周 標(biāo)，秦仁耀，唐 斌，高 超，郭紹慶，李 能，張 強(qiáng)，黃 帥

(1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

1Cr15Ni4Mo3N鋼是半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，經(jīng)淬火、冷處理和回火處理后，使其具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和耐腐蝕性能，同時(shí)可在室溫至300 ℃處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，目前主要用于制造航空承力構(gòu)件，如起緊固作用的端軸頸、螺栓以及起落架接頭等[1-3]。然而這些1Cr15Ni4Mo3N鋼零件在長(zhǎng)期服役后，表面易出現(xiàn)磨損、劃傷等局部區(qū)域的小尺寸損傷，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)功能被破壞，使得這些局部損傷的零件面臨報(bào)廢。為了避免材料浪費(fèi)、縮短航空裝備的維護(hù)周期和降低成本，對(duì)失效零件的延壽修復(fù)和再制造正逐漸取代傳統(tǒng)換新。

激光直接沉積(Laser Direct Metal Deposition，LDMD)是一種新興的綠色制造和修復(fù)技術(shù)[4-7]，相比于其他熔焊修復(fù)方法，如鎢極氬弧焊[8-9]、激光焊[10-11]和電子束焊[12]等，該技術(shù)具有修復(fù)熱輸入量小、尺寸增量小、能夠?qū)崿F(xiàn)修復(fù)層與基體的冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，非常適合零件的小尺寸損傷修復(fù)，因此被用于1Cr15Ni4Mo3N鋼零件表面局部損傷修復(fù)。

對(duì)激光直接沉積修復(fù)的1Cr15Ni4Mo3N鋼零件進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)明顯的磁痕顯示，磁痕形貌主要呈規(guī)則且封閉的矩形輪廓。這類磁痕顯示對(duì)磁粉檢測(cè)的激光直接沉積修復(fù)零件質(zhì)量評(píng)判造成嚴(yán)重影響。本研究通過(guò)對(duì)激光直接沉積修復(fù)的1Cr15Ni4Mo3N鋼進(jìn)行磁粉檢測(cè)試驗(yàn)，確定磁痕與激光直接沉積修復(fù)的關(guān)系，并通過(guò)對(duì)磁痕及其周圍區(qū)域的微觀組織分析，明確磁痕的形成原因，為1Cr15Ni4Mo3N鋼零件激光直接沉積修復(fù)過(guò)程中的質(zhì)量評(píng)判和控制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用的基材為100 mm×60 mm×8 mm的1Cr15Ni4Mo3N鋼試板，熱處理制度為：1 070 ℃×1 h(油淬)+-70 ℃×2 h(冷處理)+370 ℃×1 h(空冷)。用于激光直接沉積修復(fù)用的填充材料是與母材同成分的氣霧化球形粉末(具體成分見(jiàn)表1)，粒徑為50～106 μm，形貌見(jiàn)圖1。參照1Cr15Ni4Mo3N鋼零件表面磨損、劃傷等損傷去除后的待修復(fù)區(qū)形貌，在試板上設(shè)置2個(gè)尺寸均為30 mm×12 mm×0.5 mm的待修復(fù)區(qū)，其形貌見(jiàn)圖2a。采用同軸送粉的6 000 W光纖激光加工綜合系統(tǒng)在試板上進(jìn)行沉積修復(fù)，填滿待修復(fù)區(qū)域，并留有1.0 mm的加工余量(圖2b)。參照1Cr15Ni4Mo3N鋼零件修復(fù)區(qū)機(jī)械加工方法，對(duì)試板上的其中1塊修復(fù)區(qū)進(jìn)行同樣的恢復(fù)尺寸加工。同時(shí)，為確定磁粉檢測(cè)磁痕的位置及其形成原因，對(duì)另1塊修復(fù)區(qū)只進(jìn)行局部區(qū)域的恢復(fù)尺寸加工，具體機(jī)械加工方式如圖3a所示。在磁粉檢測(cè)前，采用丙酮將修復(fù)區(qū)及其周圍表面擦洗干凈，然后采用接觸通電、濕磁粉連續(xù)法對(duì)機(jī)械加工后的試板進(jìn)行磁粉檢測(cè)，磁化電流約為25 A。為確定激光直接沉積修復(fù)1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測(cè)磁痕的“缺陷形式”，按照?qǐng)D3b所示位置采用線切割(即電火花切割)截取金相試樣，并依次進(jìn)行細(xì)磨和拋光，腐蝕劑為4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精，腐蝕時(shí)間為15～30 s。采用BX51M型光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)其微觀組織進(jìn)行觀察和分析。

表1 1Cr15Ni4Mo3N鋼試板及其粉末的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical compositions of 1Cr15Ni4Mo3N steel plate and its powder (mass fraction /%)

