本研究探讨了工艺参数对直接激光金属沉积法制备的梯度不锈钢316L和Inconel 718薄壁结构的影响。

关键词：激光沉积 包层 功能梯度

摘要

激光直接金属沉积（LDMD）已从原型技术发展为单一和多种金属制造技术。它提供了一个机会来生产梯度成分，在不同位置具有不同的元素组成、相和微观结构。在这项工作中，连续梯度不锈钢316L和Inconel 718薄壁结构的直接激光金属沉积工艺进行了探索。本文考虑了激光功率水平和粉末质量流率等工艺参数对SS316L和Inconel 718在钢-镍梯度结构沉积过程中的影响。

通过光学显微镜和X射线衍射技术进行微观结构表征和相识别。采用硬度、耐磨性和拉伸试验等方法对结构进行了机械试验。XRD结果表明，在沉积过程中形成了NbC和Fe2Nb相。确定并讨论了实验参数对微结构和物理性能的影响。研究表明，机械性能可以通过输入参数来控制，碳化物的生成为有选择地控制功能梯度材料的硬度和耐磨性提供了机会。

1.介绍

1984年，日本仙台地区的材料科学家提出了功能梯度材料（FGM）的概念，作为制备热障材料的一种手段。功能梯度材料是一类高级材料，其成分和微观结构从一侧到另一侧逐渐变化，导致性能发生相应变化。这些材料可设计用于特定功能和应用。此外，材料的梯度变化允许减少出现在两个不同相之间尖锐界面附近的应力集中。今天，FGM概念已扩展到世界各地的各个部门。功能梯度材料已在生物医学、汽车和航空航天、电子、光学和核应用、反应堆部件和能量转换等领域找到了自己的位置。

Ni含量在0.10 ~ 30wt % 7之间的TiC-Ni梯度材料的显微组织和元素分布

目前用于生产功能梯度材料的有几种技术，如模压、等离子喷涂、滑动铸造和粉末冶金。功能梯度涂层的制备一般采用模压成型和等离子喷涂，等离子喷涂制备的功能梯度材料涂层不致密。尽管粉末冶金可用于生产块状功能梯度材料，但由于使用模具进行压力辅助致密化，因此其形状和尺寸通常受到限制。

激光直接金属沉积（LDMD）工艺能够以近净形状制造复杂原型，从而节省时间和加工成本。通过该工艺沉积了多种金属和合金，例如H13、WC–Co等钢和钨铬钴合金。Jasim等人首次将激光沉积工艺应用于制造金属-陶瓷功能梯度材料。此后，许多研究人员应用这一概念，为各种应用构建了一系列功能梯度材料。Pei和De Hosson使用Nd:YAG激光器生产AlSi40功能梯度材料，而Thivillon等人分析了通过激光沉积技术制造钴基钨铬钴合金6和镍基超合金Inconel 625。Ouyang等人通过激光熔覆技术开发了一种WC–（NiSiB合金）金属陶瓷/工具钢功能梯度材料（FGM），用于高温摩擦学应用。Lin et al.研究了不锈钢成分梯度至Rene88DT期间的凝固行为和形态演变。

如图，首先，使用相同的铝基系统导致相似的热性能。其次，即使局部稀释程度很高，也可以为所期望的FGMs创造成分梯度。最后，初生Si颗粒可作为FGMs的硬增强体，凝固过程可控制其尺寸。这对于激光熔覆过程中FGMs的原位形成是非常重要的。采用喷雾雾化技术制备的粉末呈球形，粒径为50 ~ 125 μm。

镍和钢合金广泛应用于电力和核工业。由于在表面形成富铬的氧化膜，奥氏体不锈钢具有很高的耐腐蚀性。这可能在厚度上有所不同，并且在某些条件下也会发展为具有额外外层的双重层，但其良好的耐腐蚀性仍然存在。连接钢通常不是问题，因为奥氏体焊缝在使用条件下能够抵抗热裂纹、应力和严重冲击。镍铬合金Inconel 718合金适用于观察到高温且大气高度渗碳和氧化的应用。镍和不锈钢合金的特性使其适用于许多应用，例如核发电和炼油厂等条件存在的地方。然而，这两种合金通常仍然通过熔焊连接在一起，这可能导致对凝固裂纹的抵抗力较弱。为了克服开裂问题，合金的功能分级是一个可行的解决方案，但有许多工艺参数需要控制。

上图分别为950℃氧化128 h试样表面形成氧化鳞的截面形貌和为1000℃氧化140 h合金的形貌和元素再分布。

本研究探讨了工艺参数对直接激光金属沉积法制备的梯度不锈钢316L和Inconel 718薄壁结构的影响。研究的目的是确定工艺参数对显微组织、硬度和耐磨性的影响。虽然这两种材料已经分别进行了很好的研究，但这是一项以前从未使用这种组合进行过的调查。Wu等人的一篇早期论文对分级316L-Inconel718合金壁进行了硬度磨损和微观结构检查，但只考虑了在一组单一参数下建立的一种管壁。

