楊來俠， 李佳樂， 徐 超， 楊文選

(西安科技大學 機械工程學院， 陜西 西安 710054)

增材制造(Additive manufacturing，AM)是一種新興的先進制造技術，是使用激光、電子束等高能量源將原材料加熱熔化后快速凝固，逐層堆疊以制造零件的方法[1]。20世紀80年代后期發(fā)展至今，從醫(yī)療保健到汽車模具再到航空航天，增材制造在越來越多的行業(yè)中得到實際應用[2-4]。激光熔覆是近年來興起的再制造技術，通過激光熔覆技術在基體表面制備的再制造熔覆層組織細小、致密，與界面冶金結合能力強，抗沖擊性能優(yōu)異，可以大幅度提高零部件的使用性能，延長核心零部件的使用壽命，已成為再制造技術中最先進、前景最廣的技術之一[5-10]。激光熔覆技術是采用激光作為熱源，將功能性金屬材料加熱熔化后沉積在同時經激光輻照熔化的金屬表面，形成一種功能保護層的先進制造技術[11]。由于功能性金屬材料與金屬基體表面是經熔化后結合在一起，二者之間形成了冶金結合，所以激光熔覆形成的熔覆層可以無限次的累積疊加，決定了激光熔覆技術可以制備大厚度的功能層，在磨損、腐蝕失效的機械部件上具有重要的應用價值[12]。與粉末作為原料的增材制造技術相比，激光熔絲工藝沉積速率快、材料利用率高、生產自由度大、表面質量高、生產成本低、環(huán)境污染少，適用于生產復雜的大型結構零部件，而且所使用的絲材更易于生產與保存[13]。然而，絲材增材技術目前還處于起步階段，工藝上存在很大的局限性，例如，金屬絲與熔池的溫度升降劇烈，導致沉積層間殘余應力較大，力學性能差，很難得到穩(wěn)定、理想的微觀結構。

630不銹鋼(ASTM，也稱17-4PH不銹鋼)為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，相當于國標05Cr17Ni4Cu4Nb鋼。該類型的不銹鋼含碳量較低，Ni、Cr含量高，焊接性好且具有較好的耐腐蝕性。同時該鋼中Cu和Nb等合金元素含量也較高，這些合金元素在熱處理過程中可析出時效硬化相ε-Cu、NbC、M23C6等，使材料具有較高的強度和硬度。基于以上優(yōu)點，630馬氏體沉淀硬化不銹鋼廣泛應用于航空、航天、化學和核工業(yè)等領域[14]。礦用液壓支架的核心部件為液壓缸，液壓缸的主要工作部分為缸筒內壁和液壓桿外壁，因使用工況環(huán)境惡劣，礦用液壓缸的使用壽命會大幅降低。其主要失效形式為缸筒內壁和液壓桿外壁的表面磨損與表面裂隙，長時間作業(yè)下極易造成報廢，整體更換成本高，且造成資源浪費。針對這一問題，激光熔覆技術可以提供很好的解決方案，對缸筒內壁和液壓桿外壁磨損輕度失效的零件表面進行激光熔覆處理，后經機加工處理，可延長該零件的使用壽命，降低成本。對此，Heralic等[15]將反饋控制系統(tǒng)應用于激光熔絲沉積過程，實現(xiàn)熔池的寬度和高度保持不變，確保了沉積過程最大的穩(wěn)定性；王強等[16]通過改變激光功率，研究了17-4PH不銹鋼絲材激光熔覆工藝成形組織及硬度，研究表明，隨著激光功率的增加，熔覆層的顯微硬度明顯增大，最高可達479.4 HV；李福泉等[17]采用激光熔覆技術在Ti-6Al-4V合金基材表面采用激光熔覆Ti-6Al-4V合金絲材，同軸送入WC顆粒作為強化相制備復合材料層，研究表明，復合材料層中主要包括α-Ti、WC、W2C、TiC、W、(W, Ti) C1-x相。Shim等[18]通過定向能量沉積修復受損SUS 630零件，研究了零件的力學性能變化，研究表明，由于修復區(qū)域與基體的界面處產生裂紋，拉伸強度比鍛造材料有所下降，退火處理后，可獲得優(yōu)異的拉伸性能。韓基泰等[19]探究了不同激光功率下42CrMo鋼激光熔覆層的耐磨性，研究表明，激光熔覆層可以提升42CrMo鋼的耐磨性能；當激光功率為1600 W時，熔覆層耐磨性優(yōu)異，熔覆層組織中的晶粒細化均勻，主要表現(xiàn)為細小的等軸晶，組織較為致密，從而提高了熔覆層的耐磨性能。

