304不銹鋼激光熔凝組織分析

熔(rong)凝層(ceng)的宏觀(guan)形貌特征

圖(tu)3-2為在(zai)兩種不同的冷卻(que)條件（常溫空氣冷卻(que)和冰水快速冷卻(que)）下，激光熔凝304奧氏體(ti)不銹鋼典型的(de)熔凝層橫截面形貌圖。所(suo)選用的(de)激光(guang)熔凝參數：激光(guang)功率為3600W，掃描速度為1000mm/min。不同的激光熔(rong)凝工藝參(can)數對于表征熔(rong)凝層宏觀質量的兩個重要參(can)數（熔(rong)凝層深度H和熔凝(ning)層寬(kuan)度W）而言，會有明顯的差異。采用微米(mi)標尺測(ce)量熔深和熔寬(kuan)，測(ce)得常溫空(kong)氣冷卻下的熔凝層深為0.58mm，寬度為3.58mm；冰(bing)水快速冷卻下的熔凝層深為0.55mm，寬度為3.56mm。可以(yi)看出，前(qian)者(zhe)處理方式(shi)比后者(zhe)獲得的(de)熔(rong)深、熔(rong)寬數(shu)值均略大(da)。易(yi)知(zhi)，冰水冷(leng)(leng)卻速(su)度(du)之快，冷(leng)(leng)卻效果要優(you)于常規空(kong)氣，由(you)此(ci)分(fen)析可知(zhi)，其(qi)(qi)中可能(neng)原因之一是激光(guang)輻照能(neng)量當(dang)中有極其(qi)(qi)小(xiao)部(bu)分(fen)能(neng)量直(zhi)接被冷(leng)(leng)卻速(su)度(du)快的(de)冰水冷(leng)(leng)卻介質所吸(xi)收，而未能(neng)被利用發(fa)揮(hui)其(qi)(qi)作用。

從(cong)圖3-2可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，激(ji)光(guang)熔(rong)凝層的橫截(jie)面呈類似月牙形，根據(ju)Juan de Damborenea的(de)數學(xue)模型，激光束為高斯熱(re)源，如圖3-3所示(shi)，能(neng)量(liang)分布不均勻，熔池(chi)越靠(kao)近(jin)激光束(shu)邊緣位置，獲得的能(neng)量(liang)越低，其熔化(hua)深度也(ye)就越淺，而光束(shu)中(zhong)心的能(neng)量(liang)最高，所以其熔池(chi)中(zhong)央最深。

從圖3-2還可(ke)觀察(cha)到，兩種不同處理(li)方式下(xia)的(de)激光熔凝(ning)層與基體結合均良好，沒有出現(xian)氣孔、夾雜和明顯(xian)的(de)裂紋等不良現(xian)象。由于(yu)304不銹鋼是奧氏體態，經(jing)激光熔(rong)凝處理(li)后，凝固至室(shi)溫的過程(cheng)中將不(bu)會發生(sheng)固態相(xiang)變(bian)，根據溫度的分布狀況，因此經(jing)激光熔(rong)凝處理(li)的區域，從表至里就只(zhi)分為熔(rong)凝區（MZ）、熱(re)影響(xiang)區(qu)（HAZ）兩(liang)(liang)個區域，各個區域沒有嚴格的(de)分界(jie)線。這(zhe)(zhe)兩(liang)(liang)個區域對材料的(de)性能(neng)改變產生極(ji)其重要的(de)作用。區域內的(de)組(zu)織結構發生了顯著的(de)變化，組(zu)織細小(xiao)，均勻(yun)致密，較基體極(ji)大地被細化。這(zhe)(zhe)主要是(shi)因為激(ji)光熔凝(ning)使304奧氏體(ti)不銹鋼的(de)熔(rong)化與凝(ning)固都(dou)在極(ji)(ji)短(duan)的(de)時間內就完(wan)成，高速冷卻(que)形成了(le)極(ji)(ji)大的(de)過(guo)冷度，可以顯(xian)著提(ti)(ti)高結晶形核率。輔以冰水快速冷卻(que)裝(zhuang)置進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)(ti)高冷卻(que)速度時，獲(huo)得的(de)組織比常規激光熔(rong)凝(ning)處理的(de)還(huan)要(yao)細密。故(gu)此，說明人(ren)為地繼續(xu)提(ti)(ti)高冷卻(que)速度，組織還(huan)能進(jin)一(yi)步(bu)被細化。

