覆过程中会出现一定的开裂现象，因此，需要对马氏体不锈钢中的合金元素进行优化设计，降低激光熔覆过程中的开裂倾向[5-6]。

该研究激光熔覆用粉末是在AISI431 马氏体不锈钢的基础上进行优化设计的，通过添加Nb、Ti 以及Mo 等合金元素，研究合金元素对激光熔覆马氏体不锈钢组织和性能的影响，以满足激光熔覆用高硬度不开裂的使用需求。

1 实验材料及方法

试验用粉末由超高速等离子旋转电极法（SS-PREP ）制备而成，采用ICP-AES 法测试粉末成分（见表1），粉末球形度高、流动性佳。粉末1 为AISI431 马氏体不锈钢粉末，粉末2 在粉末1 的基础上添加Nb 元素，粉末3 在粉末1 的基础上添加Ti 元素。熔覆用3 种粉末的粉末粒径为25 μm～53 μm，基体为316L 钢棒，尺寸为ϕ55 mm×110 mm，对316L 钢棒进行水砂纸去除油污和氧化层的处理，乙醇清洗去除表面油污。

表1 3 种马氏体不锈钢棒材成分表

试验采用高速激光熔覆试验系统包括IPG 公司6 kW光纤激光器、GTV 双筒送粉器、同轴送粉器及高速旋转高精度机床，保护气体为纯度99.999%的高纯氩气。采用聚焦光束熔融沿熔覆头四周同步送出粉末，试验用光斑直径为3 mm 的圆形斑，采用螺旋扫描方式，涂层数为1 层，熔覆前后无预热、缓冷，优化后的熔覆工艺参数见表2。

表2 激光熔覆工艺参数表

为满足性能测试的准确性，涂层厚度设计范围为500 μm～600 μm，熔覆前径向跳动度约为10 丝，熔覆后径向跳动度为15～20 丝。熔覆过程优先在送粉桶内装入充分烘干后的1#粉末，完成1#试样熔覆后，充分清洗粉桶、送粉管路。再依次装入充分烘干后的同粒度段的2#、3#粉末，分别进行激光熔覆试验。

采用在熔覆件中部线切割取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm 金相试块，取样方向为垂直于涂层表面方向。试样经磨平、抛光、放置于Kalling 试剂（1.5 g CuCl2+33 mL HCl+33 mL H2O 溶液）中腐蚀后，采用Olympus 光学显微镜对金相组织进行观察，观察方向为平行于沉积方向的显微组织（包括基体、热影响区和涂层组织）。采用显微维氏硬度计对3 种涂层截面涂层的硬度进行检测，在涂层中部区域进行硬度打点，为保证试验测试的准确性，测试过程中等距随机选取8 点进行检测，其中载荷为500 g，保压时间为10 s。

在3组试样涂层中间相同部位取尺寸为R 49 mm×100 mm的试样，为保证测试准确性，减少人为因素造成的误差。测试前将试样涂层表面用砂纸磨平并抛光处理，无水乙醇充分清洗涂层表面。其中，无涂层位置涂覆有白色油漆进行保护，防止由于基材材料腐蚀造成的涂层受腐。耐腐蚀性能测试采用人造盐雾试验法，遵照标准《GB/T 10125—2012 人造气氛腐蚀试验盐雾试验》中CASS 铜加速盐雾试验进行检测。

2 实验结果与分析

2.1 微观组织分析

激光熔覆过程是一个将熔覆粉末与母材表面同时快速加热融化并快速冷却的过程。激光熔覆过程存在熔池存在时间短、凝结速度快的问题。图1 为粉末1 涂层高速激光熔覆下组织图，从图1（a）中可看出，涂层表面平整、均呈现金属性光泽。且涂层结合界面平整，无裂纹，马氏体不锈钢主要由细针状的马氏体、铁素体和残余奥氏体组成。从图1（a）可看出涂层与基体之间存在明亮的条带区域，说明涂层与基体冶金很好地结合在一起。图1（a）中1、2 和3 分别选取熔覆表层、涂层和基体结合处作为观察区域，分别对应图1（b）、图1（c）和图1（d）。从图1（b）中可以看出熔覆表层组织主要由细小的枝晶和少量的胞晶组成，外层的金属熔液在保护气体和外界环境的作用下，冷却速率大，形成细小的树枝晶，可以看出向涂层有明显的组织转变区域。从图1（d）中可以看出涂层与基体结合处的组织主要由平面晶和少量的胞晶组成（由虚线区域可看出），整个组织生长区域的范围在30 μm～40 μm，在熔液与基体的结合处，热量向基体扩散，正温度梯度G过大，液相温度曲线与结晶曲线不相交，无成分过冷，使晶体以平面状方式向液体内部生长，形成以平面晶为主的组织，平面晶晶粒尺寸范围为5 μm～10 μm，在结合界面处形成白亮带。在向内生长过程中，温度梯度G减小，液相温度曲线与结晶曲线相交形成窄的成分过冷区间，平面晶界面前沿变得不稳定，新形成的晶芽凸入过冷液相内生长，形成相互平行的胞状亚晶组织。从图1（c）中可以看出涂层中间部位以树枝晶为主，涂层中间温度梯度G最小，液相温度曲线与结晶曲线形成宽的成分过冷区间，组织得以向过冷区间内快速生长，形成以枝晶为主的组织。从图1（c）中可看出，熔覆结合界面和涂层表面温度梯度大，过冷度高，形核速率大，形成的晶粒相对细小。

