本研究探討了工藝參數對直接激光金屬沉積法製備的梯度不鏽鋼316L和Inconel 718薄壁結構的影響。

關(guan) 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(cong) 原型技術發展為(wei) 單一和多種金屬製造技術。它提供了一個(ge) 機會(hui) 來生產(chan) 梯度成分，在不同位置具有不同的元素組成、相和微觀結構。在這項工作中，連續梯度不鏽鋼316L和Inconel 718薄壁結構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量流率等工藝參數對SS316L和Inconel 718在鋼-鎳梯度結構沉積過程中的影響。

通過光學顯微鏡和X射線衍射技術進行微觀結構表征和相識別。采用硬度、耐磨性和拉伸試驗等方法對結構進行了機械試驗。XRD結果表明，在沉積過程中形成了NbC和Fe2Nb相。確定並討論了實驗參數對微結構和物理性能的影響。研究表明，機械性能可以通過輸入參數來控製，碳化物的生成為(wei) 有選擇地控製功能梯度材料的硬度和耐磨性提供了機會(hui) 。

1.介紹

1984年，日本仙台地區的材料科學家提出了功能梯度材料（FGM）的概念，作為(wei) 製備熱障材料的一種手段。功能梯度材料是一類高級材料，其成分和微觀結構從(cong) 一側(ce) 到另一側(ce) 逐漸變化，導致性能發生相應變化。這些材料可設計用於(yu) 特定功能和應用。此外，材料的梯度變化允許減少出現在兩(liang) 個(ge) 不同相之間尖銳界麵附近的應力集中。今天，FGM概念已擴展到世界各地的各個(ge) 部門。功能梯度材料已在生物醫學、汽車和航空航天、電子、光學和核應用、反應堆部件和能量轉換等領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

目前用於(yu) 生產(chan) 功能梯度材料的有幾種技術，如模壓、等離子噴塗、滑動鑄造和粉末冶金。功能梯度塗層的製備一般采用模壓成型和等離子噴塗，等離子噴塗製備的功能梯度材料塗層不致密。盡管粉末冶金可用於(yu) 生產(chan) 塊狀功能梯度材料，但由於(yu) 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製。

激光直接金屬沉積（LDMD）工藝能夠以近淨形狀製造複雜原型，從(cong) 而節省時間和加工成本。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用於(yu) 製造金屬-陶瓷功能梯度材料。此後，許多研究人員應用這一概念，為(wei) 各種應用構建了一係列功能梯度材料。Pei和De Hosson使用Nd:YAG激光器生產(chan) AlSi40功能梯度材料，而Thivillon等人分析了通過激光沉積技術製造鈷基鎢鉻鈷合金6和鎳基超合金Inconel 625。Ouyang等人通過激光熔覆技術開發了一種WC–（NiSiB合金）金屬陶瓷/工具鋼功能梯度材料（FGM），用於(yu) 高溫摩擦學應用。Lin et al.研究了不鏽鋼成分梯度至Rene88DT期間的凝固行為(wei) 和形態演變。

如圖，首先，使用相同的鋁基係統導致相似的熱性能。其次，即使局部稀釋程度很高，也可以為(wei) 所期望的FGMs創造成分梯度。最後，初生Si顆粒可作為(wei) FGMs的硬增強體(ti) ，凝固過程可控製其尺寸。這對於(yu) 激光熔覆過程中FGMs的原位形成是非常重要的。采用噴霧霧化技術製備的粉末呈球形，粒徑為(wei) 50 ~ 125 μm。

