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1Cr15Ni4Mo3N超高強不銹鋼表面激光熔覆層的組織與性能研究
發布者:不銹鋼管廠(www.870701.tw) 發布時間:2020/4/14 閱讀:315

  浙江宏盛特鋼有限公司采用激光熔覆技術在超高強不銹鋼1Cr15Ni4Mo3N表面制備了熔覆層,借助光學顯微鏡、拉伸試驗機、沖擊試驗機、顯微硬度計和掃描電鏡等對熔覆層的顯微組織和力學性能進行了評價。結果表明:所制備的熔覆層無明顯治金缺陷,熔覆層與基體呈良好的治金結合,主要由表層粗晶區、亞表層細晶區、馬氏體和奧氏體雙相過渡區及熱影響區組成。熔覆層的顯微硬度變化趨勢與截面的組織分布相一致。熔覆層的抗拉強度達到基體的98%,屈服強度較基體提高約2%,伸長率及沖擊韌性分別較基體降低約41%和10%,斷裂方式均為韌性斷裂。熔覆層可用于1Cr15Ni4Mo3N鋼構件的損傷修復與再制造。


   隨著航空裝備向著輕量化、長壽命和高性能方向發展,新型材料鈦合金和復合材料在航空制造領域的應用越來越廣泛,而高性能結構鋼因優異的綜合力學性能,在飛機關鍵零部件的制造領域仍占有較大的比例]。沉淀硬化不銹鋼1Cr15Ni4Mo3N作為一種超高強度不銹鋼,因其優異的強韌性、耐磨耐腐蝕、抗疲勞性能及易加工焊接等性能在飛機承載結構件制造中具有廣泛的應用國。然而,隨著科技的發展,國內外航空裝備的設計運行條件日益苛刻,其零部件極易在復雜的機械負載、高頻振動及環境的耦合作用下發生快速損傷或失效,極大降低了航空設備運行的效率及可靠性4]。同時,我國部分高性能航空裝備來自國外進口,相應的零部件多為單件供應,因此,開展超高強度不銹鋼結構件的修復與再制造對提升我軍航空裝備服役效率并保障戰斗力具有極為重要的軍事、經濟和社會意義問。


   激光熔覆技術作為近年來發展的一種先進表面工程技術,是損傷或報廢零部件的結構尺寸及性能恢復或再制造的關鍵支撐技術之一,受到了國內外研究者的廣泛關注]。然而,由于激光熔覆層的形成是一種快速凝固過程,極易導致其硬脆性的增加和塑韌性的顯著降低,因而在超高強鋼的修復與再制造領域的應用仍鮮見報道。浙江宏盛特鋼有限公司以航空裝備用沉淀硬化不銹鋼1Cr15Ni4Mo3N為基體,在其表面設計制備超高強度熔覆層,并結合其組織結構及力學性能的系統表征,探討利用激光熔覆技術對其修復與再制造的可能性,為其工程推廣與應用提供理論和技術參考。


一、試驗材料與方法

  選用的基體材料為1Cr15Ni4Mo3N沉淀硬化不銹鋼,尺寸為中12cmx1cm。其熱處理工藝為:1070℃真空加熱1小時后油淬,然后經-70℃深冷處理1小時,最后在350℃回火2小時并隨爐冷至室溫。經多重金相打磨后,采用無水乙醇進行超聲波清洗,自然烘干后用于激光熔覆層的制備。選用的熔覆粉末為合金鋼粉末,其形貌如圖所示,主要組分(質量分數,%)為:0.09~0.14C,13.2~15.2Cr,4.1~5.3Ni,2.2~2.7Mo,0.47~0.98Mn,0.10~0.93Si,0.03~0.08N,0.02~0.15B,0.006~0.048RE,0.010~0.016S,0.014~0.022P,余量為鐵。

   熔覆層的制備在LFR-M-IⅡ型激光熔覆系統上進行,采用同軸送粉方式,主要的工藝參數為:激光束斑直徑2mm,激光功率1.2kW,激光束掃描速度0.01m/s,送粉器讀數為Low,載氣流量為400L/h,搭接率為40%。

   采用IE200M型光學顯微鏡對熔覆層的顯微組織進行觀察分析,所用的金相腐蝕劑為FeCl(g):HC1(mL):H2O(mL)=8:25:100的混合液。采用MH5L型顯微硬度計對熔覆層的截面進行顯微硬度測試,測試點之間的間距為50um,共測試60個點,加載質量為300g,保壓時間為10s。利用UTM-5000型拉伸試驗機測試熔覆層的拉伸力學性能,緩慢加載,拉伸速率為2mm/s。借助JBW-300B型屏顯沖擊試驗機對熔覆層的沖擊性能進行測試。拉伸試樣和沖擊試樣的結構示意圖如圖2所示。測試后試樣經超聲波清洗,采用JSM6360LV型掃描電鏡對其斷口進行分析。


