304不锈钢管激光熔凝层显微硬度分析

 金属材料抵抗塑性变形、弹性变形的能力可用硬度予以表示，是材料使用性能的一个很重要的参考标准。由于单道激光表面熔凝处理所形成的改性层宏观尺寸较小，因而显微硬度就成为衡量激光熔凝层性能的一项重要指标之一。下面通过采用不同的激光熔凝工艺获得不同的硬化层，对其显微硬度进行对比分析，评价出相应工艺参数下强化层硬度的优良状况，从而研究并推测出提高熔凝层显微硬度的最优匹配参数。本次在选作为硬度测试的熔凝试样时，考虑到当激光功率过大，304不锈钢管出现了烧损很严重，甚至表层被汽化的现象，这将失去对其测试的意义；当激光功率较小，形成的熔凝层深度又不够，将测试的区域很窄，获得的熔凝层显微硬度信息显然不够。鉴于以上原因，选作硬度测试的试样所用到的激光熔凝工艺参数分别为。熔凝层所用的冷却方式分为：常温空气冷却和冰水快速冷却两种。

一、常温空气冷却下熔凝层显微硬度

  在常温空气冷却条件下经四种不同的激光熔凝工艺参数所处理的试样，其表层显微硬度数据分布情况如图所示。从图可看出，四种试样表层所测得的显微硬度值当中均没发现有跳跃幅度很大、异常的数据点。由此可知，在常温空气冷却条件下获得的激光熔凝层，其内部不存在杂质等缺陷，各区域组织的显微硬度值较平稳。对所测试的部位全部数据点进行观察发现，其整体分布均趋近于相应的某条曲线，不存在散乱现象，反而呈现有明显的梯度分布特征，从熔凝层亚表层到基体显微硬度逐渐降低，这样的分布特征由熔凝层最终凝固的组织分布特点决定。由图还可以看出，试验所用的304不锈钢管材料的显微硬度为165HV0.2左右，经激光表面熔凝处理后，熔凝层显微硬度相对于基体均有明显的提高，且随着激光扫描速度的增加，熔凝层的显微硬度有上升的趋势。

 将试验所测试得到的四种试样表层显微硬度数据点，经整理后用软件Origin8.0均绘制成拟合曲线，并在同一个平面坐标系显示出来，便于对比分析。由图可以得知，四条拟合曲线都是先陡升至最高点，然后缓慢下降，直至过渡到热影响区，硬度值通过热影响区过渡后出现陡降趋势，直到304奥氏体不锈钢基体时硬度将为最低，最后硬度趋于稳定状态。这主要是由于激光快速熔凝时，基材升温熔化极快和随后的熔池冷却速度极高，且熔池各区域的冷却凝固速度不一样，造成其内部存在明显的温度梯度，且受到液固界面前沿溶质非平衡分配规律的影响。又热影响区为过渡区，只有部分固态金属发生熔化，熔化的液态金属在未熔化的固态组织上形核结晶，形成的界面不平整，虽然晶粒相对基体是要细小，但相对熔凝层的较粗大。故各区域形成的组织不一样，使得硬化层各部位的显微硬度也就有区别。从图还可以看出，显微硬度的最高值并没有出现在最表面，这是主要由于在常温空气冷却条件下，304奥氏体不锈钢表面在高能激光束的辐照下，使其最表面碳及合金元素均不可避免的会出现不同程度的烧损，导致最表面硬度偏低。所以熔凝层最大显微硬度均出现在其亚表层，但随着激光扫描速度的增加，最大显微硬度的部位就越靠近熔凝层的表面，这是因为前面已研究了当激光功率和光斑尺寸一定时，随着激光扫描速度的递增，熔凝层的宏观尺寸变小了，故主要是由变浅的熔凝层所致。从图中也可以发现曲线的波峰随激光扫描速度的提高均有向左移的趋势，且曲线的波峰向左偏离量最大，升至最高点的速度最快，即曲线中上升的曲线段最陡。且随着激光扫描速度的提高，过渡到热影响区的显微硬度也下降得越快。