熔凝層(ceng)的(de)微觀組織結構

高能激光(guang)束輻照(zhao)304奧氏體不(bu)(bu)銹鋼時，其表層在極(ji)短的時間內被加熱(re)至熔(rong)化，再(zai)分別通(tong)過用常溫空氣冷卻(que)(que)(que)和冰水快速(su)冷卻(que)(que)(que)熔(rong)凝(ning)層，加熱(re)區(qu)(qu)域瞬間被冷卻(que)(que)(que)至凝(ning)固，使得熔(rong)凝(ning)區(qu)(qu)的金(jin)屬(shu)形(xing)核后來(lai)不(bu)(bu)及長大，最終熔(rong)凝(ning)區(qu)(qu)的晶粒相對于基體明顯細化。為了說明激(ji)光表面熔(rong)凝(ning)處理對304奧氏體(ti)不(bu)銹鋼橫截面微觀組(zu)織(zhi)的影響，下面分(fen)別以兩種(zhong)不(bu)同的冷卻形式對比(bi)研究分(fen)析304奧氏體(ti)不銹鋼的微觀組織(zhi)變化情況。設定(ding)激(ji)光(guang)功率為3600W，掃描(miao)速度為1000mm/min。

在(zai)顯微(wei)鏡的(de)(de)(de)深入(ru)觀察下(xia)(xia)可以發現(xian)(xian)，經常溫空(kong)氣冷(leng)卻(que)熔(rong)(rong)(rong)凝層和(he)冰水快速冷(leng)卻(que)熔(rong)(rong)(rong)凝層的(de)(de)(de)兩種不(bu)同處理方式，熔(rong)(rong)(rong)池凝固(gu)結(jie)晶之后的(de)(de)(de)基本組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)形(xing)態都(dou)是相(xiang)似的(de)(de)(de)，且均呈(cheng)現(xian)(xian)出與基材完(wan)全(quan)不(bu)同的(de)(de)(de)形(xing)態，微(wei)觀組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)又(you)均表(biao)現(xian)(xian)出致密而均勻的(de)(de)(de)特性(xing)，但組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)得到的(de)(de)(de)細化(hua)程度(du)，兩者會有所(suo)不(bu)同。又(you)有由于同一熔(rong)(rong)(rong)凝層的(de)(de)(de)不(bu)同部(bu)位，其(qi)(qi)冷(leng)卻(que)速度(du)和(he)形(xing)核(he)率(lv)不(bu)同，因此距熔(rong)(rong)(rong)凝層表(biao)面(mian)越近(jin)，其(qi)(qi)晶粒就越細小。且在(zai)同一熔(rong)(rong)(rong)池的(de)(de)(de)不(bu)同位置其(qi)(qi)凝固(gu)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)形(xing)態可具(ju)有明顯的(de)(de)(de)差異，熔(rong)(rong)(rong)凝層的(de)(de)(de)橫(heng)截面(mian)表(biao)現(xian)(xian)為(wei)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)梯(ti)度(du)現(xian)(xian)象，這主要(yao)與熔(rong)(rong)(rong)池中不(bu)同部(bu)位的(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)結(jie)晶條件有關。故此，下(xia)(xia)面(mian)沿(yan)熔(rong)(rong)(rong)凝層層深的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，大致分(fen)(fen)為(wei)熔(rong)(rong)(rong)凝層界面(mian)、熔(rong)(rong)(rong)凝層中部(bu)和(he)熔(rong)(rong)(rong)凝層上部(bu)的(de)(de)(de)三(san)個(ge)部(bu)位組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)分(fen)(fen)別(bie)進(jin)行(xing)分(fen)(fen)析與討論。

