304不銹鋼激光熔凝組織分析

熔凝層的宏觀形貌特征

圖3-2為在兩種不同的冷卻條件（常溫空氣冷卻和冰水快速冷卻）下，激光熔凝304奧氏體不銹鋼典型的熔凝層橫截面形貌圖。所選用的激光熔凝參數(shù)：激光功率為3600W，掃描速度為1000mm/min。不同的激光熔凝工藝參數(shù)對于表征熔凝層宏觀質(zhì)量的兩個重要參數(shù)（熔凝層深度H和熔凝層寬度W）而言，會有明顯的差異。采用微米標尺測量熔深和熔寬，測得常溫空氣冷卻下的熔凝層深為0.58mm，寬度為3.58mm；冰水快速冷卻下的熔凝層深為0.55mm，寬度為3.56mm?？梢钥闯?，前者處理方式比后者獲得的熔深、熔寬數(shù)值均略大。易知，冰水冷卻速度之快，冷卻效果要優(yōu)于常規(guī)空氣，由此分析可知，其中可能原因之一是激光輻照能量當中有極其小部分能量直接被冷卻速度快的冰水冷卻介質(zhì)所吸收，而未能被利用發(fā)揮其作用。

從圖3-2可以看出，激光熔凝層的橫截面呈類似月牙形，根據(jù)Juan de Damborenea的數(shù)學模型，激光束為高斯熱源，如圖3-3所示，能量分布不均勻，熔池越靠近激光束邊緣位置，獲得的能量越低，其熔化深度也就越淺，而光束中心的能量最高，所以其熔池中央最深。

從圖3-2還可觀察到，兩種不同處理方式下的激光熔凝層與基體結合均良好，沒有出現(xiàn)氣孔、夾雜和明顯的裂紋等不良現(xiàn)象。由于304不銹鋼是奧氏體態(tài)，經(jīng)激光熔凝處理后，凝固至室溫的過程中將不會發(fā)生固態(tài)相變，根據(jù)溫度的分布狀況，因此經(jīng)激光熔凝處理的區(qū)域，從表至里就只分為熔凝區(qū)（MZ）、熱影響區(qū)（HAZ）兩個區(qū)域，各個區(qū)域沒有嚴格的分界線。這兩個區(qū)域?qū)Σ牧系男阅芨淖儺a(chǎn)生極其重要的作用。區(qū)域內(nèi)的組織結構發(fā)生了顯著的變化，組織細小，均勻致密，較基體極大地被細化。這主要是因為激光熔凝使304奧氏體不銹鋼的熔化與凝固都在極短的時間內(nèi)就完成，高速冷卻形成了極大的過冷度，可以顯著提高結晶形核率。輔以冰水快速冷卻裝置進一步提高冷卻速度時，獲得的組織比常規(guī)激光熔凝處理的還要細密。故此，說明人為地繼續(xù)提高冷卻速度，組織還能進一步被細化。

熔凝層的微觀組織結構

高能激光束輻照304奧氏體不銹鋼時，其表層在極短的時間內(nèi)被加熱至熔化，再分別通過用常溫空氣冷卻和冰水快速冷卻熔凝層，加熱區(qū)域瞬間被冷卻至凝固，使得熔凝區(qū)的金屬形核后來不及長大，最終熔凝區(qū)的晶粒相對于基體明顯細化。為了說明激光表面熔凝處理對304奧氏體不銹鋼橫截面微觀組織的影響，下面分別以兩種不同的冷卻形式對比研究分析304奧氏體不銹鋼的微觀組織變化情況。設定激光功率為3600W，掃描速度為1000mm/min。

在顯微鏡的深入觀察下可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常溫空氣冷卻熔凝層和冰水快速冷卻熔凝層的兩種不同處理方式，熔池凝固結晶之后的基本組織形態(tài)都是相似的，且均呈現(xiàn)出與基材完全不同的形態(tài)，微觀組織又均表現(xiàn)出致密而均勻的特性，但組織得到的細化程度，兩者會有所不同。又有由于同一熔凝層的不同部位，其冷卻速度和形核率不同，因此距熔凝層表面越近，其晶粒就越細小。且在同一熔池的不同位置其凝固組織形態(tài)可具有明顯的差異，熔凝層的橫截面表現(xiàn)為組織梯度現(xiàn)象，這主要與熔池中不同部位的冷卻結晶條件有關。故此，下面沿熔凝層層深的變化，大致分為熔凝層界面、熔凝層中部和熔凝層上部的三個部位組織分別進行分析與討論。