因此，本文利用直接激光沉積技術(Direct laser deposition，DLD)，在45鋼回轉體基材上采用ER630絲材進行熔覆成形試驗，并對其熔覆層進行力學性能檢測，結合顯微組織觀察等手段，研究了掃描速度對成形性的影響，以期獲得性能與成形效率的最優(yōu)配比，實現(xiàn)礦用液壓缸的再修復，從而提高實用性和經濟性，避免資源過度浪費。

1 試驗材料與方法

選用ER630焊絲作為原材料，45鋼管為基材，其中ER630焊絲為直徑φ1.2 mm實心630不銹鋼焊絲，焊絲成分如表1所示，45鋼管尺寸為外徑φ60 mm、內徑φ40 mm、長度1 m。試驗前對45鋼管基體進行精車，并用丙酮清洗劑清洗表面雜質及油污，對ER630焊絲進行100 ℃×2 h烘干處理。

表1 630不銹鋼絲材的化學成分(質量分數，%)

采用ProLC-3000MT激光熔覆設備進行樣件制備，該設備搭載最大輸出功率3000 W光纖激光器RFL-A3000D/B/20/A/W/600，輸出功率5700 W激光水冷機TFLW-3000WDR-03Z1-3385，功率20 kW直流電源X-Y-Z-R四軸伺服數控系統(tǒng)。激光光斑直徑φ3 mm，保護氣體采用N2(純度>99.9%)。

試驗過程中，激光光斑照射基材(與基材法線約成80°，為防止激光反射損毀激光頭)形成熔池，送絲設備當即送絲入池，使絲材與基材形成冶金結合，基材又以給定的速度旋轉，激光頭和送絲設備同時以一定速度(例如掃描間距為1.2 mm，基材旋轉一周，激光頭和送絲設備移動1.2 mm)沿基材軸向移動，實現(xiàn)連續(xù)熔覆，事先設定熔覆長度90 mm，如此往復，在基材上形成多層熔覆修復層，厚15 mm左右。具體樣件制備過程詳細工藝流程見圖1。

圖1 激光沉積ER630絲材工藝流程示意圖

根據前期工藝試驗結果，為更好地獲取質量優(yōu)異的樣件，采用反向送絲的方法(見圖2)，送絲角度為45°，激光功率設定為3000 W，熱絲的電壓、電流設定為5 V和150 A，掃描間距設定為1.2 mm，掃描速度(線速度)設定為30 mm/s，送絲密度(單位掃描速度下的送絲速度為送絲密度，即送絲速度與掃描速度的比值)設定為1.25，即送絲速度為37.5 mm/s。

圖2 反向送絲示意圖

為探究高速熔覆，在其他參數不變的情況下，將掃描速度逐漸提高，具體參數如表2所示。

表2 激光沉積工藝參數

采用電火花切割技術對成形件進行取樣，分別制備直徑φ12 mm與φ10 mm的圓柱形棒料。再將φ12 mm試樣按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》車制為標準拉伸試樣，每組3個試樣，具體尺寸如圖1所示，將φ10 mm試樣切片，厚度取6 mm。采用XQ-1型金相試樣鑲嵌機鑲樣，采用YMPZ-2型金相試樣自動磨拋機，使用120～2000號砂紙打磨，用粒度w0.5的金剛石噴霧金相拋光液進行拋光，并用金相腐蝕試劑(濃HNO3∶濃HCl∶水(體積比)=6∶1∶3)腐蝕15 s[18]。采用Leica DM 2700M RL型光學顯微鏡觀察分析缺陷與微觀組織。

采用HV-1000Z+CCD顯微硬度計測試試樣的顯微硬度，試驗載荷砝碼為1 kg，保荷時間為15 s，測試5個點取平均值。采用5982B18367型金屬拉伸試驗機進行室溫(23 ℃)拉伸測試，應變速率為10-2s-1，之后采用JSM-IT500LA型掃描電鏡(SEM)對拉伸件斷口形貌進行分析。

按GB/T 3850—2015《致密燒結金屬材料與硬質合金 密度測定方法》采用排水法測試試樣的密度。采用FA1004型電子分析天平，對標準壓縮試樣φ10 mm× 25 mm逐一稱重3次，取平均值，經計算得到試樣的密度。

2 試驗結果與分析

2.1 缺陷分析

2.1.1 雜質夾渣分析

圖3為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層雜質夾渣形貌。可以觀察到不同掃描速度下，試樣組織中均含有黑色的雜質夾渣。在30 mm/s掃描速度下，夾渣較少，如圖3(a)所示。隨著掃描速度的不斷提高，試樣中夾渣數量逐漸增多，且尺寸也逐漸增大，如圖3(b～f)所示。黑色夾渣的形成與成形環(huán)境中所含O2和其他一些雜質有關，環(huán)境中的O2吸附在ER630絲材表面或者在保護氣體的帶動下進入成形的熔池中，形成一些氧化物；環(huán)境中的一些其他雜質也會順勢進入熔池，從而形成其他的雜質。盡管在成形過程中，保護氣體氛圍能夠保護高溫金屬熔池不被氧化，但是由于成形設備的復雜性與成形環(huán)境的不確定性，難免會攜帶成形環(huán)境中的O2。并且隨著掃描速度的逐漸提高，單位時間內成形體積增加，保護氣體對熔池保護效果會逐漸降低，O2含量增加，試樣殘留的夾渣就增多。