圖1 1Cr15Ni4Mo3N鋼粉末顆粒形貌Fig.1 Morphology of 1Cr15Ni4Mo3N steel powder particles

2 結(jié)果與分析

2.1 磁粉檢測(cè)與分析

圖4是激光直接沉積修復(fù)1Cr15Ni4Mo3N鋼試板的磁粉檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在2個(gè)明顯的矩形框有磁痕顯示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，磁痕顯示的位置和形貌與激光直接沉積修復(fù)區(qū)的外輪廓是完全重合，但1Cr15Ni4Mo3N鋼基體其他區(qū)域以及修復(fù)區(qū)內(nèi)部無(wú)磁痕。顯然，激光直接沉積修復(fù)工藝是導(dǎo)致磁痕顯示的根源。根據(jù)磁粉檢測(cè)原理可知，磁痕主要是因?yàn)椴贿B續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附施加在工件表面的磁粉而形成，能夠顯示不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴(yán)重程度[13-14]。對(duì)于激光焊、氬弧焊等熔化焊的焊縫或修復(fù)區(qū)磁粉探傷，其磁痕顯示分為缺陷磁痕顯示、偽磁痕顯示和假磁痕顯示。假磁痕是由于工件表面的結(jié)構(gòu)形狀或其他油污引起，但磁痕處未產(chǎn)生漏磁場(chǎng)；而缺陷磁痕和偽磁痕則是由漏磁場(chǎng)的產(chǎn)生而形成。在焊縫或熔化修復(fù)區(qū)的缺陷磁痕顯示主要有裂紋、咬邊、未熔合等缺陷，偽磁痕顯示主要是2種材質(zhì)交界處、劃傷、刀痕等[14]。本研究中1Cr15Ni4Mo3N鋼試板上的激光修復(fù)區(qū)在磁粉檢測(cè)前，已加工平整且擦洗干凈，因此，可排除圖4顯示的磁痕是假磁痕的可能性。顯然，該磁痕是由漏磁場(chǎng)的存在而形成。

2.2 微觀組織與磁痕形成原因分析

為確定激光直接沉積修復(fù)1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測(cè)磁痕的形成原因，對(duì)磁痕顯示部位的多個(gè)位置進(jìn)行微觀形貌與組織觀察。圖5所示的是按照?qǐng)D3b截取的1～7號(hào)金相試樣的顯微照片，發(fā)現(xiàn)激光直接沉積修復(fù)區(qū)與1Cr15Ni4Mo3N鋼基體具有很好的冶金結(jié)合，而且修復(fù)區(qū)與基體的界面處(即磁痕位置)呈現(xiàn)出完好的平滑過(guò)渡，既無(wú)裂紋、未熔合、咬邊以及夾渣等修復(fù)缺陷，也沒(méi)有劃傷、刀痕等加工損傷。因此，1Cr15Ni4Mo3N鋼激光直接沉積修復(fù)區(qū)四周邊界出現(xiàn)的磁痕也不是缺陷磁痕顯示。

通過(guò)對(duì)比磁痕顯示處兩側(cè)的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)磁痕一側(cè)的基體組織與另一側(cè)的修復(fù)區(qū)組織存在顯著的不同。由此表明：激光直接沉積修復(fù)1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測(cè)出的規(guī)則矩形磁痕(圖4)極可能是修復(fù)區(qū)與基體的同材質(zhì)異組織引起的漏磁場(chǎng)現(xiàn)象，總在兩種組織的交接處產(chǎn)生磁痕顯示，是一種不影響工件強(qiáng)度和使用性能的偽磁痕顯示。

圖6所示的是1Cr15Ni4Mo3N鋼母材及其激光直接沉積修復(fù)接頭的顯微組織，其中接頭是由修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)組成。雖然三者是同成分的沉淀硬化不銹鋼材料，但其組織形貌存在明顯的差異。熱影響區(qū)中雖然殘余奧氏體(灰白色相)長(zhǎng)大和增多，但仍與母材組織相似，都是由回火馬氏

體(黑色相)和少量殘余奧氏體組成的雙相組織；而修復(fù)區(qū)的組織呈柱狀樹枝晶結(jié)構(gòu)，主要是由奧氏體和少量馬氏體組成。根據(jù)文獻(xiàn)可知，面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體磁導(dǎo)率極小，而具有體心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體相是鐵磁性相，磁導(dǎo)率較高[15-16]。因此，激光直接沉積修復(fù)1Cr15Ni4Mo3N鋼磁粉檢測(cè)的矩形輪廓磁痕顯示，是因?yàn)樾迯?fù)區(qū)與基體中奧氏體含量存在明顯差異，導(dǎo)致兩者界面處的磁力線發(fā)生局部畸變，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，使得界面處吸附磁粉而形成。

圖6 1Cr15Ni4Mo3N鋼母材及其激光直接沉積修復(fù)接頭的顯微組織Fig.6 Microstructures of the 1Cr15Ni4Mo3N steel and repaired joint using LDMD

3 結(jié)論

1)在磁粉檢測(cè)激光直接沉積修復(fù)的1Cr15Ni4Mo3N鋼工件時(shí)，當(dāng)磁痕顯示與修復(fù)區(qū)外輪廓完全重合時(shí)，該磁痕顯示是不影響修復(fù)強(qiáng)度和使用性能的偽磁痕顯示。

2)修復(fù)區(qū)與基體中奧氏體含量的差異，是在磁粉檢測(cè)激光直接沉積修復(fù)的1Cr15Ni4Mo3N鋼工件時(shí)出現(xiàn)與修復(fù)區(qū)外輪廓同形狀磁痕顯示的根本原因。