激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的組織及性能*

張春華， 趙超越， 譚 兵， 張 松， 陳 江

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 沈陽(yáng)大陸激光技術(shù)有限公司， 沈陽(yáng) 110136)

近年來(lái)，利用激光熔化沉積技術(shù)直接成形金屬零件逐漸成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的研究方向[1-2].該項(xiàng)技術(shù)具有加工速度快、清潔度高、自動(dòng)化程度高、凝固速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金、高溫合金等激光增材成形零件制造中[3-5].低合金鋼具有較高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌性，廣泛用于各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，如齒輪、齒套、凸輪、花鍵軸、主軸、軸套、壓縮機(jī)等結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中[6].但低合金鋼的硬度、抗拉強(qiáng)度較低，耐磨性較差，在使用中易磨損，從而導(dǎo)致零件使用壽命變短，為此加入適當(dāng)比例的合金元素，提高低合金鋼的耐磨性顯得尤為重要[7-8].核電應(yīng)急柴油機(jī)凸輪軸為12CrNi2低合金鋼，傳統(tǒng)制造工藝方法為鍛造，然后機(jī)械加工成形.El-Bitar等[9]研究發(fā)現(xiàn)，利用控?zé)徨懺旒夹g(shù)加工低碳鋼，可使其硬度達(dá)到255 HV.迄今為止，激光熔化沉積技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，C是碳鋼及合金鋼中必備的合金化元素.C能與鋼中的Fe元素形成間隙固溶體，對(duì)基體起到固溶強(qiáng)化作用，還可以與鋼中的合金元素反應(yīng)形成碳化物，改變合金鋼的顯微組織，從而提高合金鋼的綜合力學(xué)性能[10-12].V是強(qiáng)碳化物形成元素，具有體心立方晶格，熔點(diǎn)高，延展性好，質(zhì)堅(jiān)硬，無(wú)磁性，可以通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化方式使合金鋼的顯微組織更加致密，進(jìn)一步提高合金鋼的韌性、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕等性能[13-14].

本文利用激光熔化沉積技術(shù)制備CrNiV系低合金鋼構(gòu)件，研究激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的組織和耐磨性，以期為核電應(yīng)急柴油機(jī)12CrNi2低合金鋼凸輪軸的制造和應(yīng)用開(kāi)辟新途徑.本文研究了C、V元素含量對(duì)激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼組織及性能的影響.12CrNi2低合金鋼標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分為：w(C)=0.10～0.17，w(Si)=0.17～0.37，w(Mn)=0.30～0.60，w(Cr)=0.60～0.90，w(Ni)=1.50～1.90，余量為Fe.通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分，適當(dāng)增加C、V元素含量來(lái)提高CrNiV系合金鋼的硬度和耐磨性，從而設(shè)計(jì)出適用于激光增材制造凸輪軸的CrNiV系低合金鋼成分，為激光熔化沉積高性能合金鋼部件專用粉體材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

基板材料為35CrMo合金鋼，其尺寸為φ150 mm×15 mm.采用真空氣霧化方法制備低合金鋼粉末，粉末粒徑介于45～150 μm之間.表1為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼粉末的化學(xué)成分.利用YLS-6000光纖激光器進(jìn)行激光熔化沉積，保護(hù)氣為氬氣.激光熔化沉積工藝參數(shù)為：激光功率2 200 W，光斑直徑4 mm，送粉率11 g/min，掃描速度8 mm/s，掃描間距2 mm.將激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼構(gòu)件切割成尺寸為5 mm×5 mm×8 mm的樣品，取垂直于激光掃描方向的橫截面制成金相樣品.金相樣品經(jīng)研磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液約腐蝕10 s.采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)樣品顯微組織形貌、磨痕形貌及微區(qū)成分進(jìn)行分析.采用HVS-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)定激光熔化沉積低合金鋼樣品的顯微硬度，施加載荷為200 g，保載時(shí)間為10 s，每個(gè)樣品測(cè)量3次，然后計(jì)算其平均值作為最終結(jié)果.電子背散射衍射(EBSD)樣品采用機(jī)械研磨拋光法制得，機(jī)械研磨時(shí)間為2 h，之后利用超聲波清洗儀清洗1 min去除樣品表面污跡.采用MFT-4000型往復(fù)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)激光熔化沉積低合金鋼樣品進(jìn)行球盤(pán)干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn).上摩擦副為直徑5 mm的GCr15球，法向載荷為10 N，磨損行程長(zhǎng)度為7 mm，滑動(dòng)速度為120 mm/min，磨損時(shí)間為60 min.采用KLA-Tencor Corporation Micro-XAM型白光干涉儀測(cè)試樣品的磨損體積.

