首页
联系我们

电子档案

回上页

科学新讯

第 10 卷 - 2022 年 6 月刊
低合金钢上的激光熔覆：界面和热影响区
表1: HSAS4140基材和In625和SS431粉末原料的化学成分，以及在LC沉积中使用的粉末原料的粒径分布

表1: HSAS4140基材和In625和SS431粉末原料的化学成分，以及在LC沉积中使用的粉末原料的粒径分布

图1：由Dura-Metal (S) Pte Ltd.提供的In625和SS431的LC沉积涂层的照片(a)加厚的In625涂层，(b)研磨的In625涂层，(c)加厚的SS431涂层，和(d)研磨的SS431涂层

图1：由Dura-Metal (S) Pte Ltd.提供的In625和SS431的LC沉积涂层的照片(a)加厚的In625涂层，(b)研磨的In625涂层，(c)加厚的SS431涂层，和(d)研磨的SS431涂层

图2：(a)和(b)分别是通过XRF测量的LC-In625/HSAS4140和LC-SS431/HSAS4140的界面成分。(c)和(d)照片显示了涂层的界面、HAZ和层间边界。插图显示了整个界面铬成分的分布

图2：(a)和(b)分别是通过XRF测量的LC-In625/HSAS4140和LC-SS431/HSAS4140的界面成分。(c)和(d)照片显示了涂层的界面、HAZ和层间边界。插图显示了整个界面铬成分的分布

图3：通过纳米压痕法测量HSAS4140基材上LC-SS431涂层界面的硬度。插图是纳米压痕法测量后拍摄的截面显微照片

图3：通过纳米压痕法测量HSAS4140基材上LC-SS431涂层界面的硬度。插图是纳米压痕法测量后拍摄的截面显微照片

图4：在HSAS4140上的LC-In625的横截面上用步进式薄膜仪测量的表面高度，显示了用15毫升HCl(37%)、10毫升HNO3(70%)和10毫升CH3COOH(30%)的混合酸进行化学蚀刻5分钟后的材料去除。插图是蚀刻后拍摄的显微照片，虚线表示高度测量的位置

图4：在HSAS4140上的LC-In625的横截面上用步进式薄膜仪测量的表面高度，显示了用15毫升HCl(37%)、10毫升HNO3(70%)和10毫升CH3COOH(30%)的混合酸进行化学蚀刻5分钟后的材料去除。插图是蚀刻后拍摄的显微照片，虚线表示高度测量的位置

简介

激光熔覆(LC)是用于降低金属部件的增材制造成本的直接能量沉积(DED)方法之一。从应用的角度来看，它可以应用于均质沉积，即沉积与工件相同的合金，例如，修复损坏的涡轮叶片。它也可以应用于在低合金上异质沉积高合金以获得保护性涂层。最近的报告显示，用LC修复单个英科乃尔鎳合金713和不锈钢SS321涡轮机叶片以替换新的叶片，可以分别节省75%和65%以上的成本。在显著的成本效益的驱动下，LC技术已经引起了越来越多的研究兴趣[1]。无孔和无裂纹的LC合金，如镍基超耐热合金，正在做进入实际应用的准备。
与传统的电弧焊接不同，LC是用激光作为加热源，熔化送入熔池(MP)的粉末和/或线源材料，并将它们熔入工件的表面。与电弧焊相比，激光加热使熔池附近区域的温度变化更快。因此，当激光焊接参数不合适时，凝固后的MP中心经常会出现裂纹。最新研究表明，由于钛反应活性高，钛合金的LC参数比镍基和铁基合金的参数更关键，特别是在开放环境下加工时，即使在氩气保护下也可能发生氧化反应。
随着LC的发展，LC对基材或沉积合金的影响，特别是在近界面区域，也引起了研究兴趣。例如，为了中断外延晶粒从沉积层到其下一层的生长，已经在LC沉积的各个钛-合金层之后，引入了机器锤击的方法[2]。这样的间歇性冷加工工序倾向于将β-晶粒的外延从几厘米减少到1~2毫米，也因此可能会改善钛-合金的疲劳寿命。LC沉积的钛-合金的抗拉强度也因加入了层间冷加工而得到改善。与均质沉积相比，在处理异质LC沉积时，例如低合金钢基材上的保护层，LC对基材诱发的热影响区(HAZ)的影响变得更加重要。
我们最近研究了镍基和铁基高合金，即In625超级合金和SS431，在高强度低合金钢(HSAS4140)基材上的LC沉积，以用于腐蚀保护。前者通常用于高温应用[3-4]，如焚烧厂的水冷壁，而后者在室温下有广泛的应用，包括化工、石化、石油和天然气行业，以及一般城市基础设施，如地下管道和钢筋结构等。在使用相同参数的LC-In625和LC-SS431工序中，在HSAS4140基材上已经观察到了不同厚度的HAZ。在这里，我们简要更新一下LC诱导的界面和HAZ的形态、结构和机械特征，解决它们在保护涂层中的重要性。

