激光快速成形304不锈钢性能及微观组织研究

罗兆伟，张建巧，孙旋

激光快速成形304不锈钢性能及微观组织研究

罗兆伟，张建巧，孙旋

（河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054000）

满足实际生产需求，提高304不锈钢的抗拉强度。在304不锈钢粉末中添加不同质量分数的Ni60AA粉末，采用激光束对粉末进行快速成形，得到不同的试样。通过金相显微镜对不锈钢试样的显微组织进行观察，利用拉力试验机对试样进行抗拉强度测试。随着添加Ni60AA粉末含量的增加，板材试样的抗拉强度呈现出先增大后减小的趋势，当Ni60AA粉末的质量分数为10%时，试样抗拉强度最大，为754～771MPa。添加Ni60AA粉末后，激光快速成形的304不锈钢板材试样微观组织中有部分镍化合物析出，形成强化相，304不锈钢试样的抗拉强度得到很大提高。

激光快速成形；304不锈钢；抗拉强度；微观组织

304不锈钢是一种常见的奥氏体不锈钢，具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，被广泛应用于工业五金如换热器、化学反应器和储罐等部件中[1-3]。常用的成形方式为机械挤压成形、注塑成形、冲压成形等[4-7]。

激光快速成形（LRF）技术采用的加热源为激光。激光束按照零件数字模型生成的路径进行运动，逐点逐层地进行激光熔化–快速凝固沉积加工，最终成形目标零件。与传统的制造方法相比，LRF技术在零件制造方面具有生产周期短、材料利用率高、可成形结构复杂的零件等特点[8-17]。目前，该技术的研究方向主要集中在激光快速成形的基本理论、材料的成形特性和工艺等方面。席明哲等[18]采用连续点式锻压激光快速成形工艺，对TC11钛合金的组织和力学性能进行了研究。张永忠等[19]研究了激光快速成形特征，制备出的316L不锈钢可满足直接使用的要求。余金水等[20]采用快速成形技术得到了304不锈钢试样，其抗拉强度在537～801 MPa之间波动。

文中在304不锈钢粉末中加入Ni60AA粉末，采用激光快速成形技术得到304不锈钢试样，分析测试Ni60AA的加入量对304不锈钢试样抗拉强度以及微观组织的影响，以期为实际生产提供技术参考。

1 实验

1.1 材料

基材为Q235钢板，尺寸为250 mm×150 mm× 10 mm。304不锈钢和Ni60AA粉末的化学成分如表1所示，粉末颗粒外形为球形，直径为48～106 μm，实验前将粉末在60 ℃的真空炉中烘干12 h备用。

1.2 设备

采用自制粉末配制系统对粉末进行充分混合。快速成形实验采用5 kW横流CO2激光器，激光在焦点处的聚焦光斑直径为1.5 mm。采用五轴联动数控机床及自动送粉器系统进行快速成形实验，送粉器型号为HW–320L，送粉气压为0.2～0.5 MPa，送粉气流量为0.1～0.4 m3/h，送粉量为3～20 g/min。采用金相显微镜对试样微观组织进行分析，金相显微镜的型号为SG–51，由上海光学仪器厂提供。采用微机控制电子式万能实验机对试样进行抗拉强度测试，其型号为QDW–20E，由长春新试验机有限责任公司提供。

表1 304不锈钢和Ni60AA粉末的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel and Ni60AA powder wt.%

