基于316L过渡层的431不锈钢激光熔覆层组织与性能研究

摘"要： 采用激光熔覆技术制备316L不锈钢涂层作为过渡层，在过渡层表面激光熔覆431马氏体不锈钢作为表面熔覆层.通过OM和SEM观察分析了熔覆层截面的微观组织特征，并借助XRD分析了熔覆层和过渡层的物相组成，利用显微硬度仪和电化学工作站测试熔覆层的硬度分布和耐腐蚀性.试验结果表明：加入过渡层后获得的熔覆层表面光滑平整，没有气孔裂纹等缺陷；表面熔覆层由马氏体、铁素体和少量残余奥氏体组成，过渡层由奥氏体组成；整个熔覆层的硬度从顶端向下呈现出梯度减小，表面熔覆层的硬度为538 HV，比基材提高了3倍，过渡层的平均硬度为300 HV；熔覆层的腐蚀电流为0.956 9×10-6 A/cm2，腐蚀电位为-0.166 44 V，熔覆层的耐腐蚀性优于基材.

关键词： 激光熔覆；马氏体不锈钢；过渡层；硬度梯度；耐腐蚀性

中图分类号：TG174.4"""文献标志码：A"""""文章编号：1673-4807（2024）04-032-04

Study on microstructure and properties of 431 stainless steel lasercladding layers based on 316L transition layers

GAO Yulong1， ZHOU Lilong2， FU Juan3*， ZHAO Yong3， FENG Naiqiang4，XU Haiyang4， YANG Ming4

（1.CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Co. LTD.， Qingdao 266000， China）

（2.Aerospace Engineering Equipment （Suzhou） Co. LTD.， Suzhou 215104， China）

（3.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003，China）

（4. Jiangsu Yangzi Mitsui Shipbuilding Co. Ltd.， Taizhou 225300， China）

Abstract：316L stainless steel was prepared as the transition layer by laser cladding technology， and 431 martensitic stainless steel was used as the surface cladding layer on the transition layer. The microstructure of the cladding layer was analyzed by OM and SEM， and the phase composition of the cladding layer and transition layer was analyzed by XRD. The hardness distribution and corrosion resistance of the cladding layer were tested by microhardness tester and electrochemical workstation. The test results show that the surface of the cladding layer obtained by adding the transition layer is smooth and flat， and there are no porosity cracks and other defects. The surface cladding layer is composed of martensite， ferrite and a small amount of residual austenite， and the transition layer is composed of austenite. The hardness of the cladding layer decreases gradually from the top to the bottom. The hardness of the surface cladding layer is 538HV， which is 3 times higher than that of the substrate， and the average hardness of the transition layer is 300HV. The corrosion current of the cladding layer is 0.956 9×10-6 A/cm2， the corrosion potential is -0.166 44 V， and the corrosion resistance of the cladding layer is better than that of the substrate.

Key words：laser cladding， martensitic stainless steel， transition layer， hardness gradient， corrosion resistance

液压系统在工程机械、矿物开采、海洋装备等领域是必不可少的工作介质，活塞杆作为液压设备最为重要的零件之一起到连接活塞和工作部件的作用，由于重复的摩擦和其特殊的工作环境导致活塞杆容易出现损伤，选材上就必须满足强度高、韧性好、耐磨性和耐腐蚀性能优异［1-2］等特点.因此，提高基材的耐磨性和耐蚀性等综合性能尤为重要.

研究发现通过激光熔覆不锈钢涂层的方法能提高普通材料的性能，如文献［3］对激光熔覆316L不锈钢涂层组织和性能进行了研究，研究发现熔覆层的硬度和耐腐蚀性能相较于基材有很大提升；文献［4］研究了激光熔覆AISI431马氏体不锈钢涂层的微观组织，结果表明熔覆层由马氏体和奥氏体组成，熔覆层表面的平均硬度为540HV，相较于基材提高了近3倍，但较高的硬度差容易导致裂纹的出现.针对裂纹的问题，可以采取减小温度梯度的办法，预热和缓冷都能减小熔覆层凝固过程中的温度梯度，对裂纹的产生有抑制作用［5-6］.另外还可以通过增加中间过渡层的方法，熔覆层和基材在物理性质上有一个平缓的过渡，在硬度梯度上也能平缓地变化［7］.