表1 低合金鋼粉末化學(xué)成分(w)Tab.1 Chemical composition of low alloy steel powders (w) %

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微組織形貌，表2為各區(qū)域EDS分析結(jié)果.由圖1可見(jiàn)，不同C含量沉積樣品的組織主要由枝晶和枝晶間共晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成，枝晶間存在由許多成群、近平行排列的板條組成的板條狀馬氏體，板條束往往呈現(xiàn)不規(guī)則形狀且板條束較為細(xì)小.隨著C含量的提高，沉積樣品的馬氏體板條發(fā)生細(xì)化，且馬氏體板條群中平行排列的同位向板條束尺寸逐漸減少，而不同方向排列的板條束增多.觀察圖1b、c可以發(fā)現(xiàn)，隨著C含量的增加，板條間分布的彌散相增多，當(dāng)C含量增加至0.12%時(shí)，板條馬氏體細(xì)化明顯；當(dāng)C含量增加至0.26%時(shí)，板條馬氏體細(xì)化更加明顯，還可以觀察到一些碳化物顆粒.由表2可知，不同低合金鋼樣品的晶內(nèi)、晶界和馬氏體板條中組織均勻，且無(wú)明顯偏聚現(xiàn)象.這是由于液相凝固生成奧氏體后，激光熔化沉積過(guò)冷度較大，具有面心立方的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成體心立方的馬氏體，而馬氏體屬于切變共格無(wú)擴(kuò)散型相變，相變時(shí)不存在穿越晶界的原子，因而新相馬氏體承襲了母相的化學(xué)成分、原子序態(tài)和晶體缺陷.V元素不僅可以起到沉淀強(qiáng)化作用，而且也有利于過(guò)冷奧氏體的晶體細(xì)化.

圖1 低合金鋼顯微組織形貌Fig.1 Microstructural morphologies of low alloy steels

表2 低合金鋼各區(qū)域EDS分析結(jié)果(w)

2.2 相組成

圖2為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的XRD圖譜.由圖2可見(jiàn)，3種樣品均具有體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe相(BCC相)，隨著碳含量的增加，低合金鋼中出現(xiàn)了少量Cr23C6碳化物.這是由于激光熔化沉積工藝是一種快速熔化凝固過(guò)程，液態(tài)金屬冷卻速度較快，凝固所用時(shí)間較短，因而形成了鐵基過(guò)飽和固溶體馬氏體.1號(hào)樣品的碳含量較低，因而在XRD檢測(cè)結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)碳化物衍射峰的存在.隨著C元素含量的增加，在多次激光輻照條件下，熔池中的C元素與Cr元素反應(yīng)形成碳化物Cr23C6，并以細(xì)小彌散方式均勻分布在馬氏體中.因此，在2號(hào)和3號(hào)樣品的XRD圖譜中檢測(cè)到了Cr23C6碳化物.α-Fe相可以起到固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)析出的碳化物或金屬間化合物會(huì)在基體中起到第二相強(qiáng)化效應(yīng)，進(jìn)而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而能夠有效提升合金強(qiáng)度.