（1）結合晶體生長理論可知，熔池中的液態(tài)金屬開始凝固結晶時，首先是從靠近接觸熔池的基材處聯(lián)生長大。圖3-4顯示的是激光熔凝層與基體交界處的顯微組織。從圖可以看出，熔凝層底部邊界是橢球形曲面，晶體是以未熔化的基材晶粒表面為生長表面，在此表面上開始形核和核長大，界面處形成的主要為平面狀結晶。在熔凝層界面后方是相對處于冷態(tài)的基體，其吸收傳導了凝固所釋放的大量熱量，使界面緩慢地向前推移，于是平面晶得到了發(fā)展。從圖還可以看出，在熔凝層底部附近，因晶核的成長趨勢在各個方向上差別不大，所以出現(xiàn)有胞狀晶。晶體取向并不完全跟其熔體的最大散熱方向一致，其晶體的生長取向也會受到激光輻照過程中的強對流攪拌的干擾。

（2）如圖3-5所示為激光熔凝層的中部顯微組織，從圖可知該區(qū)域主要為樹枝晶，且樹枝晶向上的生長占了主導地位。受晶體生長擇優(yōu)取向的影響，以及在熱流的控制作用下，若晶體取向與熱流反方向的夾角較大時，其生長受到抑制；若晶體取向與熱流反方向相同或接近時，則能擇優(yōu)生長。熔凝層的中部區(qū)域，具有更快的冷卻速度，并且該區(qū)域的溫度梯度比熔凝層底部更小。同時，激光攪拌使熔池內(nèi)的金屬產(chǎn)生強烈的對流，樹枝晶的邊緣遭到破碎，其碎片又可以為新的樹枝晶形成提供晶核，造成大量晶核的形成。結晶的形核率增加，生成的晶粒更多，形成的晶粒就更加細小了。又較大的樹枝晶側(cè)枝成分過冷度和較小的樹枝晶主干端部曲率半徑，均有利于二次分枝的生長，四周伸出了二次橫枝，所以樹枝晶變得細小。熔池內(nèi)隨著離熔池底部距離的增加，冷卻速度增快，枝晶生長速度變快，結合式3-1分析可知，枝晶間距會逐漸變小。故此，經(jīng)多方面分析與討論可以得出熔凝層中央?yún)^(qū)域的組織要比熔凝層界面組織更為細密的結論。

（3）熔凝層上部的細晶組織形態(tài)主要為等軸晶，如圖3-6所示。在熔池上部，快速冷卻凝固所釋放出的全部熱量既可以借助304奧氏體不銹鋼基體的傳導，擴散到外界而散失，又可以直接通過冷卻介質(zhì)（分別為常溫空氣和冰水）吸收而帶走。由于該區(qū)域有多種散熱的途徑，使得溫度迅速下降，冷卻速度相對熔池其他部位更快，極快的冷卻速度，使得該區(qū)域內(nèi)形成極大的過冷度，液態(tài)金屬中將會生成大量的晶核，結晶速率加快，形成了更為細小的等軸晶組織。由圖還可以分析得知，由于激光的強烈攪拌作用，使得難熔的懸浮質(zhì)點上浮至熔池上部，其可以作為新晶粒形成所需的晶核，所以會在熔凝層上部產(chǎn)生以其為核心的非勻質(zhì)形核和長大，生長的晶核沿著自由表面。熔凝層上部的凝固組織中，還有是由熔凝層中部的結晶組織繼續(xù)向上生長的。

從以上圖可知，基材的晶粒尺寸相對較粗大，而經(jīng)處理的熔凝層組織均得到高度細化，且利用冰水快速冷卻熔凝層獲得的晶粒更為細小，組織更為致密。由于兩種不同處理均是一個驟熱驟冷的過程，尤其是加以冰水快速冷卻裝置來進一步提高熔池凝固速度的這一處理方式。對于這樣的急熱急冷后，凝固所得到的高度細化組織在一定時間內(nèi)可能會不穩(wěn)定，其晶粒尺寸會出現(xiàn)少許反彈現(xiàn)象。為了測出試驗后組織處于穩(wěn)定時期的晶粒度最精確數(shù)值，測量晶粒度是在熔凝試驗后若干天才進行的，對其晶粒尺寸采用SISC IAS V12.0金相圖像分析軟件進行分析計算，間隔不定時間測量數(shù)次得出其數(shù)據(jù)。表3-1為未處理304奧氏體不銹鋼和不同處理方式下最終熔凝層的平均晶粒尺寸。