材料和方法

HSAS4140基材和In625和SS431原料粉末的化学成分已总结在表1中。粉末原料的粒径分布也在比较中列出。

将基材的表面(60毫米X60毫米，20毫米厚的方形板)抛光，然后在LC沉积之前用丙酮擦拭干净。对于SS431的沉积，基板的曲面也被用于加工曲率半径为6-20mm的凹槽。在这种情况下，LC是沿着凹槽的长度方向加工的。LDM 4000-100激光器被用作能量源，它由λ=1000纳米、数值孔径为0.2的光纤引导通过光学窗口。在OTZ-5(Laserline)的光学设置中使用了Coax-8喷嘴。激光束沿着基材的表面法线方向排列，表面上的光斑直径为4.0毫米。熔覆头被固定在一个六轴机器人平台上。源粉由纯氩气(99.995%)携带，并通过AT-1210(Thermach)送粉器送入。在LC工艺中，纯氩气也被用作屏蔽气体。In625和SS431沉积的LC参数是相同的；包括2200W的激光功率，1200mm/min的熔覆速度和30g/min的进粉率。
通过使用光学显微镜、X射线荧光(XRF)和纳米压痕法技术，研究了LC沉积涂层的形态、结构和机械性能，特别是在HSAS基材诱发的HAZ。这些与化学蚀刻和横截面上的材料去除一起，为证明HAZ可能形成痛点，在LC沉积保护涂层中应特别处理，提供了证据。

结果和讨论

图1(a)和1(b)分别展示了LC-In625涂层研磨前和研磨后拍摄的典型照片。同样地，LC-SS431涂层的照片展示在图1(c)和1(d)中。一般的可视化显示，两种涂层都没有任何结构性缺陷，如裂缝、空隙等。在LC沉积的In625和SS431涂层内没有结构性缺陷，这一点也通过采用可见染料渗透测试得到了证实。

图2(a)和2(b)显示了分别从LC-In625/HSAS4140和LC-SS431/HSAS4140界面的横截面上用XRF测量的成分分布。同样，拍摄的横截面照片也分别展示在图2(c)和2(d)中。横截面与LC扫描轨道的纵向垂直，清楚地显示了界面、界面附近基材的HAZ以及LC沉积涂层的层间边界。LC-In625/HSAS4140和LC-SS431/HSAS4140之间的形态比较表明：(i)涂层有明显的MPs，In625的MPs比SS431的MPs更窄更厚；(ii)基材的表面熔化发生在LC-In625中[见图2(c)中的箭头]，而不是在LC-SS431沉积中；和(iii)在HSAS4140基材中由LC-In625沉积引起的HAZ比由LC-SS431沉积引起的更厚。这些观察结果表明，在In625的LC沉积过程中，最高温度比SS431的要高。最可能的原因可能是SS431的热导率(~20 Wm-1K-1)高于In625(~9.8 Wm-1K-1)。另一个原因与MP的形状有关。SS431的MPs比In625的MPs更宽更薄，这导致了与基材更大的接触面积，因此散热效率更高

图2(a)中的成分分布显示了在In625的LC沉积中存在明显的基材稀释，其中铁深深地扩散到第一层的MPs中。相比之下，在SS431的LC沉积中，基材稀释是很小的[见图2(b)]。这种差别与在LC沉积过程中In625 MPs的温度高于SS431 MPs的温度相一致。图2(b)的插图显示了HSAS4140上LC-In625和LC-SS431涂层界面上铬成分更详细的比较。HSAS4140上的LC-In625的界面区域显然比HSAS4140上的LC-SS431的界面区域更宽，这进一步证明了在LC沉积过程中，In625的MPs比SS431的MPs温度更高。

