304不銹鋼管激光熔凝層顯微硬度分析

 金屬材料抵抗塑性變形、彈性變形的能力可用硬度予以表示，是材料使用性能的一個很重要的參考標準。由于單道激光表面熔凝處理所形成的改性層宏觀尺寸較小，因而顯微硬度就成為衡量激光熔凝層性能的一項重要指標之一。下面通過采用不同的激光熔凝工藝獲得不同的硬化層，對其顯微硬度進行對比分析，評價出相應工藝參數下強化層硬度的優良狀況，從而研究并推測出提高熔凝層顯微硬度的最優匹配參數。本次在選作為硬度測試的熔凝試樣時，考慮到當激光功率過大，304不銹鋼管出現了燒損很嚴重，甚至表層被汽化的現象，這將失去對其測試的意義；當激光功率較小，形成的熔凝層深度又不夠，將測試的區域很窄，獲得的熔凝層顯微硬度信息顯然不夠。鑒于以上原因，選作硬度測試的試樣所用到的激光熔凝工藝參數分別為。熔凝層所用的冷卻方式分為：常溫空氣冷卻和冰水快速冷卻兩種。

一、常溫空氣冷卻下熔凝層顯微硬度

  在常溫空氣冷卻條件下經四種不同的激光熔凝工藝參數所處理的試樣，其表層顯微硬度數據分布情況如圖所示。從圖可看出，四種試樣表層所測得的顯微硬度值當中均沒發現有跳躍幅度很大、異常的數據點。由此可知，在常溫空氣冷卻條件下獲得的激光熔凝層，其內部不存在雜質等缺陷，各區域組織的顯微硬度值較平穩。對所測試的部位全部數據點進行觀察發現，其整體分布均趨近于相應的某條曲線，不存在散亂現象，反而呈現有明顯的梯度分布特征，從熔凝層亞表層到基體顯微硬度逐漸降低，這樣的分布特征由熔凝層最終凝固的組織分布特點決定。由圖還可以看出，試驗所用的304不銹鋼管材料的顯微硬度為165HV0.2左右，經激光表面熔凝處理后，熔凝層顯微硬度相對于基體均有明顯的提高，且隨著激光掃描速度的增加，熔凝層的顯微硬度有上升的趨勢。

 將試驗所測試得到的四種試樣表層顯微硬度數據點，經整理后用軟件Origin8.0均繪制成擬合曲線，并在同一個平面坐標系顯示出來，便于對比分析。由圖可以得知，四條擬合曲線都是先陡升至最高點，然后緩慢下降，直至過渡到熱影響區，硬度值通過熱影響區過渡后出現陡降趨勢，直到304奧氏體不銹鋼基體時硬度將為最低，最后硬度趨于穩定狀態。這主要是由于激光快速熔凝時，基材升溫熔化極快和隨后的熔池冷卻速度極高，且熔池各區域的冷卻凝固速度不一樣，造成其內部存在明顯的溫度梯度，且受到液固界面前沿溶質非平衡分配規律的影響。又熱影響區為過渡區，只有部分固態金屬發生熔化，熔化的液態金屬在未熔化的固態組織上形核結晶，形成的界面不平整，雖然晶粒相對基體是要細小，但相對熔凝層的較粗大。故各區域形成的組織不一樣，使得硬化層各部位的顯微硬度也就有區別。從圖還可以看出，顯微硬度的最高值并沒有出現在最表面，這是主要由于在常溫空氣冷卻條件下，304奧氏體不銹鋼表面在高能激光束的輻照下，使其最表面碳及合金元素均不可避免的會出現不同程度的燒損，導致最表面硬度偏低。所以熔凝層最大顯微硬度均出現在其亞表層，但隨著激光掃描速度的增加，最大顯微硬度的部位就越靠近熔凝層的表面，這是因為前面已研究了當激光功率和光斑尺寸一定時，隨著激光掃描速度的遞增，熔凝層的宏觀尺寸變小了，故主要是由變淺的熔凝層所致。從圖中也可以發現曲線的波峰隨激光掃描速度的提高均有向左移的趨勢，且曲線的波峰向左偏離量最大，升至最高點的速度最快，即曲線中上升的曲線段最陡。且隨著激光掃描速度的提高，過渡到熱影響區的顯微硬度也下降得越快。