圖3 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層雜質夾渣形貌

2.1.2 致密度分析

表3為不同掃描速度下激光沉積制備ER630絲材修復層樣件及ER630絲材的密度?？梢钥闯?，激光沉積ER630修復層樣件的密度均低于ER630絲材密度。這是因為在熔覆過程中產生一定量的雜質夾渣和一些氣孔，導致其密度降低。ER630絲材原始密度約為7.78 g/cm3，隨著掃描速度的提高，激光沉積ER630修復層樣件的密度穩(wěn)定在7.73 g/cm3左右。因此，掃描速度對ER630修復層致密度的影響可忽略不計。

表3 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣密度(g/cm3)

2.2 物相分析

圖4為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層的顯微組織。由圖4可以觀察到，在30 mm/s掃描速度下，組織主要為板條柱狀晶和少量圓胞狀晶，隨著掃描速度的提高，板條柱狀晶減少，圓胞狀晶逐漸增多。鐵碳合金熔融冷卻過程中，γ-Fe向α-Fe轉變，C在α-Fe中嚴重過飽和，會形成馬氏體組織，未轉變的γ-Fe為殘留奧氏體。由于對基材進行了多層熔覆，因此試驗過程中會對基材或上一層熔覆層進行反復的循環(huán)加熱，在空氣中冷卻一定時間，這樣的循環(huán)加熱相當于對基材或上一層熔覆層進行多次的退火處理，也將會對修復層組織造成影響。經對比分析，ER630絲材修復層中的板條柱狀晶為板條狀馬氏體，圓胞狀晶為奧氏體。這是因為在激光加熱過程中，高溫使基板或上一層熔覆層熔化，激光掃描后又在空氣中快速冷卻，冷卻溫度和速率會影響組織生成，掃描速度越快，熔池溫度越低，冷卻速率越慢，結晶為圓胞狀奧氏體組織，掃描速度越慢，熔池溫度相對高，冷卻速率相對快，結晶為板條柱狀馬氏體組織。

圖4 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層的顯微組織

2.3 性能分析

2.3.1 力學性能分析

圖5為在30 mm/s掃描速度下，激光沉積ER630絲材修復層試樣的室溫拉伸曲線。由圖5可以明顯看出，拉伸曲線存在彈性階段、強化階段和局部變形階段，但未出現(xiàn)明顯的屈服階段，因此將拉伸曲線圖0.2% 應變所對應強度作為屈服強度指標。630不銹鋼是由銅、鈮構成的沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，含碳量低，耐腐蝕性和可焊性均比一般的馬氏體型不銹鋼高，具有高強度、高硬度和耐腐蝕等特性，經過熱處理后，試樣的力學性能更好。630不銹鋼在550 ℃時效處理后可獲得優(yōu)異的力學性能，即較好的強度與塑性，抗拉強度為1060 MPa，屈服強度為1000 MPa，伸長率為12%，斷面收縮率為45%，硬度為350 HV[14]。因此，將激光沉積ER630絲材修復層與550 ℃時效處理630不銹鋼在力學性能方面作比較，來分析ER630絲材修復層的力學性能，如表4所示。

圖5 30 mm/s掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣的拉伸應力-應變曲線

表4 ER630絲材修復層試樣與550 ℃時效630不銹鋼的力學性能對比

由表4可以看出，相較550 ℃時效處理的630不銹鋼，掃描速度30 mm/s時激光沉積ER630絲材修復層試樣的抗拉強度提高6.22%，屈服強度降低3.89%，說明激光沉積ER630絲材與550 ℃時效630不銹鋼強度相差不大。表面硬度提高20.29%，伸長率降低20%，說明激光沉積ER630絲材比550 ℃時效630不銹鋼塑性有所降低。這是因為在該工藝過程中，激光可使熔池中心快速升溫至1800 ℃以上，對基材或者上一層熔覆層的掃描，相當于循環(huán)不斷地對已成形層進行循環(huán)加熱，又因熔覆層在空氣中冷卻，相當于對熔覆層進行反復退火，使熔覆層的組織得到細化和均勻化，因此材料具有良好的強度；冷卻過程中，由γ-Fe向α-Fe 轉變，C在α-Fe中過飽和，形成一定量的馬氏體，所以硬度提高但塑性有所降低。