2 实验过程及结果分析

2.1 激光快速成形实验

实验前，利用砂纸将基材Q235两面磨平，用蒸馏水、丙酮溶液依次对表面进行清洗，去除残存的油渍和锈迹，待用。

激光快速成形的主要工艺参数为激光功率、扫描速度、光斑直径、每层高度方向增量以及搭接率等，其中每层高度方向增量是指激光快速成形过程中激光加工头逐层抬高的高度值。激光快速成形过程如下：熔化一层金属粉末后，由五轴联动数控机床自动控制激光加工头向上抬高一定的高度，对上一层金属粉末进行熔化，以形成致密的成形件。当每层高度方向增量小于0.25 mm时，成形层过薄，容易损坏已熔覆的层面，进而降低成形效果；当每层高度方向增量大于0.25 mm时，成形层过厚，导致部分粉末无法充分熔化，会降低成形效果，故设定每层高度方向增量为0.25 mm。搭接率为相邻两激光扫描行之间的重叠率。当搭接率小于40%时，熔覆线之间材料的黏结性较差，2道激光熔覆层之间有未熔覆的粉末，降低了成形效果；当搭接率大于40%时，会引起搭接处的晶粒过度生长，降低熔覆质量，故设定搭接率为40%。为了降低成形过程中的热应力，采用定制的基板预热器对板材进行预热，预热温度为400 ℃。

在每层高度方向增量为0.25 mm、搭接率为40%的情况下，对激光快速成形的工艺参数——激光功率、扫描速度、光斑直径进行正交实验，并对激光快速成形的试样进行抗拉强度测试，以得到试样抗拉强度最大的工艺参数组合。当激光功率为4 000 W、扫描速度为7 mm/s、光斑直径为1.5 mm时，试样抗拉强度达到最大（553 MPa），此时对应的工艺参数为最佳工艺参数。

表2 正交实验结果

Tab.2 Results of orthogonal experiment

在最佳激光成形工艺参数（激光功率为4 000 W、扫描速度为7 mm/s、光斑直径为1.5 mm、每层高度方向增量为0.25 mm、搭接率为40%）条件下，将不同质量分数的Ni60AA粉末加入到304不锈钢粉末中，进行激光快速成形实验，研究不同Ni60AA粉末添加量对304不锈钢激光成形试样性能的影响。将加入Ni60AA粉末质量分数为0%、5%、10%、15%的304不锈钢激光成形试样分别记为A1、A2、A3、A4试样，将这4组实验粉末分批加入到送粉器中。A1、A2、A3、A4激光快速成形试样的整体外观如图1所示，可以看出，成形试样表面均无明显裂纹或缺陷。

图1 激光快速成形试样整体外观

2.2 试样抗拉强度测试

采用切割机将试样切割成标准试样，采用拉力机测试试样的抗拉强度，研究不同Ni60AA粉末添加量对304不锈钢抗拉强度的影响（在Ni60AA粉末添加量相同的情况下，测试5组样品的抗拉强度，分析抗拉强度的稳定性），结果如图2所示。由图2可知，A1试样（当Ni60AA粉末的质量分数为0%时）的抗拉强度在546～578 MPa之间，抗拉强度较低，且抗拉强度波动较大，说明抗拉强度稳定性较差。A2试样（当Ni60AA粉末的质量分数为5%时）的抗拉强度在615～629 MPa之间，抗拉强度相对有所提高，抗拉强度波动较小，说明抗拉强度稳定性较好。A3试样（当Ni60AA粉末的质量分数为10%时）的抗拉强度在754～771 MPa之间，抗拉强度相对最高，抗拉强度波动较小，说明抗拉强度稳定性较好。A4试样（当Ni60AA粉末的质量分数为15%时）的抗拉强度在708～719 MPa之间，抗拉强度相对较低。

图2 在不同Ni60AA粉末加入量条件下抗拉强度与测试次数的关系

2.3 焊缝微观组织分析

快速成形试样微观组织如图3所示。可以看到，A1试样的微观组织为规则的树枝状晶，如图3a所示，这是因为在304不锈钢激光快速成形过程中，由于加热速度和冷却速度较快，晶粒沿着温度梯度方向生长，具有明显的快速凝固特点，为树枝状晶生长提供了条件。如图3b所示，A2试样的显微组织仍然为规则的树枝状晶，但在大晶粒之间夹杂着少量的细晶组织，这是因为镍元素的加入形成了镍化合物，这些镍化合物从晶粒之间析出，形成了新的强化相，这些强化相有利于提高材料的抗拉强度。如图3c所示，A3试样中大晶粒之间夹杂的细晶组织较多，这是因为随着镍元素含量的增加，形成的强化相增多，使材料的抗拉强度更高。如图3d所示，A4试样中大晶粒之间夹杂的细晶组织变得粗大，这是因为随着镍元素含量持续增加，形成的镍化合物晶粒变大，粗大的晶粒可能使材料的抗拉强度降低。