鎳和鋼合金廣泛應用於(yu) 電力和核工業(ye) 。由於(yu) 在表麵形成富鉻的氧化膜，奧氏體(ti) 不鏽鋼具有很高的耐腐蝕性。這可能在厚度上有所不同，並且在某些條件下也會(hui) 發展為(wei) 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(wei) 奧氏體(ti) 焊縫在使用條件下能夠抵抗熱裂紋、應力和嚴(yan) 重衝(chong) 擊。鎳鉻合金Inconel 718合金適用於(yu) 觀察到高溫且大氣高度滲碳和氧化的應用。鎳和不鏽鋼合金的特性使其適用於(yu) 許多應用，例如核發電和煉油廠等條件存在的地方。然而，這兩(liang) 種合金通常仍然通過熔焊連接在一起，這可能導致對凝固裂紋的抵抗力較弱。為(wei) 了克服開裂問題，合金的功能分級是一個(ge) 可行的解決(jue) 方案，但有許多工藝參數需要控製。

上圖分別為(wei) 950℃氧化128 h試樣表麵形成氧化鱗的截麵形貌和為(wei) 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對直接激光金屬沉積法製備的梯度不鏽鋼316L和Inconel 718薄壁結構的影響。研究的目的是確定工藝參數對顯微組織、硬度和耐磨性的影響。雖然這兩(liang) 種材料已經分別進行了很好的研究，但這是一項以前從(cong) 未使用這種組合進行過的調查。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構檢查，但隻考慮了在一組單一參數下建立的一種管壁。

LDMD中最有意義(yi) 的參數通常是比能(定義(yi) 為(wei) 功率/(光束直徑×穿越速度))，它給出了表麵的能量密度，線質量(定義(yi) 為(wei) 粉末流動/穿越速度)，並給出了每條軌道單位長度的沉積可用材料的質量。本文以激光功率和粉末質量流量為(wei) 主要工藝變量，測試了二者的影響。導線速度和其他“二次”工藝參數，如氣體(ti) 流動速度和基板完成和溫度保持恒定。現有研究表明，這些參數的不同固定值可能會(hui) 影響測量結果的絕對值，但不會(hui) 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(ge) 不鏽鋼316L襯底的位置，使梁正交於(yu) 表麵，尺寸為(wei) 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，然後用乙醇脫脂。x軸和y軸(水平麵)的運動由數控工作台控製。整個(ge) 裝置被保存在一個(ge) 充滿氬氣的房間(手套箱)。FST PF-2/2圓盤式給粉器，包含兩(liang) 個(ge) 容量為(wei) 1.5 L的粉末罐，用於(yu) 輸送316L不鏽鋼粉末(顆粒直徑50-120 μm)和Inconel 718粉末(顆粒直徑53-150 μm)。不鏽鋼316L和鉻鎳鐵合金718的化學成分分別為(wei) 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。

首先將不鏽鋼316L和鉻鎳鐵合金718粉末分別稱重，然後根據所需的重量百分比用機械攪拌器攪拌30分鍾。兩(liang) 種材料的分級是通過在SS316L襯底塊上沉積3層重量為(wei) 100 wt%的SS316L，然後每隔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(ti) 池。一個(ge) 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(yu) 慢軸平行移動。實驗中使用的工藝參數如表1所示。工藝參數的精確值是根據之前的實驗設置經驗選擇的，它顯示了一個(ge) 操作窗口約42-80 J/mm2的比能量，以獲得良好的質量軌道。

表1 實驗工藝參數。

將製備好的壁樣品橫切，裝入Struers環氧樹脂並拋光至4000粒。所有樣品均在10%的草酸中進行電解腐蝕，並用6v直流電勢。采用光學顯微技術研究了梯度微結構。采用x射線能譜分析(EDS)分析元素組成。對已建牆體(ti) 的橫截麵進行了顯微硬度測試。磨損測試使用Teer塗層(POD-2)銷對盤磨損測試儀(yi) 進行，在該測試儀(yi) 中，樣品通過與(yu) WC-Co球接觸進行旋轉磨損。

3.結果

3．1. 宏觀結構和維度

所有參數組合形成薄壁連續結構。所有用於(yu) 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，而且結構良好。圖1顯示了功率為(wei) 550 W、粉末質量流速為(wei) 0.834 g/s時製備的分級壁的例子(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範圍為(wei) 0.54 mm ~ 0.76 mm，而高粉流沉積樣品的平均層高範圍為(wei) 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(wei) 450 W時，平均層寬度最低，為(wei) 1.31 mm;當功率為(wei) 750 W時，平均層寬度為(wei) 1.65 mm。在高粉流速率下，450 W時平均層寬最低為(wei) 1.37mm, 750 W時平均層寬最高為(wei) 1.68 mm。