文中通过激光熔覆技术在基材表面制备316L不锈钢涂层作为中间过渡层，然后在过渡层的表面激光熔覆431马氏体不锈钢涂层作为表面涂层，分析了整个熔覆层的微观组织特征，测试了涂层的硬度分布和表面的耐腐蚀性.

1"试验材料与方法

1.1"试验材料

试验基材为45钢，成分如表1，尺寸为100 mm×80 mm×10 mm.试验前先用打磨机去除表面氧化皮，然后用丙酮清洗干净.熔覆粉末为赫格纳斯公司生产的316L不锈钢粉末和431不锈钢粉末，颗粒度为200～300目，粉末的成分如表1，使用前在150 ℃烘干炉中烘干30 min.

1.2"试验方法

试验使用的激光熔覆系统由光纤激光器（YLS-6000）、ABB机器人和同轴送粉器（DPSF-2）等设备所组成，激光器的光斑尺寸为5 mm×5 mm. 激光熔覆示意如图1.

先在45钢制备出合格的316L不锈钢过渡层，然后在清理干净且完全冷却的316L不锈钢过渡层表面制备431不锈钢表面熔覆层.激光熔覆工艺参数如表2.

将制备好的激光熔覆层垂直于激光扫描方向加工出尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样.磨抛后采用草酸电解腐蚀的方法对试样进行处理.利用Smartzoom5体视显微镜对熔覆层的截面进行宏观金相分析，采用Merlin Compact场发射扫描电子显微镜分析微观组织和元素，通过岛津XRD-6000 X射线衍射仪对表面熔覆层和过渡层进行物相分析，衍射角度为30°～100°，采用KB30S显微硬度计测量涂层截面的硬度梯度，间距0.15 mm，载荷0.2 kg，加载时间15 s.

2"结果与分析

2.1"熔覆层的宏观特征

经过工艺优化后所得的熔覆层宏观形貌如图2，熔覆层表面平整光滑，起伏很小，没有缺陷产生。熔覆层的截面如图3，熔覆层表面的起伏较小，各层之间结合良好，未出现未熔合的情况.

2.2"熔覆层的微观组织

图4为熔覆层的微观组织，其中图4（a）为整个熔覆层的全貌，图4（b）为中间过渡层的微观组织，在金属的凝固过程中，固液界面温度梯度G与凝固速率R的比值决定了凝固组织的形态［8］.当熔池开始凝固时，与基材接触的液态金属最先凝固，由于基材的散热作用，形成激冷区，使此处的温度梯度G很大，凝固速度R很小，此时界面G/R比值趋于无穷大，从而形成平面晶组织；随着凝固的进行，由于温度梯度是朝着熔池中心方向增加的，且G/R的比值越来越小，所以在过渡层的中部形成了大量指向熔池中心方向的柱状树枝晶；再往下由于受到空气的冷却作用，所以在过渡层的上部形成大量等轴晶.

表面熔覆层如图4（d），是在过渡层的基础上形成，凝固后的微观组织与第一层类似，由表面等轴晶和中部的柱状树枝晶构成.在过渡层和表面熔覆层的交界处，由于受到二次激光的影响，组织比较复杂.如图4（c），因为发生了重熔和淬火，过渡层的晶粒因为反复受热，晶粒明显粗大，而且有一部分的等轴树枝晶从过渡层一直延伸到了表面熔覆层，这样贯穿的组织有利于熔覆层的结合强度和综合性能.

2.3"熔覆层的元素分析

图5为熔覆层的元素分布，由图可知熔覆层主要是由Fe、Cr、Ni、Si等元素组成，因为材料是由基材、过渡层和表面熔覆层三部分组成，所以元素分别也呈现出梯度的变化.从基材到熔覆层，Fe元素出现了明显地下降，而Cr、Ni元素出现的陡增，这种突变集中发生在宽度为10 μm的界面过渡区，元素的扩散区域没有超出过渡层的范围，基材的成分对表面熔覆层没有影响.过渡层中的Ni元素含量最多，Ni元素的存在可以增强熔覆层的韧性，有利于降低熔覆层内的裂纹倾向［9］.

2.4"熔覆层的物相分析

从垂直于熔覆层的方向进行测试分析，表面熔覆层和过渡层的X射线衍射图谱如图6，表面熔覆层由马氏体相、铁素体相和少量的残余奥氏体相共同组成，而在过渡层中全部是由奥氏体相所构成.

