304不銹鋼管激光表面熔凝試驗方法及工藝過程

 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。采用實驗研究和理論分析相結(jié)合的研究方法。對選用的304不銹鋼管，在其上、下兩表面進(jìn)行對稱單道激光熔凝掃描處理。激光熔凝試驗研究中，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)猓瑲饬髁亢愣?L/min。分別采用兩種不同的冷卻方式對熔凝層進(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，然后分別對其進(jìn)行對比研究分析，探究出經(jīng)激光表面熔凝處理304不銹鋼管，對其組織、硬度和拉伸力學(xué)性能的影響規(guī)律。

一、試驗具體步驟

 1. 制樣

 將304不銹鋼管采用DK77125E電火花數(shù)控線切割機(jī)加工成若干個尺寸為150mm×10mm×5.4mm的條狀試樣，再對所有切制好的試樣依次用280～1200號砂紙進(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，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。

 因為不銹鋼對波長為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、膨潤土等組成。待表面干后，對于部分作為后續(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

 因為經(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而導(dǎo)致試驗失敗，所以首先將試樣置于自制的試件固定裝置上，如圖所示。這樣使得試驗更為方便，結(jié)果更為精準(zhǔn)。又試驗中為了減少激光熔凝時材料的氧化與蒸發(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，對上下兩個表面對稱單道掃描完成的，熔凝長度均相等。而激光熔凝過程中對熔凝層的冷卻是分別采用的兩種不同的冷卻方式，以進(jìn)行對比試驗分析。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，在試驗中試樣表面及周邊還會殘留未汽化的水分，所以對其一面處理后，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)行對比分析。

 4. 試樣制備

  金相試樣：將每個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，分別用于后續(xù)的組織分析、顯微硬度測試等。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，消除線切割加工對拉伸試驗的影響，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)試劑對斷口進(jìn)行清洗，即完成制備。

二、試驗分析與測試方法

 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)行對比分析，并分別測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. 硬度測試

 硬度反映了材料彈塑性變形特性，是一項重要的力學(xué)性能指標(biāo)。所以硬度試驗在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。金屬激光表面熔凝時，常用維氏顯微硬度法來檢測熔凝層的硬度特性。本試驗中，經(jīng)激光熔凝處理后的304不銹鋼管樣品的顯微硬度測試是在HV-1000型顯微硬度計上進(jìn)行，試驗載荷為200g，加載保持時間為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)行測量，因為采集的數(shù)據(jù)較多，為了避免測量時前面留下的硬度凹坑對很近的位置硬度數(shù)據(jù)有影響，選取的測量位置點互相錯開。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)性能測試

 采用WDW-20E微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)對拉伸試驗樣品進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，其主要技術(shù)參數(shù)見表。本拉伸試驗是在常溫下進(jìn)行的，采用的是位移控制方式，拉伸速度為1mm/min。利用配有的自動數(shù)據(jù)采集和分析處理系統(tǒng)記錄相應(yīng)的拉伸試驗數(shù)據(jù)及自動繪制出的應(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，并測量出拉伸試樣變形前和拉伸斷裂后的標(biāo)距長度，計算出相應(yīng)的延伸率，進(jìn)行對比研究分析。

 4. 拉伸斷口分析

 先采用超聲波對拉伸斷口進(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304不銹鋼管進(jìn)行激光熔凝試驗的具體過程和研究方案，對激光熔凝試驗的TJ-HL-T5000型橫流CO2激光器主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了簡單介紹，并對試驗中所用到的自主設(shè)計的裝置也進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

  2. 簡單介紹了測試分析方法和儀器。試驗中所用到的測試分析儀器有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、WDW-20E微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)。