图3 快速成形试样微观组织

2.4 试样断口宏观形貌分析

激光快速成形试样在拉力测试后的断口宏观形貌如图4所示。可以发现，A1—A4试样断口无明显差异，断口中均无明显的气孔等缺陷，且晶粒细小而致密。这是因为在激光快速成形过程中，激光束能量集中，粉末被快速熔化，晶粒形核后来不及长大，激光离开后，熔池迅速凝固，故而晶粒组织细小而致密，在这种情况下，试样具有优良的综合力学性能。

图4 快速成形试样断口宏观形貌

2.5 断口微观形貌分析

快速成形试样断口微观形貌如图5所示。由图5a可知，经过拉力测试后，A1试样断口没有出现颈缩现象，只有小的片状断层，无大的凹槽，为脆性断裂。由图5b可知，经过拉力测试后，A2试样断口的韧窝数量较少，尺寸较小，深度也较浅，此处的塑性相对较差，抗拉强度也较低。由图5c可知，经过拉力测试后，A3试样断口的韧窝较多，尺寸较大，深度较深，说明塑性变形能力较大，抗拉强度也较大。由图5d可知，经过拉力测试后，A4试样断口的微观形貌呈层状分布，为明显的脆性断裂特征，这是因为当Ni60AA粉末添加量过多时，激光成形过程中形成的镍化合物晶粒变大，在拉力测试过程中，这些化合物部分形成不稳定区域，首先被拉断裂，导致抗拉强度较低。

图5 快速成形试样断口微观形貌

3 结论

在添加Ni60AA粉末的不锈钢成形试样显微组织中有细晶组织析出，这是因为形成的镍化合物从组织中析出，形成了新的强化相，且随着Ni60AA粉末含量的增加，这些新的强化相组织增多，使试样的抗拉强度得到了较大提高。但是，当Ni60AA粉末的质量分数为15%时，一些细晶组织变得粗大，使材料的抗拉强度降低。

试样的断口微观形貌测试结果表明，当Ni60AA粉末的质量分数为10%时，激光快速成形的304不锈钢试样经过拉力测试后，断口处的韧窝较多，尺寸较大，深度较深，这种断口形貌证明了材料的抗拉强度较高。文中激光快速成形304不锈钢的方法为其他种类材料的快速成形提供了一定技术参考。

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Properties and Microstructure of 304 Stainless Steel by Laser Rapid Forming

LUO Zhao-wei, ZHANG Jian-qiao, SUN Xuan

(Hebei Vocational University of Technology and Engineering, Hebei Xingtai 054000, China)

The work aims to improve the tensile strength of 304 stainless steel, so as to meet the actual production requirements. Ni60AA powders with different mass fractions were added into 304 stainless steel powders, and the powders were rapidly formed by laser to obtain different specimens. The microstructure of the stainless steel specimen was observed by metalloscope. The tensile strength of the specimen was tested by tensile testing machine. With the increase of the mass fraction of Ni60AA powder added to 304 stainless steel powder, the tensile strength of plate specimen increased firstly and then decreased. When the mass friction of Ni60AA powder was 10%, the tensile strength of the specimen reached to the highest value of 754-771 MPa. After the addition of Ni60AA powder, some nickel compounds precipitate from the microstructure of the plate specimen, forming strengthening phase, thus greatly improving the tensile strength of 304 stainless steel specimen.

laser rapid forming; 304 stainless steel; tensile strength; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.010

TG456.7

A

1674-6457(2022)09-0073-06

2021‒09‒30

罗兆伟（1988—），女，硕士，讲师，主要研究方向为机械设计和机械工程材料。

责任编辑：蒋红晨