304不銹鋼管激光表面熔凝試驗(yàn)方法及工藝過程

 浙江至德鋼業(yè)有限公司本次研究選用的材料為厚5.4 mm的軋制態(tài)304不銹鋼管材。采用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的研究方法。對(duì)選用的304不銹鋼管，在其上、下兩表面進(jìn)行對(duì)稱單道激光熔凝掃描處理。激光熔凝試驗(yàn)研究中，利用多因素正交方法，系統(tǒng)的探索激光功率、激光掃描速度和激光熔凝層冷卻方式等各種因素對(duì)304不銹鋼管組織及力學(xué)性能的影響。選定的激光功率范圍為1800～4600W，掃描速度范圍為200～1600mm/min，激光光斑直徑恒定為3.5 mm。熔池保護(hù)氣體均為氮?dú)?，氣流量恒定?L/min。分別采用兩種不同的冷卻方式對(duì)熔凝層進(jìn)行冷卻，即常溫空氣冷卻和冰水快速冷卻，冰水冷卻液流量恒定為100mL/min。使用不同的激光熔凝工藝參數(shù)，對(duì)經(jīng)預(yù)處理后的基材上、下兩表面單道激光熔凝處理。由此獲得的不同試樣，然后分別對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究分析，探究出經(jīng)激光表面熔凝處理304不銹鋼管，對(duì)其組織、硬度和拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律。

一、試驗(yàn)具體步驟

 1. 制樣

 將304不銹鋼管采用DK77125E電火花數(shù)控線切割機(jī)加工成若干個(gè)尺寸為150mm×10mm×5.4mm的條狀試樣，再對(duì)所有切制好的試樣依次用280～1200號(hào)砂紙進(jìn)行均勻打磨以去除表面氧化皮等污物，然后用蒸餾水、丙酮溶液對(duì)表面進(jìn)行清洗，去除試樣表面的有機(jī)雜質(zhì)和油漬后，自然晾干，準(zhǔn)備下一步的固溶處理。

 2. 材料預(yù)處理

 由于試驗(yàn)用的材料為軋制態(tài)不銹鋼管，所以存在碳化物等析出相。為了使所有試樣處于相同的初始狀態(tài)，將待處理的條狀試板置于SG-7.5-12電阻爐里，加熱至1050℃后保溫1小時(shí)，讓所有碳化物全部溶于奧氏體，再水淬快冷，不讓奧氏體在冷卻過程中有析出或發(fā)生相變，從而獲得單相奧氏體組織，其固溶處理工藝曲線如圖所示。

 因?yàn)椴讳P鋼對(duì)波長(zhǎng)為10.6μm的二氧化碳激光器的輻照反射率比較高，為了提高試樣表面對(duì)激光的吸收率，還需在用作為激光熔凝處理的304不銹鋼管試樣表面涂覆上一厚度約為60μm的均勻薄層吸光涂料，涂料的主要成分為工業(yè)酒精、稀土氧化物、二氧化硅、膨潤(rùn)土等組成。待表面干后，對(duì)于部分作為后續(xù)要采用冰水快速冷卻方式冷卻熔凝層的試樣，還需再在吸光涂層上涂刷一層非常薄且極稀的清漆，以防止吸光涂料在快速冷卻方式下被冰水冷卻液提前破壞。從而使得不銹鋼激光熔凝處理中的激光能量利用率大幅度提高，效率提高，達(dá)到增強(qiáng)處理效果的目的。圖為304不銹鋼管經(jīng)預(yù)處理后的部分試樣。

 3. 激光表面熔凝

 因?yàn)榻?jīng)預(yù)處理后的條狀試樣體積小，且質(zhì)量輕，為了防止試樣在激光熔凝過程中移動(dòng)而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，所以首先將試樣置于自制的試件固定裝置上，如圖所示。這樣使得試驗(yàn)更為方便，結(jié)果更為精準(zhǔn)。又試驗(yàn)中為了減少激光熔凝時(shí)材料的氧化與蒸發(fā)，均采用高純度的氮?dú)?，通過側(cè)面吹氣的方式對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，吹出的氮?dú)馀c試樣成45°的夾角。

 經(jīng)激光熔凝處理的條狀試樣均是通過沿著其縱向?qū)ΨQ軸，對(duì)上下兩個(gè)表面對(duì)稱單道掃描完成的，熔凝長(zhǎng)度均相等。而激光熔凝過程中對(duì)熔凝層的冷卻是分別采用的兩種不同的冷卻方式，以進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。其一是常溫空氣冷卻熔凝層，試樣的一表面激光熔凝處理結(jié)束后，為了避免殘留熱量對(duì)基材的影響，要待不銹鋼的溫度降至室溫，接著再換另外一表面對(duì)其激光熔凝處理；其二是冰水快速冷卻熔凝層，熔凝過程中已熔凝的表面隨即得到從小型壓力罐中穩(wěn)定流出的冰水快速冷卻而迅速凝固，在試驗(yàn)中試樣表面及周邊還會(huì)殘留未汽化的水分，所以對(duì)其一面處理后，要用脫脂棉將試樣表面擦干后冷卻至室溫，再才從試件固定裝置的槽中取出，換其另外一表面進(jìn)行激光熔凝處理。通過調(diào)節(jié)激光功率調(diào)節(jié)器設(shè)置不同的功率和在激光加工程序中設(shè)置不同的掃描速度，獲得不同的激光熔凝工藝參數(shù)，用其處理進(jìn)行對(duì)比分析。