圖2 低合金鋼XRD圖譜Fig.2 XRD spectra of low alloy steels

2.3 EBSD分析

圖3為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼晶粒尺寸分布圖.由圖3可知，隨著晶粒尺寸的增大，晶粒被測(cè)到的頻數(shù)值均顯著降低，低合金鋼的平均晶粒尺寸主要為2～3 μm.1、2、3號(hào)樣品的平均晶粒尺寸分別為2.73、2.54、2.4 μm.隨著碳含量由0.084%增加到0.26%，激光熔化沉積低合金鋼樣品的平均晶粒尺寸減小了12.1%.這是因?yàn)閂元素具有細(xì)化晶粒作用.另外，由于C和V元素都是擴(kuò)大過(guò)冷奧氏體區(qū)的元素，使得C曲線右移，Ms點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度)顯著降低，因而過(guò)冷奧氏體更加穩(wěn)定，進(jìn)而將Ms點(diǎn)推向更低的溫度，使得過(guò)冷奧氏體晶粒在馬氏體轉(zhuǎn)變之前尺寸更小，而馬氏體的形核部位為過(guò)冷奧氏體的晶界，且形核后垂直于晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng).因而過(guò)冷奧氏體晶粒尺寸越小，馬氏體板條也就越細(xì)小.此外，C元素可在鋼中形成間隙固溶體和碳化物，起到固溶強(qiáng)化和第二相析出強(qiáng)化作用.

2.4 顯微硬度

圖4為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的平均顯微硬度.由圖4可見(jiàn)，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度隨著碳含量的增加而增加.結(jié)合XRD圖譜可知，1號(hào)樣品只存在C及合金元素的固溶強(qiáng)化作用，2、3號(hào)樣品中存在碳化物相Cr23C6，其強(qiáng)化機(jī)制包括固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化.因此，Cr23C6第二相有利于顯著提高2、3號(hào)樣品的顯微硬度.此外，與12CrNi2低合金鋼相比，CrNiV系低合金鋼增加了V元素，其主要作用是細(xì)化晶粒，進(jìn)而晶界變多，有效防止了位錯(cuò)和晶粒滑移.激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度隨著碳含量的增加而增加，可以認(rèn)為是固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化共同作用的結(jié)果[15].

圖3 低合金鋼晶粒尺寸分布Fig.3 Grain size distribution of low alloy steels

圖4 低合金鋼顯微硬度Fig.4 Mirohardness of low alloy steels

2.5 耐磨性能

2.5.1 摩擦系數(shù)

圖5為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的摩擦系數(shù)曲線.由圖5可見(jiàn)，磨損初期由于樣品表面光滑，粗糙度小，摩擦阻力小，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較低；隨著磨損加重，樣品表面出現(xiàn)溝槽，對(duì)磨損起到了較大阻礙作用，導(dǎo)致摩擦系數(shù)升高；進(jìn)入磨損平穩(wěn)期后，樣品表面粗糙度變化不大，故摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定.隨著碳含量的增加，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的摩擦系數(shù)逐漸增大，經(jīng)計(jì)算1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)樣品的平均摩擦系數(shù)分別為0.196、0.515和0.632.這是因?yàn)樘己吭礁?，樣品硬度越高，材料越耐?此外，V元素的加入可使樣品的顯微組織更加細(xì)小致密，所以有利于耐磨性的提高.

圖5 低合金鋼摩擦系數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curves of low alloy steels

2.5.2 磨損機(jī)理

圖6為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼磨損樣品表面磨痕形貌，表3為低合金鋼磨痕區(qū)域EDS分析結(jié)果.結(jié)合圖6a和表3可知，A區(qū)域氧含量較高，達(dá)到21.91%，證明該區(qū)域發(fā)生了氧化磨損，B區(qū)域?qū)?yīng)氧化層剝落后露出的沉積態(tài)低合金鋼基材.因?yàn)榍驂K磨損屬于干摩擦磨損，這種磨損形式本身就會(huì)產(chǎn)生明顯升溫，從而導(dǎo)致磨損表面發(fā)生氧化，同時(shí)在上摩擦副的擠壓下，生成的氧化層很容易破碎并嵌入沉積態(tài)低合金鋼表面，對(duì)其表面造成切削并形成典型的犁溝形貌，加劇低合金鋼表面的磨損剝落，從而形成較深的磨痕深度.因此，1號(hào)樣品的磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.結(jié)合圖6b和表3可知，C區(qū)域含有少量氧元素，說(shuō)明該區(qū)域處于輕微氧化狀態(tài)，D區(qū)域氧含量相對(duì)較高，說(shuō)明該區(qū)域氧化較為嚴(yán)重.隨著C含量的升高，碳化物隨之析出，其對(duì)耐磨性具有一定影響，這是因?yàn)榇罅坑操|(zhì)相有利于提高磨料的耐磨性.在摩擦磨損過(guò)程中上摩擦副與2號(hào)樣品接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，使得低合金鋼表面溫度升高，促使低合金鋼表面發(fā)生氧化，形成了脆性較大的氧化層，在正應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用下氧化層破損并發(fā)生剝落，露出了氧化層內(nèi)部的沉積態(tài)低合金鋼，導(dǎo)致其受到了輕微氧化.結(jié)合圖6c和表3可知，磨損表面未見(jiàn)明顯塑性變形區(qū)和粘著坑，F(xiàn)區(qū)域有少量淺犁溝，而且存在少量的磨損剝落現(xiàn)象，故發(fā)生了磨粒磨損.E區(qū)域含氧較高，表明發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損.隨著C含量的升高，碳化物的存在對(duì)耐磨性具有一定影響.這是因?yàn)檠趸p程度往往取決于樣品表面抗塑性變形的能力，而材料的抗變形能力與其自身的硬度密切相關(guān).當(dāng)材料表面硬度增加時(shí)，塑性變形量變小，氧化磨損程度減輕.大量硬質(zhì)相有利于提高材料的耐磨性.然而，碳化物的形成并不是提高耐磨性的唯一決定性因素.C、V元素的共同作用提高了材料的顯微硬度和韌性.