（1）結(jie)(jie)合晶體生長(chang)(chang)理論可知(zhi)，熔池(chi)中的液(ye)態金(jin)屬(shu)開(kai)始(shi)凝固結(jie)(jie)晶時，首先是從靠(kao)近(jin)接觸(chu)熔池(chi)的基材處聯生長(chang)(chang)大。圖3-4顯示的(de)(de)(de)是(shi)(shi)激光熔(rong)(rong)(rong)凝(ning)層(ceng)與基體(ti)交界處(chu)的(de)(de)(de)顯微組織(zhi)。從圖可以看出，熔(rong)(rong)(rong)凝(ning)層(ceng)底部(bu)邊界是(shi)(shi)橢(tuo)球形(xing)(xing)曲(qu)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，晶(jing)體(ti)是(shi)(shi)以未熔(rong)(rong)(rong)化的(de)(de)(de)基材晶(jing)粒表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)為生長(chang)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)，在此表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)上(shang)開始形(xing)(xing)核和核長(chang)大(da)，界面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)處(chu)形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)主要為平(ping)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)狀結晶(jing)。在熔(rong)(rong)(rong)凝(ning)層(ceng)界面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)后(hou)方(fang)是(shi)(shi)相對(dui)處(chu)于(yu)冷(leng)態(tai)的(de)(de)(de)基體(ti)，其吸收傳導了(le)凝(ning)固所(suo)釋放的(de)(de)(de)大(da)量熱量，使界面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)緩慢地(di)向(xiang)(xiang)前推移，于(yu)是(shi)(shi)平(ping)面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)晶(jing)得(de)到了(le)發展。從圖還可以看出，在熔(rong)(rong)(rong)凝(ning)層(ceng)底部(bu)附近(jin)，因(yin)晶(jing)核的(de)(de)(de)成長(chang)趨(qu)勢在各(ge)個方(fang)向(xiang)(xiang)上(shang)差別(bie)不大(da)，所(suo)以出現有胞狀晶(jing)。晶(jing)體(ti)取(qu)向(xiang)(xiang)并(bing)不完全(quan)跟(gen)其熔(rong)(rong)(rong)體(ti)的(de)(de)(de)最大(da)散熱方(fang)向(xiang)(xiang)一致，其晶(jing)體(ti)的(de)(de)(de)生長(chang)取(qu)向(xiang)(xiang)也會受到激光輻照過程(cheng)中的(de)(de)(de)強對(dui)流攪(jiao)拌的(de)(de)(de)干擾。

（2）如圖3-5所(suo)示為激光熔(rong)凝(ning)(ning)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)部(bu)(bu)(bu)顯(xian)微組(zu)織(zhi)，從圖可(ke)知該區域(yu)主(zhu)要為樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)，且樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)向(xiang)(xiang)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長占(zhan)了主(zhu)導地位。受晶(jing)(jing)(jing)體生(sheng)長擇(ze)優取向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，以及在熱(re)(re)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)控制作用下，若晶(jing)(jing)(jing)體取向(xiang)(xiang)與熱(re)(re)流(liu)反方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)夾角較大時(shi)(shi)，其(qi)生(sheng)長受到抑(yi)制；若晶(jing)(jing)(jing)體取向(xiang)(xiang)與熱(re)(re)流(liu)反方(fang)向(xiang)(xiang)相同或(huo)接近時(shi)(shi)，則能擇(ze)優生(sheng)長。熔(rong)凝(ning)(ning)層(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)部(bu)(bu)(bu)區域(yu)，具(ju)有(you)更快的(de)(de)(de)(de)(de)(de)冷(leng)卻(que)速(su)度(du)，并且該區域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)梯(ti)度(du)比熔(rong)凝(ning)(ning)層(ceng)底部(bu)(bu)(bu)更小。同時(shi)(shi)，激光攪拌使熔(rong)池內的(de)(de)(de)(de)(de)(de)金屬產(chan)生(sheng)強(qiang)烈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)對流(liu)，樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)邊緣遭到破碎，其(qi)碎片又可(ke)以為新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)形(xing)成提供晶(jing)(jing)(jing)核(he)，造成大量晶(jing)(jing)(jing)核(he)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)成。結晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)核(he)率(lv)(lv)增加，生(sheng)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)更多(duo)，形(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)就(jiu)更加細(xi)小了。又較大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)側枝(zhi)(zhi)成分(fen)過冷(leng)度(du)和較小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)主(zhu)干端部(bu)(bu)(bu)曲率(lv)(lv)半徑(jing)，均(jun)有(you)利于(yu)二次分(fen)枝(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)長，四周(zhou)伸(shen)出了二次橫枝(zhi)(zhi)，所(suo)以樹枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)變(bian)得細(xi)小。熔(rong)池內隨著離(li)(li)熔(rong)池底部(bu)(bu)(bu)距離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加，冷(leng)卻(que)速(su)度(du)增快，枝(zhi)(zhi)晶(jing)(jing)(jing)生(sheng)長速(su)度(du)變(bian)快，結合式3-1分(fen)析可知(zhi)，枝(zhi)晶間距(ju)會逐漸變(bian)小。故此，經(jing)多方面分(fen)析與討論可以得出熔(rong)凝(ning)層中央區(qu)域的組(zu)織要比熔(rong)凝(ning)層界(jie)面組(zu)織更為細密的結論。