二、試驗結果及分析

 1. 熔覆層顯微組織

   圖為激光熔覆層截面不同區域的顯微組織,圖為表層粗晶組織,其形成的主要原因是亞表層的熱量積累導致表層熔覆過程中過冷度下降,冷卻凝固過程中形核率下降,且晶粒易發生長大。圖為亞表層細晶區和雙相過渡區的組織。細晶區的形成是由于多道搭接熔覆過程中先期形成的熔覆層受到后續多次的熱輸入而發生重熔結晶所致,而經激光掃描加熱后形成的過渡區為粗化的馬氏體和殘余奧氏體構成的雙相組織,具有優異的塑韌性,能緩沖界面殘余應力積累并促進其二次分布,降低界面脆性,提高界面結合強度,降低了微裂紋等冶金缺陷的形成趨勢。圖為熱影響區的顯微組織?煽闯,因熱輸入的作用,導致熱影響區組織發生粗化,形成了粗化的針狀馬氏體。由此可見,激光熔覆層的顯微組織并非單一,而是由多個區域多種混合組織構成的。


 2. 拉伸力學性能

   圖為熔覆層與基體的拉伸測試真應力-真應變曲線。比較可見,兩種試樣都是從彈性變形階段進入均勻塑性變形階段,沒有明顯的屈服平臺和應變硬化效應。隨著應力的增大,熔覆層試樣沒有明顯的縮頸現象,而基體試樣塑性較好,有明顯的縮頸現象,斷裂前出現了應力的急劇降低。熔覆層的抗拉強度達到了基體強度的98%,約為1326MPa,屈服強度約為1242MPa,較基體提高約2%,而伸長率較基體降低約41%。由此可見,所制備的激光熔覆層的綜合強韌性能可滿足1Crl5Ni4Mo3N超高強不銹鋼的強度和塑性的需求。

  圖為試樣的拉伸斷口形貌。由圖可見,基體試樣拉伸斷口截面呈現了明顯的縮頸,斷口上存在大量的韌窩和撕裂棱,且直徑和深度較大的韌窩占有較高的比例,表明基體塑韌性良好,其斷裂的主要方式為韌性斷裂。如圖所示,熔覆層試樣的斷面宏觀尺寸較基體試樣顯著增大,斷口未發生明顯的縮頸,塑性較基體顯著降低。對斷口上界面結合區、近基體區和熔覆層的斷口形貌進行觀察可知,熔覆層區域多為淺而細小的韌窩,少部分韌窩直徑較大,但深度較小,表明熔覆層的斷裂為韌性斷裂,但塑性較基體顯著降低;界面結合區韌窩的分布呈現不均,且有少量的孔隙缺陷;近基體部分存在大小、深淺不一的韌窩和撕裂棱,呈明顯的韌性斷裂特征。試樣斷口的形貌與拉伸測試的結果一致。


 3. 沖擊力學性能分析

  表為室溫沖擊力學性能測試結果?煽闯,1Cr15Ni4Mo3N基體的室溫平均沖擊吸收功為151J,而激光熔覆層試樣的室溫平均吸收功為136J,表明熔覆層具有優異的沖擊韌性,達到基體的90%。

  圖為試樣沖擊斷口的SEM形貌。由可知,基體沖擊斷口的纖維區和剪切唇所占比例較大,表明其塑韌性較好,斷裂方式為韌性斷裂。而由圖可知,熔覆層沖擊斷口中纖維區和剪切唇所占的比例相對減少,而放射區所占的比例明顯增大,表明其塑韌性較基體明顯降低。同時,基體的沖擊斷口上具有大小不均、深淺不一的韌窩和撕裂棱,而且其中未見明顯的夾雜、氣孔、微裂紋等缺陷,表明韌性較好。而激光熔覆層斷口的韌窩較為細密,且其中可見部分氣孔、微裂紋等缺陷,這是導致其沖擊力學性能較基體弱化的主要原因。


 4. 顯微硬度分析

   圖為熔覆層截面的顯微硬度測試結果?煽闯,硬度的分布可分為6個典型區域,從表層粗晶區至亞表層細晶區前部硬度呈上升趨勢。從的后部到細晶區到雙相過渡區的硬度急劇下降(相比熔覆層),這是因為過渡區組織為粗化的馬氏體和和殘余奧氏體,硬度相對最低;熱影響區由于馬氏體組織出現了粗化而致硬度下降(相比熔覆層),但仍高于過渡區,到基體后硬度又呈現上升的趨勢。

  表為激光熔覆層截面的各區域硬度平均值?煽闯,熔覆區的平均硬度為455.5HV,基體的平均硬度為420.2HV,過渡區硬度最低,其平均值為361.7HV,熱影響區硬度平均硬度為370.5HV。顯微硬度的變化趨勢與熔覆層截面的組織分布相一致。


三、結論

  1. 激光熔覆層自表層至基體的結構主要呈4個典型的區域:表層粗晶區、亞表層細晶區、馬氏體和殘余奧氏體雙相過渡區、熱影響區。熔覆層的硬度達到455.5HV,高于基體,而雙相過渡區與熱影響區的顯微硬度則相對于基體顯著降低。

  2. 熔覆層的抗拉強度達到基體的98%,屈服強度較基體提高約2%,而伸長率及沖擊韌性分別較基體降低約41%和10%,斷裂為韌性斷裂。其綜合強度和塑韌性能滿足激光修復層的性能要求,可用于1Cr15Ni4Mo3N零部件的損傷修復與或再制造。

 

 
 

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