對於(yu) 所有的樣品，層尺寸都受到可用激光功率的限製;然而，當激光功率增加到層高和層寬的臨(lin) 界值以上時，開始趨於(yu) 穩定。這表明當激光功率增加到一個(ge) 臨(lin) 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(cong) 激光功率有限的區域移動到粉末有限區域。這解釋了圖2(a和b)中圖表的扁平化。

３．２． 微觀結構

多層壁之間具有良好的粘結性能。結果表明，在所有的殘割組織中，柱狀樹枝狀生長占優(you) 勢。圖3中的事例3說明了這是如何發生的。在橫截麵的邊緣，可以觀察到柱狀到細胞樹突狀的生長轉變，這些結構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的橫截麵顯示沿壁添加的鉻鎳鐵合金718。

圖4 在壁的側(ce) 麵觀察到等軸晶粒結構(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)，並取三層的平均值來代表在每個(ge) 粉末組成處的沉積。塊平均技術為(wei) 0.632 g / s和0.834 g / s粉末流量沉積是圖5所示(a和b)。為(wei) 參數的範圍,分析了技術從(cong) 4.49μm 8.44μm流量測量低粉沉積,產(chan) 生最高的技術性能與(yu) 718年100%的鉻鎳鐵合金粉末。對於(yu) 高粉末流速沉積參數，SDAS範圍為(wei) 4.13 μm和7.76 μm。

圖5 (a)低粉流率(0.632 g/s)時，從(cong) 壁底到壁頂的平均SDAS變化。(b)高粉流速率下(0.834 g/s)壁底至壁頂的平均SDAS變化。

這一趨勢表明隨著粉流速率的增加，SDAS降低。這一效應可歸因於(yu) 增加的粉末質量流率導致更快的淬火，產(chan) 生更細的樹枝狀結構所觀察到。此外，SDAS隨著建築高度的增加而增加，這表明局部冷卻速率也隨著與(yu) 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(wei) 在構建方向上的平均熱梯度隨著距離基底的增加而減小。

不同粉末流量下製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(chan) 生了不同的熔池成分，但未觀察到由壁中產(chan) 生的熱應力引起的液化裂紋或固態裂紋的跡象。奧氏體(ti) 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，上述精細微觀結構可能對此提供了一些保護。

3.3.用X射線衍射技術進行相分析

圖6（a–e）顯示了樣品8垂直於(yu) 梯度方向的代表性壁截麵的XRD圖案。其餘(yu) 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(chan) 的結構完全是奧氏體(ti) ，鐵素體(ti) 含量最低。它還表明微觀結構缺乏任何清晰的方向。隨著Inconel 718重量百分比的增加，形成由碳化铌（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(wan) 能拉伸試驗機（十字頭速度為(wei) 1 mm/s）在室溫下平行於(yu) 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進行測試，並計算每個(ge) 樣品的有效極限抗拉強度。拉伸試驗後，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(jin) 發生中等程度的變形。對於(yu) 所有樣品，斷裂最初始於(yu) 100%不鏽鋼316L側(ce) ，然後迅速擴展至100%鉻鎳鐵合金718側(ce) 。圖7顯示了樣品1的斷裂麵，作為(wei) 所有樣品的破壞麵示例。

圖7 試樣1表麵斷裂，表麵放大。

圖8中繪製的極限抗拉強度數據與(yu) 激光功率的對比總結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量流量的增加而增加。發現低粉末流速沉積工藝的抗拉強度為(wei) 526–573.5 MPa，而高粉末流速沉積工藝的抗拉強度介於(yu) 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

