本研究探討了工藝參數(shù)對直接激光金屬沉積法制備的梯度不銹鋼316L和Inconel 718薄壁結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)鍵詞：激光沉積 包層 功能梯度

摘要

激光直接金屬沉積（LDMD）已從原型技術(shù)發(fā)展為單一和多種金屬制造技術(shù)。它提供了一個機會來生產(chǎn)梯度成分，在不同位置具有不同的元素組成、相和微觀結(jié)構(gòu)。在這項工作中，連續(xù)梯度不銹鋼316L和Inconel 718薄壁結(jié)構(gòu)的直接激光金屬沉積工藝進行了探索。本文考慮了激光功率水平和粉末質(zhì)量流率等工藝參數(shù)對SS316L和Inconel 718在鋼-鎳梯度結(jié)構(gòu)沉積過程中的影響。

通過光學顯微鏡和X射線衍射技術(shù)進行微觀結(jié)構(gòu)表征和相識別。采用硬度、耐磨性和拉伸試驗等方法對結(jié)構(gòu)進行了機械試驗。XRD結(jié)果表明，在沉積過程中形成了NbC和Fe2Nb相。確定并討論了實驗參數(shù)對微結(jié)構(gòu)和物理性能的影響。研究表明，機械性能可以通過輸入?yún)?shù)來控制，碳化物的生成為有選擇地控制功能梯度材料的硬度和耐磨性提供了機會。

1.介紹

1984年，日本仙臺地區(qū)的材料科學家提出了功能梯度材料（FGM）的概念，作為制備熱障材料的一種手段。功能梯度材料是一類高級材料，其成分和微觀結(jié)構(gòu)從一側(cè)到另一側(cè)逐漸變化，導(dǎo)致性能發(fā)生相應(yīng)變化。這些材料可設(shè)計用于特定功能和應(yīng)用。此外，材料的梯度變化允許減少出現(xiàn)在兩個不同相之間尖銳界面附近的應(yīng)力集中。今天，F(xiàn)GM概念已擴展到世界各地的各個部門。功能梯度材料已在生物醫(yī)學、汽車和航空航天、電子、光學和核應(yīng)用、反應(yīng)堆部件和能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域找到了自己的位置。

Ni含量在0.10 ~ 30wt % 7之間的TiC-Ni梯度材料的顯微組織和元素分布

目前用于生產(chǎn)功能梯度材料的有幾種技術(shù)，如模壓、等離子噴涂、滑動鑄造和粉末冶金。功能梯度涂層的制備一般采用模壓成型和等離子噴涂，等離子噴涂制備的功能梯度材料涂層不致密。盡管粉末冶金可用于生產(chǎn)塊狀功能梯度材料，但由于使用模具進行壓力輔助致密化，因此其形狀和尺寸通常受到限制。

激光直接金屬沉積（LDMD）工藝能夠以近凈形狀制造復(fù)雜原型，從而節(jié)省時間和加工成本。通過該工藝沉積了多種金屬和合金，例如H13、WC–Co等鋼和鎢鉻鈷合金。Jasim等人首次將激光沉積工藝應(yīng)用于制造金屬-陶瓷功能梯度材料。此后，許多研究人員應(yīng)用這一概念，為各種應(yīng)用構(gòu)建了一系列功能梯度材料。Pei和De Hosson使用Nd:YAG激光器生產(chǎn)AlSi40功能梯度材料，而Thivillon等人分析了通過激光沉積技術(shù)制造鈷基鎢鉻鈷合金6和鎳基超合金Inconel 625。Ouyang等人通過激光熔覆技術(shù)開發(fā)了一種WC–（NiSiB合金）金屬陶瓷/工具鋼功能梯度材料（FGM），用于高溫摩擦學應(yīng)用。Lin et al.研究了不銹鋼成分梯度至Rene88DT期間的凝固行為和形態(tài)演變。

如圖，首先，使用相同的鋁基系統(tǒng)導(dǎo)致相似的熱性能。其次，即使局部稀釋程度很高，也可以為所期望的FGMs創(chuàng)造成分梯度。最后，初生Si顆?？勺鳛镕GMs的硬增強體，凝固過程可控制其尺寸。這對于激光熔覆過程中FGMs的原位形成是非常重要的。采用噴霧霧化技術(shù)制備的粉末呈球形，粒徑為50 ~ 125 μm。