表5為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣的力學性能測試結果。由表5可知，相比掃描速度30 mm/s，試樣在掃描速度40 mm/s下的抗拉強度提高了3.27%，而在掃描速度50、60、70和80 mm/s 下，分別降低了1.95%、1.44%、1.73%和3.15%。相比掃描速度30 mm/s，掃描速度40～80 mm/s下屈服強度均有所降低，且呈持續(xù)下降趨勢，分別降低了2.04%、4.26%、4.32%、4.40%和9.43%?？梢缘贸?，隨著掃描速度的提高，屈服強度降低，其原因是隨著掃描速度的提高，形成奧氏體組織較多，奧氏體具有良好塑性但強度較差，因此屈服強度降低。

表5 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣的強度和硬度

由表5可見，當掃描速度為30、40 mm/s時，試樣硬度相當，分別為420.85、428.88 HV。當掃描速度提升至50 mm/s以上時，試樣硬度明顯下降，基本在400 HV左右。可以得出，隨著掃描速度的提高，熔覆層的硬度會有所降低。分析其原因，掃描速度提高，熔覆過程中形成奧氏體組織增多，馬氏體組織減少，奧氏體具有良好的塑性，但強度、硬度較差。

2.3.2 沉積效率

根據工藝方法，可定義沉積效率(η)算法，如式(1)所示：

(1)

式(1)中：η為沉積效率，cm3/s；V沉積體積，cm3；t為沉積時間，s。

根據公式(1)可得，在掃描速度30 mm/s下，沉積效率為33.93 cm3/s。在掃描速度40～80 mm/s下，沉積效率分別為42.24、56.55、67.86、79.17和90.48 cm3/s，較掃描速度30 mm/s下，分別提高了1.3、1.6、2.0、2.3和 2.6倍。

以掃描速度30 mm/s時強度作為基準，圖6為掃描速度40～80 mm/s下，激光沉積ER630絲材修復層試樣抗拉強度和屈服強度的變化。在實際工程應用中，對零件的修復再制造制定如表6所示的評價指標。根據表6及圖6，當沉積效率提高1.3倍時，可得到好的修復強度；當沉積效率提高至2倍時，可得到較好的修復強度；當沉積效率提高至2.6倍時，此時的修復強度較差。

圖6 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣的強度變化

表6 零件修復強度評價指標

2.3.3 拉伸斷口形貌分析

圖7為不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣拉伸斷口形貌。可以看出，在不同掃描速度下，試樣拉伸斷口具有類似的形貌特征。在低倍率下觀察，斷口呈纖維狀，且有一定數量的雜質夾渣，試樣均略微出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，這與上述拉伸應力-應變曲線相吻合，且出現(xiàn)少量撕裂棱，起裂區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)易分辨；高倍率下觀察，斷口呈密集蜂窩狀，且有部分區(qū)域出現(xiàn)解理面，說明發(fā)生的是韌窩斷裂或準解理斷裂，這與試樣拉伸性能參數相吻合。觀察斷口形貌較不平整，說明試樣質地均勻性一般，但均未出現(xiàn)明顯的熔覆層與熔覆層之間的斷裂痕跡，說明DLD工藝可實現(xiàn)優(yōu)異的冶金結合。

圖7 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣的拉伸斷口形貌

3 結論

1) 隨著掃描速度的不斷提高，激光沉積ER630絲材修復層試樣中所含夾渣逐漸增多，并且尺寸也逐漸大，當掃描速度達到80 mm/s時，夾渣數量明顯提升，且尺寸仍有所增大。隨著掃描速度的提高，成形件力學性能有所降低。各試樣密度相當，穩(wěn)定在7.73 g/cm3左右，不同掃描速度對ER630修復層致密度的影響可忽略不計。

2) 在30 mm/s掃描速度下，組織主要為板條柱狀馬氏體和少量圓胞狀奧氏體；隨著掃描速度的提高，板條柱狀馬氏體減少，圓胞狀奧氏體逐漸增多。

3) 不同掃描速度下激光沉積ER630絲材修復層試樣拉伸斷口宏觀均呈纖維狀，微觀表現(xiàn)為蜂窩狀，部分區(qū)域出現(xiàn)解理面，說明發(fā)生的是韌窩斷裂或準解理斷裂，斷口形貌未出現(xiàn)明顯的熔覆層之間的斷裂痕跡，說明DLD工藝可實現(xiàn)優(yōu)異的冶金結合。

4) 提高掃描速度，沉積效率會提高。沉積效率提高1.3倍時，得到好的修復強度；沉積效率提高至2倍時，得到較好的修復強度；沉積效率提高至2.6倍時，得到的修復強度較差。