结合图5元素分布可知，在中间过渡层中有大量的Ni元素，能稳定奥氏体相不发生马氏体转变，奥氏体相可以提高熔覆层的塑性和韧性，减小裂纹倾向.在表面熔覆层中因为Ni元素的含量比较少，所以主要是马氏体相、铁素体和少量的残余奥氏体，马氏体组织有很高的硬度，有利于熔覆层的耐磨性.

2.5"熔覆层的硬度分布

熔覆层的硬度分布如图7，熔覆层内的硬度从表面向内部呈现出明显的梯度减小趋势，依次为表面熔覆层、中间过渡层和基材，表面熔覆层的平均硬度为538HV，相较于基材增加了近3倍，对普通基材起到了明显的强化作用，中间过渡层的平均硬度为300HV，过渡层的存在使熔覆层内的硬度平缓过渡，有利于降低熔覆层内的裂纹倾向.

2.6"电化学腐蚀性能

基材和熔覆层在3.5%NaCl水溶液中的电位极化曲线如图8，测试结果如表3，根据相关理论，腐蚀电流越小，材料的耐腐蚀性越强，腐蚀电压越高，耐腐蚀性越好［10］.从表3可以看出，熔覆层表面的腐蚀电位为-0.166 44 V，腐蚀电流为0.956 9×10-6A/cm2，相较于基材，熔覆层腐蚀电流更小，腐蚀电压更高，说明熔覆层的耐腐蚀性好于基材.

3"结论

（1） 加入过渡层后获得的熔覆层表面平整光亮，熔覆层内部未发现气孔和裂纹，各层之间结合牢固.

（2） 熔覆层内Cr、Ni元素在宽度为10 μm的界面过渡区发生突变，过渡层全部是由奥氏体相组成，表面熔覆层主要是由马氏体、铁素体和少量残余奥氏体相组成，加入过渡层后降低了熔覆层的内应力，减小了裂纹倾向.

（3） 熔覆层内硬度从表面向内部呈现出明显的梯度减小，表面熔覆层的平均硬度为538HV，相较于基材提高了3倍，过渡层的存在有利于降低熔覆层内的裂纹倾向.

（4） 熔覆层表面的腐蚀电位为-0.166 44 V，腐蚀电流为0.956 9×10-6A/cm2，熔敷层的耐腐蚀性好于基材.

参考文献（References）

［1］"付祖冈， 张自强， 孟贺超. 激光熔覆技术在高腐蚀环境下液压支架的试验研究［J］. 煤炭科学技术， 2018， 46（5）： 155-159，228.

［2］nbsp;彭振， 杜文栋. 激光熔覆FeCoCrCuNiMoVSiB高熵合金涂层的制备和性能研究［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2017， 31（1）： 35-39.

［3］"叶四友， 刘建永， 杨伟. 激光熔覆316L不锈钢涂层组织和性能的研究［J］. 表面技术， 2018， 47（3）： 48-53.

［4］"HEMMATI I ， OCELK V ， DE HOSSON J T M . Microstructural characterization of AISI 431 martensitic stainless steel laser-deposited coatings［J］. Springe， 2011， 46（10）： 3405-3414.

［5］"郑启池， 金亚娟， 李瑞峰， 等. 功率输入对激光熔覆镍基涂层组织和裂纹生成的影响［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版）， 2017， 31（3）： 293-297.

［6］"HEMMATI I ，OCELK V ， DE HOSSON J T M . The effect of cladding speed on phase constitution and properties of AISI 431 stainless steel laser deposited coatings［J］. Surface amp; Coatings Technology， 2011， 205（21）： 5235-5239.

［7］"SRNO， ANDREASW. Functionally graded multilayers by laser cladding for increased wear and corrosion protectionw［J］. Physics Procedia， 2010， 5（1）： 359-367.

［8］"范鹏飞， 孙文磊， 张冠， 等. 激光熔覆铁基合金梯度涂层的组织性能及应用［J］. 材料导报， 2019， 33（22）： 3806-3810.

［9］"杨丹， 宁玉恒， 朱国斌. 工艺参数对304不锈钢表面激光熔覆Ni基合金涂层的组织、耐磨性及耐腐蚀性的影响［J］. 材料导报， 2017， 31（24）： 133-140.

［10］"LIU Hongxi ， WANG Chuanqi ， ZHANG Xiaowei . Improving the corrosion resistance and mechanical property of 45 steel surface by laser cladding with Ni60CuMoW alloy powder［J］. Surface amp; Coatings Technology， 2013， 228（1）： S296-S300.

（责任编辑：顾琳）