鎳和鋼合金廣泛應(yīng)用于電力和核工業(yè)。由于在表面形成富鉻的氧化膜，奧氏體不銹鋼具有很高的耐腐蝕性。這可能在厚度上有所不同，并且在某些條件下也會發(fā)展為具有額外外層的雙重層，但其良好的耐腐蝕性仍然存在。連接鋼通常不是問題，因為奧氏體焊縫在使用條件下能夠抵抗熱裂紋、應(yīng)力和嚴重沖擊。鎳鉻合金Inconel 718合金適用于觀察到高溫且大氣高度滲碳和氧化的應(yīng)用。鎳和不銹鋼合金的特性使其適用于許多應(yīng)用，例如核發(fā)電和煉油廠等條件存在的地方。然而，這兩種合金通常仍然通過熔焊連接在一起，這可能導(dǎo)致對凝固裂紋的抵抗力較弱。為了克服開裂問題，合金的功能分級是一個可行的解決方案，但有許多工藝參數(shù)需要控制。

上圖分別為950℃氧化128 h試樣表面形成氧化鱗的截面形貌和為1000℃氧化140 h合金的形貌和元素再分布。

本研究探討了工藝參數(shù)對直接激光金屬沉積法制備的梯度不銹鋼316L和Inconel 718薄壁結(jié)構(gòu)的影響。研究的目的是確定工藝參數(shù)對顯微組織、硬度和耐磨性的影響。雖然這兩種材料已經(jīng)分別進行了很好的研究，但這是一項以前從未使用這種組合進行過的調(diào)查。Wu等人的一篇早期論文對分級316L-Inconel718合金壁進行了硬度磨損和微觀結(jié)構(gòu)檢查，但只考慮了在一組單一參數(shù)下建立的一種管壁。

LDMD中最有意義的參數(shù)通常是比能(定義為功率/(光束直徑×穿越速度))，它給出了表面的能量密度，線質(zhì)量(定義為粉末流動/穿越速度)，并給出了每條軌道單位長度的沉積可用材料的質(zhì)量。本文以激光功率和粉末質(zhì)量流量為主要工藝變量，測試了二者的影響。導(dǎo)線速度和其他“二次”工藝參數(shù)，如氣體流動速度和基板完成和溫度保持恒定?，F(xiàn)有研究表明，這些參數(shù)的不同固定值可能會影響測量結(jié)果的絕對值，但不會影響確定的基本LDMD過程和趨勢。

2. 實驗的程序

激光沉積過程采用LaserlineLDL160-1500 1.5 kW二極管激光器。一個不銹鋼316L襯底的位置，使梁正交于表面，尺寸為2.5 mm(快軸)× 3.5 mm(慢軸)在襯底處。實驗前，將SS316L底物在Guyson噴砂機中噴砂，然后用乙醇脫脂。x軸和y軸(水平面)的運動由數(shù)控工作臺控制。整個裝置被保存在一個充滿氬氣的房間(手套箱)。FST PF-2/2圓盤式給粉器，包含兩個容量為1.5 L的粉末罐，用于輸送316L不銹鋼粉末(顆粒直徑50-120 μm)和Inconel 718粉末(顆粒直徑53-150 μm)。不銹鋼316L和鉻鎳鐵合金718的化學成分分別為0.03% C、2.0% Mn、1.0% Si、16.0 ~ 18.0% Cr、10.0 ~ 14.0% Ni、2.0 ~ 3.0% Mo、60% Fe和0.042% C、18% Fe、19% Cr、0.5% Al、1% Ti、3% Mo、5% Nb和55% Ni。

首先將不銹鋼316L和鉻鎳鐵合金718粉末分別稱重，然后根據(jù)所需的重量百分比用機械攪拌器攪拌30分鐘。兩種材料的分級是通過在SS316L襯底塊上沉積3層重量為100 wt%的SS316L，然后每隔3層增加沉積混合物中Inconel718的重量百分比25%，同時降低SS316L粉末的重量百分比。粉末通過同軸噴嘴的氬氣輸送到熔體池。一個雙通道的給粉器被使用，允許在沉積之前在噴嘴中混合粉末。噴嘴對準基板上激光束的中心，以4 mm/s的穿越速度與慢軸平行移動。實驗中使用的工藝參數(shù)如表1所示。工藝參數(shù)的精確值是根據(jù)之前的實驗設(shè)置經(jīng)驗選擇的，它顯示了一個操作窗口約42-80 J/mm2的比能量，以獲得良好的質(zhì)量軌道。