LDMD中最有意义的参数通常是比能(定义为功率/(光束直径×穿越速度))，它给出了表面的能量密度，线质量(定义为粉末流动/穿越速度)，并给出了每条轨道单位长度的沉积可用材料的质量。本文以激光功率和粉末质量流量为主要工艺变量，测试了二者的影响。导线速度和其他“二次”工艺参数，如气体流动速度和基板完成和温度保持恒定。现有研究表明，这些参数的不同固定值可能会影响测量结果的绝对值，但不会影响确定的基本LDMD过程和趋势。

2. 实验的程序

激光沉积过程采用LaserlineLDL160-1500 1.5 kW二极管激光器。一个不锈钢316L衬底的位置，使梁正交于表面，尺寸为2.5 mm(快轴)× 3.5 mm(慢轴)在衬底处。实验前，将SS316L底物在Guyson喷砂机中喷砂，然后用乙醇脱脂。x轴和y轴(水平面)的运动由数控工作台控制。整个装置被保存在一个充满氩气的房间(手套箱)。FST PF-2/2圆盘式给粉器，包含两个容量为1.5 L的粉末罐，用于输送316L不锈钢粉末(颗粒直径50-120 μm)和Inconel 718粉末(颗粒直径53-150 μm)。不锈钢316L和铬镍铁合金718的化学成分分别为0.03% C、2.0% Mn、1.0% Si、16.0 ~ 18.0% Cr、10.0 ~ 14.0% Ni、2.0 ~ 3.0% Mo、60% Fe和0.042% C、18% Fe、19% Cr、0.5% Al、1% Ti、3% Mo、5% Nb和55% Ni。

首先将不锈钢316L和铬镍铁合金718粉末分别称重，然后根据所需的重量百分比用机械搅拌器搅拌30分钟。两种材料的分级是通过在SS316L衬底块上沉积3层重量为100 wt%的SS316L，然后每隔3层增加沉积混合物中Inconel718的重量百分比25%，同时降低SS316L粉末的重量百分比。粉末通过同轴喷嘴的氩气输送到熔体池。一个双通道的给粉器被使用，允许在沉积之前在喷嘴中混合粉末。喷嘴对准基板上激光束的中心，以4 mm/s的穿越速度与慢轴平行移动。实验中使用的工艺参数如表1所示。工艺参数的精确值是根据之前的实验设置经验选择的，它显示了一个操作窗口约42-80 J/mm2的比能量，以获得良好的质量轨道。

表1 实验工艺参数。

将制备好的壁样品横切，装入Struers环氧树脂并抛光至4000粒。所有样品均在10%的草酸中进行电解腐蚀，并用6v直流电势。采用光学显微技术研究了梯度微结构。采用x射线能谱分析(EDS)分析元素组成。对已建墙体的横截面进行了显微硬度测试。磨损测试使用Teer涂层(POD-2)销对盘磨损测试仪进行，在该测试仪中，样品通过与WC-Co球接触进行旋转磨损。

3.结果

3．1. 宏观结构和维度

所有参数组合形成薄壁连续结构。所有用于分析功率和粉末流速影响的样品都很好地附着在基材上，没有轨迹中断的迹象，而且结构良好。图1显示了功率为550 W、粉末质量流速为0.834 g/s时制备的分级壁的例子(样品6)。

图1 直接激光熔敷金属SS316L/铬镍铁合金718功能梯度6 (A) 100% SS 316L， (B) 75% SS 316L， (C) 50% SS 316L， (D) 25% SS 316L和(E) 0% SS 316L。

对轨道尺寸的分析表明，随着功率的增加，有明显的沉积量增大的趋势。层高和层宽随输送功率和粉末质量流量主要输入变量的变化如图2(a)和图b所示。

图2 (a)激光功率和粉末流速对平均层高的影响。(b)激光功率和粉末流速对平均层宽的影响。

低粉流沉积样品的平均层高范围为0.54 mm ~ 0.76 mm，而高粉流沉积样品的平均层高范围为0.63 mm ~ 0.84 mm，轨道高度随功率的增加而增加。轨道宽度也有类似的趋势，在低粉流沉积过程中，当功率为450 W时，平均层宽度最低，为1.31 mm;当功率为750 W时，平均层宽度为1.65 mm。在高粉流速率下，450 W时平均层宽最低为1.37mm, 750 W时平均层宽最高为1.68 mm。