 4. 試樣制備

  金相試樣：將每個(gè)激光熔凝后的條狀試樣，用線切割機(jī)切成為小試塊，數(shù)量各為2個(gè)，分別用于后續(xù)的組織分析、顯微硬度測(cè)試等。注意選取切割的部位應(yīng)避開處于掃描初始和結(jié)束位置的試樣兩端部。如圖為切好的部分小試塊。由于尺寸較小，需用金相試樣鑲嵌機(jī)鑲嵌后再依次經(jīng)過粗磨、細(xì)磨和拋光，然后用清水將試樣沖洗干凈，最后方可進(jìn)行腐蝕，用攝子夾棉花球蘸取王水（濃硝酸：濃鹽酸體積=1:3）浸蝕劑，輕輕擦蝕試樣表面至適當(dāng)時(shí)間后立即用水沖掉余液，再將其置于熱風(fēng)機(jī)下吹干，即完成金相試樣的制備，其照片如圖所示。

 5. 掃描電鏡試樣：與金相試樣制備的方法類似，其具體制備過程同上。

   拉伸試樣：采用線切割機(jī)床，將制備金相試樣后留下的激光熔凝試樣和未經(jīng)激光熔凝處理的條狀試樣均切制成拉伸試樣，并用砂紙打磨，消除線切割加工對(duì)拉伸試驗(yàn)的影響，再作以標(biāo)記。

   拉伸斷口試樣：由于拉伸斷后試件超過了分析儀器規(guī)定范圍，需從各拉伸斷后的試件切下斷口，然后用有機(jī)或無機(jī)試劑對(duì)斷口進(jìn)行清洗，即完成制備。

二、試驗(yàn)分析與測(cè)試方法

 1. 宏觀形貌和顯微組織分析

  采用OLYMPUS-GX51型金相顯微鏡觀察、拍攝試樣熔凝層的形貌、表面及橫截面的金相組織，與其母材組織進(jìn)行對(duì)比分析，并分別測(cè)量出在不同激光工藝參數(shù)下熔凝層的宏觀尺寸；采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（配有能譜儀）對(duì)試樣熔凝層不同部位的顯微組織進(jìn)行觀察，并取部分位置進(jìn)行成分分析。

 2. 硬度測(cè)試

 硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項(xiàng)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。所以硬度試驗(yàn)在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。金屬激光表面熔凝時(shí)，常用維氏顯微硬度法來檢測(cè)熔凝層的硬度特性。本試驗(yàn)中，經(jīng)激光熔凝處理后的304不銹鋼管樣品的顯微硬度測(cè)試是在HV-1000型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，試驗(yàn)載荷為200g，加載保持時(shí)間為15秒。為了得到較多的熔凝層顯微硬度數(shù)值，由熔凝層橫截面從表至里，選擇較多部位且間隔不定的距離進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)較多，為了避免測(cè)量時(shí)前面留下的硬度凹坑對(duì)很近的位置硬度數(shù)據(jù)有影響，選取的測(cè)量位置點(diǎn)互相錯(cuò)開。據(jù)此繪制出熔凝層沿熔池深度方向上的顯微硬度分布的擬合曲線圖，并分析熔凝層內(nèi)硬度的分布特征及規(guī)律。

 3. 拉伸力學(xué)性能測(cè)試

 采用WDW-20E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)拉伸試驗(yàn)樣品進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試，其主要技術(shù)參數(shù)見表。本拉伸試驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，采用的是位移控制方式，拉伸速度為1mm/min。利用配有的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和分析處理系統(tǒng)記錄相應(yīng)的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)及自動(dòng)繪制出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，可快捷地分別確定出經(jīng)不同工藝參數(shù)處理后的不銹鋼屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，并測(cè)量出拉伸試樣變形前和拉伸斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度，計(jì)算出相應(yīng)的延伸率，進(jìn)行對(duì)比研究分析。

 4. 拉伸斷口分析

 先采用超聲波對(duì)拉伸斷口進(jìn)行清洗，再在JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡下觀察并分析斷口形貌及顯微組織，對(duì)部分位置進(jìn)行能譜分析，進(jìn)而探討斷裂機(jī)制。

三、總結(jié)

 1. 闡述了激光表面熔凝試驗(yàn)方法及工藝過程。分別詳細(xì)介紹了在常溫空氣冷卻、冰水快速冷卻條件下對(duì)304不銹鋼管進(jìn)行激光熔凝試驗(yàn)的具體過程和研究方案，對(duì)激光熔凝試驗(yàn)的TJ-HL-T5000型橫流CO2激光器主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)試驗(yàn)中所用到的自主設(shè)計(jì)的裝置也進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

  2. 簡(jiǎn)單介紹了測(cè)試分析方法和儀器。試驗(yàn)中所用到的測(cè)試分析儀器有OLYMPUS-GX51型金相顯微鏡、JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡、HV-1000型顯微硬度計(jì)、WDW-20E微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)。