表1 實驗工藝參數(shù)。

將制備好的壁樣品橫切，裝入Struers環(huán)氧樹脂并拋光至4000粒。所有樣品均在10%的草酸中進行電解腐蝕，并用6v直流電勢。采用光學顯微技術(shù)研究了梯度微結(jié)構(gòu)。采用x射線能譜分析(EDS)分析元素組成。對已建墻體的橫截面進行了顯微硬度測試。磨損測試使用Teer涂層(POD-2)銷對盤磨損測試儀進行，在該測試儀中，樣品通過與WC-Co球接觸進行旋轉(zhuǎn)磨損。

3.結(jié)果

3．1. 宏觀結(jié)構(gòu)和維度

所有參數(shù)組合形成薄壁連續(xù)結(jié)構(gòu)。所有用于分析功率和粉末流速影響的樣品都很好地附著在基材上，沒有軌跡中斷的跡象，而且結(jié)構(gòu)良好。圖1顯示了功率為550 W、粉末質(zhì)量流速為0.834 g/s時制備的分級壁的例子(樣品6)。

圖1 直接激光熔敷金屬SS316L/鉻鎳鐵合金718功能梯度6 (A) 100% SS 316L， (B) 75% SS 316L， (C) 50% SS 316L， (D) 25% SS 316L和(E) 0% SS 316L。

對軌道尺寸的分析表明，隨著功率的增加，有明顯的沉積量增大的趨勢。層高和層寬隨輸送功率和粉末質(zhì)量流量主要輸入變量的變化如圖2(a)和圖b所示。

圖2 (a)激光功率和粉末流速對平均層高的影響。(b)激光功率和粉末流速對平均層寬的影響。

低粉流沉積樣品的平均層高范圍為0.54 mm ~ 0.76 mm，而高粉流沉積樣品的平均層高范圍為0.63 mm ~ 0.84 mm，軌道高度隨功率的增加而增加。軌道寬度也有類似的趨勢，在低粉流沉積過程中，當功率為450 W時，平均層寬度最低，為1.31 mm;當功率為750 W時，平均層寬度為1.65 mm。在高粉流速率下，450 W時平均層寬最低為1.37mm, 750 W時平均層寬最高為1.68 mm。

對于所有的樣品，層尺寸都受到可用激光功率的限制;然而，當激光功率增加到層高和層寬的臨界值以上時，開始趨于穩(wěn)定。這表明當激光功率增加到一個臨界值以上時，沒有足夠的粉末來利用所有的激光功率，因此沉積從激光功率有限的區(qū)域移動到粉末有限區(qū)域。這解釋了圖2(a和b)中圖表的扁平化。

３．２． 微觀結(jié)構(gòu)

多層壁之間具有良好的粘結(jié)性能。結(jié)果表明，在所有的殘割組織中，柱狀樹枝狀生長占優(yōu)勢。圖3中的事例3說明了這是如何發(fā)生的。在橫截面的邊緣，可以觀察到柱狀到細胞樹突狀的生長轉(zhuǎn)變，這些結(jié)構(gòu)在所有部分的層邊界上也普遍存在，如圖4所示。

圖3 樣品3的橫截面顯示沿壁添加的鉻鎳鐵合金718。

圖4 在壁的側(cè)面觀察到等軸晶粒結(jié)構(gòu)(此圖像取自樣本4)。

測量了所有樣品每一層的二次枝晶臂間距(SDAS)，并取三層的平均值來代表在每個粉末組成處的沉積。塊平均技術(shù)為0.632 g / s和0.834 g / s粉末流量沉積是圖5所示(a和b)。為參數(shù)的范圍,分析了技術(shù)從4.49μm 8.44μm流量測量低粉沉積,產(chǎn)生最高的技術(shù)性能與718年100%的鉻鎳鐵合金粉末。對于高粉末流速沉積參數(shù)，SDAS范圍為4.13 μm和7.76 μm。

圖5 (a)低粉流率(0.632 g/s)時，從壁底到壁頂?shù)钠骄鵖DAS變化。(b)高粉流速率下(0.834 g/s)壁底至壁頂?shù)钠骄鵖DAS變化。

這一趨勢表明隨著粉流速率的增加，SDAS降低。這一效應(yīng)可歸因于增加的粉末質(zhì)量流率導(dǎo)致更快的淬火，產(chǎn)生更細的樹枝狀結(jié)構(gòu)所觀察到。此外，SDAS隨著建筑高度的增加而增加，這表明局部冷卻速率也隨著與基板的距離的增加而有所降低，而基板起到了散熱器的作用。這是因為在構(gòu)建方向上的平均熱梯度隨著距離基底的增加而減小。

