17-4PH不锈钢激光修复E级钢组织及力学性能研究.pdf

9交通科技与管理智慧交通与应用技术0引言E 级铸钢作为我国轨道交通领域最常用的铸钢，属于高强度低合金铸钢，具有高抗拉强度和高屈服强度的特点，广泛应用于车轴、转向节以及车钩等关键高附加值零部件中1-2。零部件往往因铸造过程产生裂纹、生产环节中拉伤、磕碰等损伤以及服役过程中腐蚀或磨损等问题造成失效3。目前，再制造往往是通过增减材的方式在损伤区域恢复至原尺寸，使再制造后的零件达到甚至超过新品的质量和性能4。激光沉积具有能量密度高、热输入小、沉积层的热影响区较小、稀释率较低、应力及应变小等优势；基体与沉积层界面的结合属于结合强度高的冶金结合，机械臂搭配柔性激光光路传输可以实现复杂构件多形态的损伤部位的修复5。激光增材再制造技术作为近年来快速发展的技术，是当前高附加值零部件修复的重要方式和主要发展方向，该技术已应用于航天航空、军工、核工业、钢铁冶金、煤机装备以及汽车制造业中关键零部件的修复和新品制备，但对轨道车辆关键零部件的激光增材再制造应用和研究较少。E 级铸钢作为轨道交通领域高附加值以及高性能零部件的关键材料，其修复与再制造应用目前研究还在起步阶段，因此该文深入研究激光增材制造 17-4PH材料修复 E 级钢的微观结构和力学性能，为实现工程应用提供重要数据参考。1试验1.1试验材料实验基材为 150 mm150 mm10 mm E 级钢样块，其主要成分如表 1 所示。沉积实验前先用砂纸将基材表面打磨平整，再用酒精清洗表面污渍并与粉体材料一同真空干燥。粉末材料为 17-4PH 粉末，成分如表 2 所示。基材成分如表 1 所示。17-4PH 不锈钢粉末是采用气雾化法制成。收稿日期：2023-08-11作者简介：崔德安（1974）,男,研究生,高级工程师,研究方向：轨道车辆检修技术。17-4PH 不锈钢激光修复 E 级钢组织及力学性能研究崔德安1,曾力荣1,熊旭1,蒋士春2,沈浩2,徐文盛2,蒋富银2（1.中车南京浦镇车辆有限公司,江苏 南京 210031;2.南京中科煜宸激光技术有限公司,江苏 南京 210046）摘要文章通过激光增材制造技术在 E 级铸钢表面成型了单层和多层 17-4PH 不锈钢试样，对其微观组织结构和力学性能进行研究，重点测试其表面残余应力和拉伸性能。结果表明：单层与多层激光增材制造试样成型效果良好，内部组织结构细小致密，无裂纹、气孔等缺陷，单层表层晶粒小于多层增材试样；多层增材制造试样抗拉强度最大，单层增材制造试样屈服强度最高，而 E 级铸钢断后伸长率与断面收缩率最高；此外，多层增材制造试样表层残余应力最大，单层增材制造试样表面显微硬度最高。关键词激光再制造；E 级钢；17-4PH 不锈钢中图分类号TG174文献标识码A文章编号2096-8949（2023）20-0009-03表 1E 级钢基材化学成分/(wt%)FeCMnPSSiCuCr、Ni、Mo、V余量0.321.850.030.031.500.30根据产品性能要求添加表 217-4PH 不锈钢粉末化学成分/（wt%）FeCCrSiNiMnCu其他余量0.0115.50.14.00.064.00.31.2试验设备试验采用南京中科煜宸激光技术有限公司生产的LDF8060 激光增材制造成套装备，光源为 Laserline-LDF-6000 半导体 6 000 W 激光器，执行机构为五轴精密机床，采用同轴送粉方式，保护气为氩气。1.3试验方法为应对实际修复过程的不同场景和研究不同几何形状对微观结构和力学性能的影响，激光增材制造尺寸 200 mm60 mm1.2 mm 的单层试样和尺寸为 200 mm60 mm15 mm 多层试样，成型样件如图 1 所示。该文中试样力学性能试验参照 GB/T 407372021 再制造激光沉积层性能试验方法进行，取样示意图如图 2 所示。残余应力测试采用 X 射线衍射应力测试方法，并参照 GB/T 77042017 执行，测试点位置示意图如图 3 所示。2023 年第 4 卷第 20 期10交通科技与管理智慧交通与应用技术图 1增材制造沉积样品图 2拉伸试样取样示意图：(a)单层；(b)多层图 3沉积试样残余应力测量点位置示意图2结果与分析2.117-4PH 组织分析图 4 为单层和多层激光增材制造 17-4PH 试样金相，其微观组织主要为马氏体和碳化物析出相。由于激光增材制造过程温度梯度大，熔池冷却速度快，单层沉积层组织呈现定向凝固的特点，与基材搭接区域为优先生成平面晶，随着极高的温度梯度，柱状晶开始快速生长至沉积层中部，沉积层中部热流方向不再垂直于界面熔合线，伴随着温度梯度的下降，复杂的枝晶和胞状晶开始紊乱生长，沉积层顶部温度梯度进一步下降，初生枝晶相互抑制生长并不断破碎为异质形核创造了有利条件，导致沉积层顶部生成均匀细小的等轴晶。多层激光沉积层道与道搭接之间以及层与层搭接之间有着明显的热影响区，沉积层内的晶粒也更细小，这是由于快速加热和重熔使得沉积层发生了多次相变和再结晶，晶粒被多次细化，晶体组织也呈现均匀化。此外，由于多层激光沉积，热量逐层累积，多层试样顶部晶粒发生粗化。