 经激光熔凝处理后304不锈钢管材料的硬度均得到显著的提高。这是因为激光快速加热，使得304不锈钢管在极短的时间内熔化，随后又有优越的散热冷却条件，形成了极快的冷却凝固速度，从而可以使得304不锈钢管晶粒得到显著细化，主要产生了细晶强化的效果。并且比较可知，随着激光扫描速度的提高，因产生更为致密的组织，细晶强化作用随之增强，所以熔凝层显微硬度也得到不同程度地增加，但增幅逐渐变小。激光扫描速度为时的熔凝层平均显微硬度处于最大，其峰值硬度较基体层约提高了156HV0.2，而平均硬度较低的曲线峰值显微硬度也有285HV0.2，这相对基体硬度提高了72.73%左右。从试验的结果可以得知：在常温空气冷却条件下，激光表面熔凝处理可以有效地提高304不锈钢管的硬度，从而对延长304不锈钢管的使用寿命有很大的帮助，其强化效果是常规热处理无法比拟的。并且在相同的其他条件下，随着激光扫描速度的增加，熔凝层的显微硬度也随之持续提高，这主要归因于不同的激光熔凝工艺参数下晶粒细化程度不同，结构、成分的均匀化程度不同等因素综合造成的，其熔凝层的性能改变也主要是靠这些因素来提高，因为选用的基材组织为奥氏体，激光熔凝过程中没有相变发生。

二、各部位的显微硬度也就有区别

  从图还可以看出，显微硬度的最高值并没有出现在最表面，这是主要由于在常温空气冷却条件下，304不锈钢管表面在高能激光束的辐照下，使其最表面碳及合金元素均不可避免的会出现不同程度的烧损，导致最表面硬度偏低。所以熔凝层最大显微硬度均出现在其亚表层，但随着激光扫描速度的增加，最大显微硬度的部位就越靠近熔凝层的表面，这是因为前面已研究了当激光功率和光斑尺寸一定时，随着激光扫描速度的递增，熔凝层的宏观尺寸变小了，故主要是由变浅的熔凝层所致。从图中也可以发现曲线的波峰随激光扫描速度的提高均有向左移的趋势，且曲线④的波峰向左偏离量最大，升至最高点的速度最快，即曲线中上升的曲线段最陡。且随着激光扫描速度的提高，过渡到热影响区的显微硬度也下降得越快。

  经激光熔凝处理后304不锈钢管的硬度均得到显著的提高。这是因为激光快速加热，使得304不锈钢管在极短的时间内熔化，随后又有优越的散热冷却条件，形成了极快的冷却凝固速度，从而可以使得304不锈钢管晶粒得到显著细化，主要产生了细晶强化的效果。并且比较可知，随着激光扫描速度的提高，因产生更为致密的组织，细晶强化作用随之增强，所以熔凝层显微硬度也得到不同程度地增加，但增幅逐渐变小。激光扫描速度为时的熔凝层平均显微硬度处于最大，其峰值硬度较基体层约提高了156HV0.2，而平均硬度较低的曲线峰值显微硬度也有285HV0.2，这相对基体硬度提高了72.73%左右。

 从试验的结果可以得知：在常温空气冷却条件下，激光表面熔凝处理可以有效地提高304不锈钢管的硬度，从而对延长304不锈钢管的使用寿命有很大的帮助，其强化效果是常规热处理无法比拟的。并且在相同的其他条件下，随着激光扫描速度的增加，熔凝层的显微硬度也随之持续提高，这主要归因于不同的激光熔凝工艺参数下晶粒细化程度不同，结构、成分的均匀化程度不同等因素综合造成的，其熔凝层的性能改变也主要是靠这些因素来提高，因为选用的基材组织为奥氏体，激光熔凝过程中没有相变发生。