（3）熔(rong)凝層上部的(de)細晶(jing)組織(zhi)形態主要為等軸(zhou)晶(jing)，如圖3-6所示(shi)。在熔池上部，快速冷卻凝固所釋放(fang)出的全部熱(re)量既可以借(jie)助304奧氏體不銹鋼基體的傳導，擴散(san)到外界而散(san)失，又可以(yi)直接(jie)通(tong)過冷(leng)卻介質(zhi)（分別為(wei)(wei)常溫(wen)空氣和(he)冰(bing)水）吸收而帶走(zou)。由于(yu)該區域有多(duo)種(zhong)散(san)熱的途(tu)徑，使(shi)得(de)溫(wen)度迅速(su)(su)下降，冷(leng)卻速(su)(su)度相對(dui)熔(rong)(rong)池(chi)其他部(bu)位(wei)更快(kuai)，極(ji)快(kuai)的冷(leng)卻速(su)(su)度，使(shi)得(de)該區域內形(xing)成極(ji)大的過冷(leng)度，液態金屬中(zhong)將(jiang)會生(sheng)成大量的晶(jing)核，結晶(jing)速(su)(su)率加(jia)快(kuai)，形(xing)成了更為(wei)(wei)細小(xiao)的等軸晶(jing)組(zu)織。由圖還可以(yi)分析得(de)知，由于(yu)激光的強烈攪拌(ban)作用，使(shi)得(de)難熔(rong)(rong)的懸浮質(zhi)點上(shang)浮至(zhi)熔(rong)(rong)池(chi)上(shang)部(bu)，其可以(yi)作為(wei)(wei)新(xin)晶(jing)粒形(xing)成所(suo)需(xu)的晶(jing)核，所(suo)以(yi)會在熔(rong)(rong)凝(ning)(ning)(ning)層上(shang)部(bu)產生(sheng)以(yi)其為(wei)(wei)核心的非勻(yun)質(zhi)形(xing)核和(he)長(chang)大，生(sheng)長(chang)的晶(jing)核沿著自(zi)由表面。熔(rong)(rong)凝(ning)(ning)(ning)層上(shang)部(bu)的凝(ning)(ning)(ning)固組(zu)織中(zhong)，還有是由熔(rong)(rong)凝(ning)(ning)(ning)層中(zhong)部(bu)的結晶(jing)組(zu)織繼續向(xiang)上(shang)生(sheng)長(chang)的。

從以上圖可(ke)知，基材的晶(jing)粒(li)尺寸相對較(jiao)粗大，而經處(chu)理的熔凝(ning)層(ceng)組(zu)織(zhi)(zhi)均得到高(gao)(gao)度(du)細化，且(qie)利用冰水(shui)快(kuai)速冷卻熔凝(ning)層(ceng)獲(huo)得的晶(jing)粒(li)更為細小，組(zu)織(zhi)(zhi)更為致密。由于兩種不同處(chu)理均是一(yi)個驟熱(re)驟冷的過程(cheng)，尤(you)其是加以冰水(shui)快(kuai)速冷卻裝(zhuang)置(zhi)來進一(yi)步提高(gao)(gao)熔池(chi)凝(ning)固速度(du)的這(zhe)(zhe)一(yi)處(chu)理方式。對于這(zhe)(zhe)樣的急熱(re)急冷后(hou)(hou)，凝(ning)固所得到的高(gao)(gao)度(du)細化組(zu)織(zhi)(zhi)在一(yi)定時間(jian)內可(ke)能(neng)會不穩定，其晶(jing)粒(li)尺寸會出(chu)現(xian)少(shao)許反彈現(xian)象(xiang)。為了(le)測出(chu)試(shi)驗(yan)后(hou)(hou)組(zu)織(zhi)(zhi)處(chu)于穩定時期(qi)的晶(jing)粒(li)度(du)最精確數值(zhi)，測量晶(jing)粒(li)度(du)是在熔凝(ning)試(shi)驗(yan)后(hou)(hou)若干天才進行的，對其晶(jing)粒(li)尺寸采用SISC IAS V12.0金(jin)相圖像分(fen)析軟(ruan)件進行分(fen)析計(ji)算(suan)，間隔不定(ding)時間測量數(shu)(shu)次得出其數(shu)(shu)據。表3-1為未處理(li)304奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)和不(bu)同處理(li)方(fang)式下(xia)最終熔凝層(ceng)的平均晶(jing)粒尺寸。