2.2力学性能分析图 5 为不同样品应力应变曲线图，其中抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率数据为表 3 所示，其中多层试样抗拉强度为 1 143 MPa，单层试样抗拉强度为 1 033 MPa，均高于 E 级钢的抗拉强度 893 MPa。但多层试样的屈服强度为 777 MPa，低于单层试样的屈服强度 667 MPa，但高于 E 级钢的屈服强度 560 MPa。此外，E 级钢的断后伸长率最高为 17.5%，断面收缩率同样最高为 36.6%，单层试样的伸长率为 15.1%，断面收缩率为31.6%，多层试样的伸长率最低 13.5%，断面收缩率最低为 21.5%。图 4单层与多层激光增材 17-4 试样金相组织：(a)单层；(b)多层图 5应力应变曲线图表 3拉伸性能数据名称抗拉强度(Rm)/MPa 规定塑性延伸强度(Rp0.2)/MPa 伸长率/%断面收缩率/%单层1 03377715.131.60多层1 14366713.5 21.5 E 级钢89356017.5 36.6 2.3残余应力分析表 4、图 6 为增材试样的残余应力测试结果：单层激光增材试样纵向平均残余应力为 96.2 MPa，横向平均11交通科技与管理智慧交通与应用技术残余应力为 162.4 MPa；多层激光增材试样纵向平均残余应力为 293.8 MPa，横向平均残余应力为 427.2 MPa。多层增材试样和单层增材试样的纵向残余应力均小于横向残余应力，也就是激光扫描方向残余应力值高于垂直方向，这是由于熔池温度梯度方向与激光扫描方向一致，导致激光扫描方向温度梯度最大，熔池凝固速率最快，容易产生应力集中。此外，熔池在垂直于沉积方向受表面张力影响，晶粒变形及移动的阻力较大，抑制了残余应力的产生。多层激光增材制造试样残余应力值大于单层激光增材制造试样，这是由于当熔池处于液态时，温度梯度最大，材料膨胀最显著，受到基板以及已凝固固态金属制约，会形成瞬时压应力，当激光光源发生移动，熔池在极短的速度下凝固收缩，晶粒由熔池底部向顶部生长，形成拉应力，随着下一层重复的加热、凝固过程，拉应力逐层累积，导致多层激光增材试样表面残余应力远大于单层激光增材试样。表 4激光沉积试样残余应力测试数据测量点12245单层纵向残余应力/MPa688969130125横向残余应力/MPa198153168137156多层纵向残余应力/MPa291295280298305横向残余应力/MPa362377405488504图 6激光增材试样残余应力值2.4显微硬度分析图7为激光增材制造17-4PH试样显微硬度统计图，单层增材制造试样的显微硬度值最高，平均硬度为432.7 HV，多层增材制造试样的平均显微硬度值为400.3 HV，E 级钢的显微硬度最低，平均为 272.7 HV。相比于 E 级铸钢，单层和多层激光沉积17-4PH试样显微硬均有提升。单层激光沉积层表面由细小的等轴晶组成，显微硬度相对较高；枝晶内组织较为紊乱导致硬度分布不均；多层激光沉积层表层到热影响区硬度逐渐升高，由于热影响多次重熔再结晶产生的细晶强化作用。3结论（1）多层增材与单层增材试样成型效果良好，内部图 7显微硬度统计图 组织结构细小致密，无裂纹、气孔等缺陷，单层表层晶粒小于多层试样。沉积层组织从表层沿深度方向依次为等轴晶、树枝晶和胞状晶组织。（2）多层激光增材试样抗拉强度为 1 143 MPa，单层试样抗拉强度为 1 033 MPa，均高于 E 级钢的抗拉强度 893 MPa。但多层试样的屈服强度为 777 MPa，低于单层试样的屈服强度 667 MPa，但高于 E 级钢的屈服强度560 MPa。E 级钢的伸长率最高为 17.5%，断面收缩率也同样最高。说明多层激光增材修复并不会降低材料整体的抗拉强度，但随着抗拉强度的升高，塑性随之下降。（3）增材试样表面残余应力为拉应力，且激光扫描方向残余应力大于垂直方向，沉积层表面残余拉应力随着激光多层沉积而逐层累积，导致多层激光增材制造试样残余应力值远远大于单层激光增材制造试样。由于细晶强化作用，单层增材制造试样的显微硬度值最高。综上所述，激光增材制造 17-4PH 不锈钢修复 E 级钢抗拉强度和表面硬度均有所提升，但沉积层内部会产生较大的残余应力。参考文献 1 艾岳巍,王亿元.激光增材制造技术在轨道交通装备中的应用及发展趋势 J.金属加工(热加工),2023(7):1-11+39.2 杨冰,廖贞,吴圣川,等.增材制造技术发展和在先进轨道交通装备中的应用展望 J.交通运输工程学报,2021(1):132-153.3 王行涛,祝弘滨,魏涛,等.激光沉积参数对列车车轴修复组织形貌的影响 J.轨道交通装备与技术,2022(4):6-9+30.4 余敏,张鸿羽,曹开,等.激光沉积在高速列车上的应用研究现状 J.表面技术,2020(10):12-20+38.5 祝弘滨,刘昱.金属 3D 打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状 J.现代城市轨道交通,2019(10):77-81.