對不同粉末質量流量和功率水平下產(chan) 生的壁進行維氏顯微硬度測量，沿著壁的高度從(cong) 底部到頂部進行。結果繪製在圖9中，作為(wei) 基板層數的函數。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(wei) 186.1 HV0.1，第一層的最大測量硬度為(wei) 168.1 HV0.1。

圖9（a–d）不同功率和粉末質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(wei) 155.6 HV0.1和179.3 HV0.1。對於(yu) 其他三個(ge) 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，在所研究的多層結構中，硬度最初降低，直到Inconel 718的重量百分比大約增加到50%。從(cong) 這個(ge) 百分比開始，觀察到塗層硬度增加。

值得注意的是，所有樣品頂層的硬度顯著增加。這可以用最後一層沒有被重新加熱這一事實來解釋，這與(yu) 它下麵的其他層不同。

3.6.磨損試驗

所有樣品壁均與(yu) 316L基板分離，在壁中部縱向剖切，並安裝在Teer塗層（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(cong) 316L不鏽鋼變為(wei) Inconel 718時，平均比磨損率（MSWR）與(yu) 硬度呈反比關(guan) 係。在100%的前三層中，SS316L MSWR較低；然後，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後，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，可以控製大功率半導體(ti) 激光沉積微結構。研究發現，最小功率和最大粉末流速可產(chan) 生最細的晶粒結構，但微觀結構的這些變化是以犧牲層高度和寬度的變化為(wei) 代價(jia) 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。

這種反應與(yu) Wu等人報告的鈦合金和Griffith等人報告的奧氏體(ti) 不鏽鋼相呼應，他們(men) 還發現低功率下的高冷卻速率會(hui) 產(chan) 生細晶粒結構。

還注意到，SDA隨著構建高度的增加而增加，這表明局部凝固時間隨著與(yu) 作為(wei) 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於(yu) 平均冷卻速度隨距離基板的距離而降低。這是因為(wei) 在構建方向上的平均熱梯度隨著與(yu) 基板的距離增加而減小。

對不同操作條件下產(chan) 生的梯度結構拉伸強度的分析表明，拉伸強度與(yu) 激光功率成反比關(guan) 係。這是由於(yu) 上麵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(yu) 傳(chuan) 統的單材料沉積不同，在傳(chuan) 統的單材料沉積中，當從(cong) 基板開始垂直測量時，樣品的硬度通常會(hui) 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(yu) 硬度呈反比關(guan) 係。铌目前用於(yu) 改性不鏽鋼，以獲得抗熱疲勞性、高溫強度和耐腐蝕性的良好組合，例如在汽車排氣係統中。眾(zhong) 所周知，通過用較硬的相強化軟相可以獲得耐磨材料，並且激光沉積樣品中硬質碳化铌（NbC）和Fe2Nb的存在不僅(jin) 提高了它們(men) 的硬度，而且提高了它們(men) 的耐磨性。這種功能分級技術提供了一種根據最終用戶的具體(ti) 需求設計硬度和耐磨性的方法。

5.結論

為(wei) 了能夠使用二極管激光沉積工藝製造新型的316L不鏽鋼和Inconel 718不鏽鋼梯度結構，開展了一係列參數研究，以研究激光功率和粉末質量流量的影響。

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於(yu) 分析由這些材料製成的功能梯度壁。

從(cong) 產(chan) 生的結果可以得出以下結論：

• 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製造方法。

• 二次枝晶臂間距（SDAS）強烈依賴於(yu) 功率和粉末質量流量。

• 功能部件的抗拉強度與(yu) 激光功率成反比，並隨粉末質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(wei) 選擇性控製功能材料的硬度和耐磨性創造了機會(hui) 。

• 梯度結構可用於(yu) 已知加載條件詳情的應用，在這種情況下，微觀結構和性能可設計為(wei) 最適合組件每個(ge) 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，FGM activities in Japan，Compos Part B: Eng,28 (1997), pp. 1-4，W. Liu, J.N. DuPont，Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by laserengineered net shaping，scripta Mater, 48 (2003), p. 1337