激光熔凝对304不锈钢管组织及力学性能的影响

 浙江至德钢业有限公司以304不锈钢管为研究对象，测试了在常温空气冷却和冰水快速冷却下所成型的熔凝件力学性能，并对熔凝层的微观组织进行了观察分析。还研究了激光表面熔凝工艺参数对熔凝试件组织及力学性能的影响，在此基础上提出了熔凝件的强化机制，主要得到有如下结论：

  1. 两种不同冷却效果（常温空气冷却熔凝层和冰水快速冷却熔凝层）的处理方式均明显改善了304不锈钢管的组织形态，两者熔凝层的基本组织形态都是相同的。用成分过冷理论和定向凝固理论进行分析讨论了熔池快速凝固组织形成原因，沿着熔凝层深的组织形态依次为等轴晶、树枝晶、胞状晶和平面晶，呈现出明显梯度组织现象。且从熔凝层界面到表层组织逐渐变细，采用冰水冷却方式相对应的部位组织还要细密些。在激光功率为3600W，激光扫描速度为1000mm/min，光斑尺寸为3.5mm的工艺参数下，常温空气冷却熔凝层获得的熔凝层平均晶粒尺寸为7.67μm，冰水冷却的熔凝层平均晶粒尺寸为5.81μm。

  2. 从显微硬度值整体分布来看，硬度值数据点沿熔凝层深分布较平稳，不存在散乱现象，均趋近于相应的某条曲线；从拟合成的曲线来看，曲线的波峰均处于离表面较近的亚表层，即峰值硬度位于亚表层。硬度从熔凝层亚表层到基体显微硬度逐渐降低，呈现有明显的梯度分布特征。但冷却效果更好的冰水冷却方式所成型的熔凝层平均硬度最高，峰值硬度可达到364.4HV0.2，相对基体提高一倍以上。分别用两种冷却方式在四种不同激光熔凝工艺参数下所成型的熔凝层，其显微硬度变化具有明显的规律性，用激光扫描速度200mm/min和600mm/min，两种冷却方式下的熔凝层显微硬度梯度分布规律有较大的差异，而用激光扫描速度1000mm/min和1400mm/min处理，其熔凝层显微硬度梯度分布非常接近。

  3. 上下两表面的细晶层对304不锈钢管的整体力学性能有很大的影响，产生了较强的细晶强化效果。对两种冷却方式下所成型熔凝件的力学性能测试，并与304奥氏体不锈钢基材力学性能相比较，结果发现常温空气冷却方式下获得的熔凝件，其屈服强度、抗拉强度及延伸率相对基材分别提高了16.1%、13.7%和6.0%，而采用冰水快速冷却方式获得的熔凝件分别提高了28.4%、23.7%和9.7%，显然冰水快速冷却方式下成型的熔凝件力学性能更加优越。熔凝件还具有良好的强韧性、可靠性及应变硬化能力，但熔凝件的连续屈服特性并没有发生明显的改变。

  4. 熔凝件的拉伸断口宏观形貌均呈现有典型的韧性断裂特征，具有纤维区、剪切唇区和放射区，且在冰水冷却方式下成型的熔凝件，其断口的剪切唇区和纤维区都稍大些，而放射区则稍小，体现其塑性更高；断口微观形貌存在大量的等轴韧窝，且在冰水冷却下形成的强化层其断口处韧窝较大较深，塑性及强度更好，从而达到了改善材料的整体力学性能的目的。

  激光表面熔凝技术是先进的表面强化技术，相比传统的热处理具有鲜明的优点，有望在不锈钢表面强化方面展现出极大的活力，为众多的研究领域作出巨大的贡献。由于实验条件的限制和其他客观原因，至德钢业针对304不锈钢管激光熔凝只进行了初步的研究，还存在以下方面需要进一步研究探索：

   1. 至德钢业研究激光表面熔凝处理的不锈钢材料型号单一，建议后续能够在此基础上对其他典型牌号的不锈钢材料进行激光熔凝研究，总结其规律，进而探索出它们的共性。

   2. 至德钢业对采用两种方式冷却的熔池，其温度梯度和冷却凝固速率未作详细的研究，建议用数值模拟分析出熔凝层内各区域的具体温度梯度和冷却凝固速率，并作对比，有实验条件的学者，望还采用液氮极端冷却方式对熔凝层加以冷却，三者进行对比研究分析，希望能够在此方面对其进行深入的研究。

  3. 至德钢业只对熔凝件的断裂行为进行研究，但对熔凝件断裂时的裂纹扩展速率方面的研究没有涉猎到，建议能展开该方面的研究工作，望还能对熔凝件的其它方面力学性能进行测试。