 經激光熔凝處理后304不銹鋼管材料的硬度均得到顯著的提高。這是因為激光快速加熱，使得304不銹鋼管在極短的時間內熔化，隨后又有優越的散熱冷卻條件，形成了極快的冷卻凝固速度，從而可以使得304不銹鋼管晶粒得到顯著細化，主要產生了細晶強化的效果。并且比較可知，隨著激光掃描速度的提高，因產生更為致密的組織，細晶強化作用隨之增強，所以熔凝層顯微硬度也得到不同程度地增加，但增幅逐漸變小。激光掃描速度為時的熔凝層平均顯微硬度處于最大，其峰值硬度較基體層約提高了156HV0.2，而平均硬度較低的曲線峰值顯微硬度也有285HV0.2，這相對基體硬度提高了72.73%左右。從試驗的結果可以得知：在常溫空氣冷卻條件下，激光表面熔凝處理可以有效地提高304不銹鋼管的硬度，從而對延長304不銹鋼管的使用壽命有很大的幫助，其強化效果是常規熱處理無法比擬的。并且在相同的其他條件下，隨著激光掃描速度的增加，熔凝層的顯微硬度也隨之持續提高，這主要歸因于不同的激光熔凝工藝參數下晶粒細化程度不同，結構、成分的均勻化程度不同等因素綜合造成的，其熔凝層的性能改變也主要是靠這些因素來提高，因為選用的基材組織為奧氏體，激光熔凝過程中沒有相變發生。

二、各部位的顯微硬度也就有區別

  從圖還可以看出，顯微硬度的最高值并沒有出現在最表面，這是主要由于在常溫空氣冷卻條件下，304不銹鋼管表面在高能激光束的輻照下，使其最表面碳及合金元素均不可避免的會出現不同程度的燒損，導致最表面硬度偏低。所以熔凝層最大顯微硬度均出現在其亞表層，但隨著激光掃描速度的增加，最大顯微硬度的部位就越靠近熔凝層的表面，這是因為前面已研究了當激光功率和光斑尺寸一定時，隨著激光掃描速度的遞增，熔凝層的宏觀尺寸變小了，故主要是由變淺的熔凝層所致。從圖中也可以發現曲線的波峰隨激光掃描速度的提高均有向左移的趨勢，且曲線④的波峰向左偏離量最大，升至最高點的速度最快，即曲線中上升的曲線段最陡。且隨著激光掃描速度的提高，過渡到熱影響區的顯微硬度也下降得越快。

  經激光熔凝處理后304不銹鋼管的硬度均得到顯著的提高。這是因為激光快速加熱，使得304不銹鋼管在極短的時間內熔化，隨后又有優越的散熱冷卻條件，形成了極快的冷卻凝固速度，從而可以使得304不銹鋼管晶粒得到顯著細化，主要產生了細晶強化的效果。并且比較可知，隨著激光掃描速度的提高，因產生更為致密的組織，細晶強化作用隨之增強，所以熔凝層顯微硬度也得到不同程度地增加，但增幅逐漸變小。激光掃描速度為時的熔凝層平均顯微硬度處于最大，其峰值硬度較基體層約提高了156HV0.2，而平均硬度較低的曲線峰值顯微硬度也有285HV0.2，這相對基體硬度提高了72.73%左右。

 從試驗的結果可以得知：在常溫空氣冷卻條件下，激光表面熔凝處理可以有效地提高304不銹鋼管的硬度，從而對延長304不銹鋼管的使用壽命有很大的幫助，其強化效果是常規熱處理無法比擬的。并且在相同的其他條件下，隨著激光掃描速度的增加，熔凝層的顯微硬度也隨之持續提高，這主要歸因于不同的激光熔凝工藝參數下晶粒細化程度不同，結構、成分的均勻化程度不同等因素綜合造成的，其熔凝層的性能改變也主要是靠這些因素來提高，因為選用的基材組織為奧氏體，激光熔凝過程中沒有相變發生。