不同粉末流量下制備的樣品的微觀特征除了二次枝晶臂間距（SDAS）外沒有顯著差異。

盡管在全壁沉積過程中產(chǎn)生了不同的熔池成分，但未觀察到由壁中產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起的液化裂紋或固態(tài)裂紋的跡象。奧氏體合金（如316L）和鎳合金（如Inconel 718）的液化開裂敏感性隨著晶粒尺寸的增加而顯著增加，因此，上述精細微觀結(jié)構(gòu)可能對此提供了一些保護。

3.3.用X射線衍射技術(shù)進行相分析

圖6（a–e）顯示了樣品8垂直于梯度方向的代表性壁截面的XRD圖案。其余樣本也獲得了類似的模式。圖6（a和b）顯示，使用100%和75%的SS316L生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)完全是奧氏體，鐵素體含量最低。它還表明微觀結(jié)構(gòu)缺乏任何清晰的方向。隨著Inconel 718重量百分比的增加，形成由碳化鈮（NbC）和Fe2Nb組成的新相，如圖6（c–e）所示。

圖6 (a-e)樣品8沿SS 316L-Inco718梯度不同位置的XRD譜圖。(a) 100% SS 316L， (b) 75% SS 316L， (c) 50% SS 316L， (d) 25% SS 316L和(e) 0% SS 316L。

3.4.拉伸試驗

使用INSTRON 4507萬能拉伸試驗機（十字頭速度為1 mm/s）在室溫下平行于沉積或激光掃描方向進行拉伸試驗。所有樣品均按沉積狀態(tài)進行測試，并計算每個樣品的有效極限抗拉強度。拉伸試驗后，使用日立S-3400N掃描電鏡觀察斷口。

所有樣品均因韌性斷裂而失效，僅發(fā)生中等程度的變形。對于所有樣品，斷裂最初始于100%不銹鋼316L側(cè)，然后迅速擴展至100%鉻鎳鐵合金718側(cè)。圖7顯示了樣品1的斷裂面，作為所有樣品的破壞面示例。

圖7 試樣1表面斷裂，表面放大。

圖8中繪制的極限抗拉強度數(shù)據(jù)與激光功率的對比總結(jié)顯示了極限抗拉強度隨激光功率降低的趨勢。此外，拉伸強度似乎隨著功率質(zhì)量流量的增加而增加。發(fā)現(xiàn)低粉末流速沉積工藝的抗拉強度為526–573.5 MPa，而高粉末流速沉積工藝的抗拉強度介于531 MPa和596 MPa之間。拉伸強度的降低可以通過以下事實來解釋：隨著熱輸入的增加，晶粒尺寸變大，因此對施加荷載的阻力變小。

圖8 有效極限抗拉強度隨粉末流量的變化而變化。

3.5.硬度分布

對不同粉末質(zhì)量流量和功率水平下產(chǎn)生的壁進行維氏顯微硬度測量，沿著壁的高度從底部到頂部進行。結(jié)果繪制在圖9中，作為基板層數(shù)的函數(shù)。圖9（a）顯示了硬度的近似拋物線分布，在高粉末流速沉積的情況下，最終層的最大測量硬度為186.1 HV0.1，第一層的最大測量硬度為168.1 HV0.1。

圖9（a–d）不同功率和粉末質(zhì)量流量下的硬度曲線。

在低粉末沉積過程中，底層和頂層的硬度值分別為155.6 HV0.1和179.3 HV0.1。對于其他三個功率級，測量了類似的分布，測量的震級也有變化。此外，在大多數(shù)情況下，高粉末流速沉積比低粉末流速沉積具有更高的硬度。圖9（a–d）清楚地表明，在所研究的多層結(jié)構(gòu)中，硬度最初降低，直到Inconel 718的重量百分比大約增加到50%。從這個百分比開始，觀察到涂層硬度增加。

值得注意的是，所有樣品頂層的硬度顯著增加。這可以用最后一層沒有被重新加熱這一事實來解釋，這與它下面的其他層不同。

3.6.磨損試驗

所有樣品壁均與316L基板分離，在壁中部縱向剖切，并安裝在Teer涂層（POD-2）銷盤式磨損試驗機上。使用機器可用的軟件計算特定磨損率。

圖10顯示了不同功率水平下三層恒定成分的平均比磨損率。在所有樣品中，當成分從316L不銹鋼變?yōu)镮nconel 718時，平均比磨損率（MSWR）與硬度呈反比關(guān)系。在100%的前三層中，SS316L MSWR較低；然后，當在接下來的三層中添加Inconel 718時，其增加。在接下來的9層中添加更多Inconel 718后，MSWR降低。所有樣本都注意到了這一趨勢。功率水平越高，總MSWR越高。