圖6 低合金鋼表面磨痕形貌Fig.6 Surface morphologies of wear scars of low alloy steels

表3 低合金鋼磨痕區(qū)域EDS分析結(jié)果(w)Tab.3 Results of EDS analysis in wear scar areas of low alloy steels (w) %

2.5.3 比磨損率

采用比磨損率比較激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼樣品的耐磨性，通常比磨損率越低，材料耐磨性越優(yōu)良.在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中比磨損率是衡量材料耐磨性的重要參數(shù)，其表達(dá)式為

(1)

式中：V為樣品磨損體積；F為載荷；L為滑行距離.

圖7為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的比磨損率和顯微硬度柱狀圖.由圖7可見(jiàn)，隨著碳含量的增加，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的比磨損率降低，說(shuō)明低合金鋼的顯微硬度越高，其比磨損率越低，而耐磨損性越好.V元素的添加細(xì)化了晶粒，進(jìn)一步提高了激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的顯微硬度，使得其耐磨性得到進(jìn)一步改善.

圖7 低合金鋼比磨損率和顯微硬度Fig.7 Specific wear rate and microhardness of low alloy steels

圖8為激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼磨痕的二維輪廓形貌.可以通過(guò)白光干涉儀測(cè)量出低合金鋼的磨損體積.由圖8可見(jiàn)，1號(hào)樣品磨痕較深，磨痕寬度較寬，磨痕形貌明顯，其磨損體積為8.97×106μm3.2號(hào)樣品磨痕深度與1號(hào)樣品相近，磨痕寬度變窄，底部形貌變化趨于平緩，其磨損體積為4.06×106μm3.3號(hào)樣品磨痕深度較淺，磨痕寬度最窄，形貌變化趨勢(shì)較為平緩，其磨損體積為3.48×106μm3.3號(hào)樣品較1、2號(hào)樣品具有更多的C元素，故其磨損體積最小，耐磨性最好.綜上所述，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼隨著C含量的增加，其耐磨性逐漸增強(qiáng)，且磨損機(jī)理主要為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.

3 結(jié) 論

利用激光熔化沉積技術(shù)成功制備出激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼，并通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析得到如下結(jié)論：

圖8 低合金鋼磨痕二維輪廓Fig.8 2D profiles of wear scars on low alloy steels

1) 激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的主要組成相為馬氏體，隨著碳含量的增加，出現(xiàn)少量Cr23C6碳化物.

2) 隨著碳含量的增加，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的Ms點(diǎn)降低，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的晶粒減小，使得晶粒內(nèi)的馬氏體板條尺寸明顯細(xì)化.V元素的加入可以起到進(jìn)一步細(xì)化晶粒的作用.

3) 隨著碳含量的增加，激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的平均顯微硬度提高，磨損體積由8.97×106μm3減小到3.48×106μm3，耐磨性明顯提高.激光熔化沉積CrNiV系低合金鋼的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損.