铬对激光快速成型试件组织和力学性能的影响

闫梦达，邱长军，陈 伟

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）

铬对激光快速成型试件组织和力学性能的影响

闫梦达，邱长军，陈 伟

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）

利用激光表面增材制造技术在基材上熔覆三种铬含量不同的粉末，分别为5.12%、12.3%、17.2%，通过X射线衍射法测量各熔覆层中残余奥氏体（AR）量，研究其力学性能。试验结果表明，Cr含量是通过影响熔覆层AR量来影响熔覆层的硬度和抗拉强度，随着Cr含量增加，熔覆层硬度和抗拉强度逐渐下降。

铬；激光快速成型；硬度；抗拉强度

0 引言

激光表面增材制造自动化系统由光功率2 kW～20 kW的连续激光器与5～8轴数控装置组合集成。它利用高能量密度激光束在金属基材表面辐照快速熔化形成熔池，同时向熔池中送入有特殊性能的材料、填充材料快速熔化扩散和快速凝固在基材表面溶积一层0.1 mm至数厘米具有特殊物理、化学、力学性能的表层材料，并通过5～8轴数控装置驱动激光束扫描熔积出较高精度的表面几何形状。它是集材料制备表面成性和成形为一体技术，可大幅度提高技术部件表面性能，是国家重点支持发展的绿色制造技术[1-8]。

针对各种合金粉末，国内外学者做了大量研究，在合金粉末中添加一定的Cr元素，不仅对晶体起到固溶作用，而且使得激光熔覆层被氧化钝化，从而提高熔覆层耐蚀性能和抗高温氧化性能，随着铬含量的增加，熔覆层残余奥氏体体含量也随之变化，从而影响试件的力学性能。本文在一定激光表面增材制造的试验基础上探究铬含量对激光快速成形试件力学性能的影响。

1 试验方法

利用Q235作为基材，喷砂以去除油污。以三种种铬含量不同的不锈钢粉末（Ni：5%～6%、B：0.5%～0.6%、Si：0.5～0.7%、C：0.12～0.15%、Fe：其余）作为激光熔覆粉末材料制得试件A、B、C，其Cr含量分别为5.12%、12.3%、17.2%.试验所用设备为5 kW横流CW CO2激光器，激光熔覆工艺参数为：激光功率为2.3 kW，椭圆形光斑尺寸为5.5 mm× 3.5 mm，扫描速度为6 mm/s，送粉速率为6.7 g/min，搭接率为50%，侧向同步送粉。采用TH320型多功能全洛氏硬度计测量其洛氏硬度；利用X射线衍射法测量各熔覆层中残余奥氏体（AR）量[9]，将试件切成如图2所示非标拉伸试件，利用采用WDW-20E微机控制电子式万能试验机测试件拉性能，如图2所示。

图1 拉伸试件示意图（单位：mm）

2 试验结果分析

2.1 铬含量对熔覆层残余奥氏体含量及显微硬度的影响

利用X射线衍射法测量各熔覆层中残余奥氏体（AR）量[10]，由表1可知，试件B、试件C分别比试件A的AR含量提高了134.48%、348.28%，试验结果表明随着铬含量增加，熔覆层AR含量逐渐增加。

表1 铬对熔覆层残余奥氏体量（体积百分数）的影响

在每个成型件表面各取10个点，利用洛氏显微硬度计测量洛氏硬度，各组硬度测量如图3所示，可知，试件A、B、C的平均洛氏硬度分别为53.9 HRC、51 HRC、45.1 HRC，试件B、C的洛氏硬度比试件A的洛氏硬度分别下降了5.38%、16.32%，试验结果表明随着铬含量的增加熔覆层的硬度逐渐下降。铬元素对熔覆层硬度的影响主要是通过影响熔覆层中AR的量来影响熔覆层的硬度。当铬含量从5.12%增加到12.3%，熔覆层中AR达到了34%，由于AR硬度低，熔覆层硬度逐渐下降，当铬含量从12.3%增加到17.2%，熔覆层中AR增加较快，所以当铬含量从12.3%增加到17.2%时试样中熔覆层硬度下降较快。

图3 铬含量对试件硬度的影响

2.2 铬含量对试件拉伸力学性能的影响

将非标拉伸试件装夹在自制的拉伸夹具上，然后在室温下进行拉伸试验，拉伸速率为0.2 mm/min.三种试件的抗拉强度如图4所示，可知，试件A、B、C的平均抗拉强度分别 1 238.6 MPa、1 080.6 MPa、940.6 MPa，试件B、C的抗拉强度比试件A的抗拉强度分别下降了12.75%、24.05%.结合表1可知，随着Cr含量的增加，熔覆层中AR（体积百分数）逐渐增加，当Cr含量从5.12%增加到12.3%，AR量从14.5%增加到了34%，因为AR会降低硬度，且稳定性差，所以试件的硬度和抗拉强度逐渐下降，当Cr含量为17.2%时，熔覆层中AR达到65%，熔覆层中AR量增长快，所以试件C的硬度和抗拉强度下降较快。

图4 铬对试件抗拉强度的影响

3 结论

Cr含量是通过影响熔覆层AR量来影响熔覆层的硬度和抗拉强度，当 Cr含量从5.12%增加到12.3%为时，试件的硬度和抗拉强度逐渐下降，当铬含量从12.3%增加到17.2%，熔覆层中AR量增长快，熔覆层的硬度和抗拉强度下降较快。

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Effect of Chromium on Microstructure and Mechanical Properties of Laser Rapid Prototyping Specimens

YAN Meng-da，QIU Chang-jun，CHEN Wei
（Mechanical Engineering School，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Using laser surface additive manufacturing technology，three chromium powders with different contents were deposited on the substrate，respectively，5.12% ，12.3%and 17.2%.The retained austenite （AR） in the cladding layers was measured by X ray diffraction method.The test results show that the content of Cr affects the hardness and tensile strength of the cladding layer by affecting the amount of ARin the cladding layer.With the increase of Cr content，the hardness and tensile strength of the cladding layer decrease gradually.

chromium；laser rapid prototyping；hardness；tensile strength

TG456.7

A

1672-545X（2017）10-0064-02

2017-07-29

国家自然科学基金项目（51474130）；湖南省高校重点实验室（湘财教指[2014]85号）；湖南省重点学科建设项目（湘教发[2011]76号）；湖南省高校科技创新团队支持计划（湘教通[2012]318号）

闫梦达（1992-），男，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向：激光再制造；邱长军（1965－），男，湖南衡阳人，教授，主要从事激光再制造方面的工作。