图1 粉末1 涂层不同部位组织图

图2 为3 种粉末高速激光熔覆下涂层的宏观组织图，从图2（a）～图2（c）中可看出3 种粉末的熔覆性能良好、无裂纹且涂层平整，涂层3 表面颜色较深，这是Ti 元素对氧含量敏感，氧化所形成的。图2（e）～图2（f）为涂层对应图2（a）～图2（c）的宏观组织，经Image-Pro Plus 软件测量，3 组涂层厚度均为500 μm～600μm，涂层厚度均匀，表面平整，内部无气孔、未熔合等缺陷。说明3 组粉末涂层的可焊性优异、涂层抗裂能力较强，均适合于激光熔覆技术。图3 为3 种涂层的微观组织图，从图3 中可以看出，涂层1的组织主要由树枝晶组成，涂层2 的组织主要由树枝晶和少量的等轴晶组成，涂层3 的组织以等轴胞状晶为主。这是由于粉末2 和粉末3 中分别含有Nb 和Ti 元素，而Nb 和Ti 元素在钢中都有细化晶粒的作用，因此涂层2 和涂层3 形成的组织相对涂层1 更加细小。而涂层3 中晶粒受过冷度影响而产生的垂直熔覆方向生长趋势比涂层1 和涂层2 弱的原因在于：涂层3 中含有Ti 元素，Ti 元素在熔覆过程中可以固定C元素，形成强固的TiC，在高速熔覆的快速冷却过程中，起到降低冷却速率、抑制树枝晶的生长以及促进等轴晶转变的作用，可以明显地改善不锈钢的熔覆性能[7]。且添加Ti 元素后合金熔覆过程散热慢，粉末润湿性和铺展性好，熔覆过程中表面浮粉少（也就是激光熔覆过程中粉末利用率高）。

图2 3 种粉末涂层宏观组织图

图3 3 种涂层微观组织形貌

2.2 显微维氏硬度测试

硬度是评价材料综合性能的指标，宏观上可判定材料强度和塑性的共有特性。试验将3 组试样显微维氏硬度测试结果取平均值并计算误差值，如图4 所示。基体316L 不锈钢硬度为198 HV0.5，涂层1 平均硬度为602 HV0.5，硬度是基体硬度的3 倍；涂层2 平均硬度为545 HV0.5，涂层3 平均硬度为399 HV0.5，涂层硬度都高于基体硬度，马氏体不锈钢中的C 含量远高于基体奥氏体316L 中的C 含量，使马氏体不锈钢激光熔覆过程中生成的碳化物远高于奥氏体316L，使硬度明显增加[8-9]。涂层1、涂层2 和涂层3 的硬度依次降低，这与组织转变的结果一致，冷却速率高的情况下形成树枝晶多，使晶格畸变程度增加，因此硬度会增加；而涂层3 组织主要为胞状晶，组织相对粗化，未出现因晶粒细化产生的细晶强化作用而造成组织强化、硬度提高的效应。

图4 基体及涂层表面硬度图

2.3 耐腐性能测试及对比

耐腐蚀性能测试采用人造盐雾试验法，遵照标准《GB/T 10125—2012 人造气氛腐蚀试验盐雾试验》中CASS 铜加速盐雾试验进行检测。其中铜加速盐雾试验法的试验溶液为5%NaCl+CuCl2·2H2O 溶液，溶液pH 值为3.1～3.4，饱和筒温度为（55±2）℃，盐雾沉降量为1.25 mL/80 cm2·h，待检样放置角度与垂直方向呈20°倾角放置，酸性腐蚀55 h 后试样表面形貌对比照片如图5 所示，3 组试样涂层表面均无明显的红锈，表明3 组涂层抗腐蚀能力优异。具体结果为涂层3 的耐腐蚀性能最佳，这是由于Ti 元素自身就具有良好的耐蚀性能，因此添加Ti 元素的粉末抗腐蚀性能遗传到涂层表面，导致涂层3 抗腐蚀性能优异；而涂层1、2 耐蚀性相当，涂层表面略有腐蚀点。

图5 3 组熔覆试样腐蚀图

3 结论

激光熔覆马氏体不锈钢可获得组织均匀的马氏体组织、涂层表面硬度较未熔覆基体均明显提高且熔覆后表面抗腐蚀性能力提高。适用于对力学性能和耐腐蚀性能有较高要求的产品进行表面改性和激光立体成形。激光熔覆对马氏体不锈钢组织和性能影响具体情况如下：1）激光熔覆马氏体不锈钢组织转变以树枝状的马氏体组织为主，涂层与基体结合处组织以平面晶方式生长，涂层内和表面以树枝晶为主。2）Ti 和Nb 元素对激光熔覆马氏体不锈钢的起到细化晶粒的作用，Ti 元素有强C 的作用，对激光熔覆马氏体不锈钢的熔覆性能起到改善的作用，降低开裂倾向。3）激光熔覆马氏体不锈钢的硬度提升以非平衡凝固下的树枝晶为主，Ti 和Nb 元素促进组织向等轴晶转变，对熔覆性能和耐蚀性方面提高明显。