图3显示了在LC-SS431涂层和HSAS4140基材之间的界面上用纳米压痕法测量的硬度。插图是纳米压痕法测量后拍摄的显微照片。我们可以看到，SS431涂层在界面附近区域的硬度，即~7.0GPa，明显高于HSAS4140基础材料的硬度，即~3.6GPa。还可以看到，HAZ中的硬度明显增加，而且这种增加是不均匀的，是与界面的距离相关的函数。由于XRF测量显示了HAZ中不可区分的成分变化，硬度增加可归因于微观结构的变化，例如，晶粒生长、非回火马氏体和碳化物沉淀。当暴露在腐蚀性环境中时，这些微观结构往往会促进腐蚀、氢脆和开裂，因此应尽量减少HAZ中的微观结构，例如，通过后LC处理[5]。

图4显示了在15毫升HCl(37%)、10毫升HNO3(70%)和10毫升CH3COOH(30%)的混合物中化学蚀刻5分钟后，在HSAS4140基材上的LC-In625涂层的横截面上测量的表面高度。与HSAS4140基材的基础材料相比，HAZ的材料去除量增加，这证实了HAZ的性能下降。高度剖面也验证了HAZ的厚度，连同图2(a)所示的化学成分，证实了HAZ化学蚀刻率的增加主要是由于微结构的变化。

结论

In625和SS431涂层已经通过LC在HSAS4140基材上分别以相同的参数进行了沉积。整个涂层/基材界面的形态、结构和元素特征显示，在In625涂层的MPs中达到的最高温度高于SS431涂层，很可能是由于In625的热导率低于SS431。SS431涂层的MPs比In625涂层的MPs更宽更薄，这也可以促进散热。因此导致了，在In625而不是SS431的LC沉积过程中，基材的表面熔化与基材稀释同时发生。与LC-SS431沉积相比，LC-In625在基材上引起的HAZ更厚。对界面和HAZ横截面的硬度测量和化学蚀刻测试为证明微观结构的变化提供了证据，如晶粒生长、非回火马氏体和碳化物沉淀，倾向于促进化学腐蚀。它们应该在LC工艺过程中得到缓解，或者通过后LC处理将HAZ中的腐蚀降到最低，以改善保护涂层。

鸣谢

这项工作通过金属结构合金项目(SMAP，批准号：A18B1b0061)，得到了A*STAR RIE2020先进制造和工程(AME)项目的支持。作者还要感谢Dura-Metal (S)Pte. Ltd.公司的Roy Lim和T. F. Wang提供技术支持。
参考文献
[1] H. Liu, et al., “Advanced surface engineering and protective coating” in Proceedings of the second International Conference on Advanced Surface Enhancement (INCASE 2021), Singapore, Y. Wei; S. Chng, Eds.Springer Singapore: Singapore, 2021; pp 138-141.
[2] L. Neto, et al., “Mechanical properties enhancement of additive manufactured Ti-6Al-4V by machine hammer peening” in Proceedings of the first International Conference on Advanced Surface Enhancement (INCASE 2019), Singapore, Itoh, S.; Shukla, S., Eds.Springer Singapore: Singapore, 2019; pp 121-132.
[3] H. Liu, et al., “Laser-cladding and interface evolutions of inconel 625 alloy on low alloy steel substrate upon heat and chemical treatments” Surf.Coat.Technol.Vol. 404, pp. 126606, 2020.
[4] H. Liu, et al., “Hot corrosion and internal spallation of laser-cladded inconel 625 superalloy coatings in molten sulfate salts” Corros.Sci.Vol. 193, pp. 109869, 2021. 
[5] C.C.Silva, et al., “Evaluation of AISI 4140 steel repair without post-weld heat treatment.J. Mater.Eng. Perform.Vol. 18, pp. 324-331, 2009.

Senior Scientist, Group Leader
邮箱：liuhf@imre.a-star.edu.sg

Senior Scientist, Department Head

Institute of Materials Research and
Engineering (IMRE), A*STAR
(Agency for Science, Technology and
Research), 2 Fusionopolis Way,
Singapore 138634, Singapore