圖10 表示20 N載荷和30 mm/s滑動速度下不同功率沿梯度的比磨損率(a) 450 W， (b) 550 W， (c) 650 W和(d) 750 W。

4.討論

通過改變激光功率和粉末流量，可以控制大功率半導(dǎo)體激光沉積微結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，最小功率和最大粉末流速可產(chǎn)生最細的晶粒結(jié)構(gòu)，但微觀結(jié)構(gòu)的這些變化是以犧牲層高度和寬度的變化為代價的。

隨著功率的增加，晶粒細化程度降低，二次枝晶臂間距增大。冷卻速度的降低意味著有足夠的時間讓小枝晶臂熔化和消失；因此，合金的二次枝晶臂間距增加。此外，凝固過程中冷卻速度越慢，晶粒粗化的時間越長。

這種反應(yīng)與Wu等人報告的鈦合金和Griffith等人報告的奧氏體不銹鋼相呼應(yīng)，他們還發(fā)現(xiàn)低功率下的高冷卻速率會產(chǎn)生細晶粒結(jié)構(gòu)。

還注意到，SDA隨著構(gòu)建高度的增加而增加，這表明局部凝固時間隨著與作為散熱器的基板的距離的增加而有所增加。凝固時間的增加是由于平均冷卻速度隨距離基板的距離而降低。這是因為在構(gòu)建方向上的平均熱梯度隨著與基板的距離增加而減小。

對不同操作條件下產(chǎn)生的梯度結(jié)構(gòu)拉伸強度的分析表明，拉伸強度與激光功率成反比關(guān)系。這是由于上面討論的相同因素造成的，除了此處的冷卻速率和熱梯度因功率輸入的增加而降低，而不是散熱片特性的變化。

值得注意的是，樣品中的硬度分布遵循近似的拋物線曲線，這與傳統(tǒng)的單材料沉積不同，在傳統(tǒng)的單材料沉積中，當從基板開始垂直測量時，樣品的硬度通常會降低。這可以通過XRD圖譜來解釋，XRD圖譜表明，當Inconel 718百分比增加時，存在NbC和Fe2Nb。根據(jù)Fujita等人的說法，NbC和Fe2Nb提高了材料的強度，因此，當添加更多的Inconel 718且存在更多的Nb以形成NbC時，硬度將增加。

激光沉積SS316L和Inconel 718梯度壁的磨損率與硬度呈反比關(guān)系。鈮目前用于改性不銹鋼，以獲得抗熱疲勞性、高溫強度和耐腐蝕性的良好組合，例如在汽車排氣系統(tǒng)中。眾所周知，通過用較硬的相強化軟相可以獲得耐磨材料，并且激光沉積樣品中硬質(zhì)碳化鈮（NbC）和Fe2Nb的存在不僅提高了它們的硬度，而且提高了它們的耐磨性。這種功能分級技術(shù)提供了一種根據(jù)最終用戶的具體需求設(shè)計硬度和耐磨性的方法。

5.結(jié)論

為了能夠使用二極管激光沉積工藝制造新型的316L不銹鋼和Inconel 718不銹鋼梯度結(jié)構(gòu)，開展了一系列參數(shù)研究，以研究激光功率和粉末質(zhì)量流量的影響。

高分辨率光學和掃描電子顯微鏡、XRD、拉伸測試、顯微硬度測試和磨損率測試已用于分析由這些材料制成的功能梯度壁。

從產(chǎn)生的結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

? 采用激光沉積工藝對SS316L和Inconel 718進行功能分級是一種可行的制造方法。

? 二次枝晶臂間距（SDAS）強烈依賴于功率和粉末質(zhì)量流量。

? 功能部件的抗拉強度與激光功率成反比，并隨粉末質(zhì)量流量的增加而增加。

? 在較高的鉻鎳鐵合金比例下生成類似碳化物的NbC為選擇性控制功能材料的硬度和耐磨性創(chuàng)造了機會。

? 梯度結(jié)構(gòu)可用于已知加載條件詳情的應(yīng)用，在這種情況下，微觀結(jié)構(gòu)和性能可設(shè)計為最適合組件每個部分的加載。

來源：Parametric study of development of Inconel-steel functionally gradedmaterials by laser direct metal deposition，Materials &Design (1980-2015)，doi.org/10.1016/j.matdes.2013.08.079

參考文獻：M. Koizumi，F(xiàn)GM activities in Japan，Compos Part B: Eng,28 (1997), pp. 1-4，W. Liu, J.N. DuPont，F(xiàn)abrication of functionally graded TiC/Ti composites by laserengineered net shaping，scripta Mater, 48 (2003), p. 1337