对于所有的样品，层尺寸都受到可用激光功率的限制;然而，当激光功率增加到层高和层宽的临界值以上时，开始趋于稳定。这表明当激光功率增加到一个临界值以上时，没有足够的粉末来利用所有的激光功率，因此沉积从激光功率有限的区域移动到粉末有限区域。这解释了图2(a和b)中图表的扁平化。

３．２． 微观结构

多层壁之间具有良好的粘结性能。结果表明，在所有的残割组织中，柱状树枝状生长占优势。图3中的事例3说明了这是如何发生的。在横截面的边缘，可以观察到柱状到细胞树突状的生长转变，这些结构在所有部分的层边界上也普遍存在，如图4所示。

图3 样品3的横截面显示沿壁添加的铬镍铁合金718。

图4 在壁的侧面观察到等轴晶粒结构(此图像取自样本4)。

测量了所有样品每一层的二次枝晶臂间距(SDAS)，并取三层的平均值来代表在每个粉末组成处的沉积。块平均技术为0.632 g / s和0.834 g / s粉末流量沉积是图5所示(a和b)。为参数的范围,分析了技术从4.49μm 8.44μm流量测量低粉沉积,产生最高的技术性能与718年100%的铬镍铁合金粉末。对于高粉末流速沉积参数，SDAS范围为4.13 μm和7.76 μm。

图5 (a)低粉流率(0.632 g/s)时，从壁底到壁顶的平均SDAS变化。(b)高粉流速率下(0.834 g/s)壁底至壁顶的平均SDAS变化。

这一趋势表明随着粉流速率的增加，SDAS降低。这一效应可归因于增加的粉末质量流率导致更快的淬火，产生更细的树枝状结构所观察到。此外，SDAS随着建筑高度的增加而增加，这表明局部冷却速率也随着与基板的距离的增加而有所降低，而基板起到了散热器的作用。这是因为在构建方向上的平均热梯度随着距离基底的增加而减小。

不同粉末流量下制备的样品的微观特征除了二次枝晶臂间距（SDAS）外没有显著差异。

尽管在全壁沉积过程中产生了不同的熔池成分，但未观察到由壁中产生的热应力引起的液化裂纹或固态裂纹的迹象。奥氏体合金（如316L）和镍合金（如Inconel 718）的液化开裂敏感性随着晶粒尺寸的增加而显著增加，因此，上述精细微观结构可能对此提供了一些保护。

3.3.用X射线衍射技术进行相分析

图6（a–e）显示了样品8垂直于梯度方向的代表性壁截面的XRD图案。其余样本也获得了类似的模式。图6（a和b）显示，使用100%和75%的SS316L生产的结构完全是奥氏体，铁素体含量最低。它还表明微观结构缺乏任何清晰的方向。随着Inconel 718重量百分比的增加，形成由碳化铌（NbC）和Fe2Nb组成的新相，如图6（c–e）所示。

图6 (a-e)样品8沿SS 316L-Inco718梯度不同位置的XRD谱图。(a) 100% SS 316L， (b) 75% SS 316L， (c) 50% SS 316L， (d) 25% SS 316L和(e) 0% SS 316L。

3.4.拉伸试验

使用INSTRON 4507万能拉伸试验机（十字头速度为1 mm/s）在室温下平行于沉积或激光扫描方向进行拉伸试验。所有样品均按沉积状态进行测试，并计算每个样品的有效极限抗拉强度。拉伸试验后，使用日立S-3400N扫描电镜观察断口。

所有样品均因韧性断裂而失效，仅发生中等程度的变形。对于所有样品，断裂最初始于100%不锈钢316L侧，然后迅速扩展至100%铬镍铁合金718侧。图7显示了样品1的断裂面，作为所有样品的破坏面示例。

图7 试样1表面断裂，表面放大。

图8中绘制的极限抗拉强度数据与激光功率的对比总结显示了极限抗拉强度随激光功率降低的趋势。此外，拉伸强度似乎随着功率质量流量的增加而增加。发现低粉末流速沉积工艺的抗拉强度为526–573.5 MPa，而高粉末流速沉积工艺的抗拉强度介于531 MPa和596 MPa之间。拉伸强度的降低可以通过以下事实来解释：随着热输入的增加，晶粒尺寸变大，因此对施加荷载的阻力变小。

图8 有效极限抗拉强度随粉末流量的变化而变化。

3.5.硬度分布

对不同粉末质量流量和功率水平下产生的壁进行维氏显微硬度测量，沿着壁的高度从底部到顶部进行。结果绘制在图9中，作为基板层数的函数。图9（a）显示了硬度的近似抛物线分布，在高粉末流速沉积的情况下，最终层的最大测量硬度为186.1 HV0.1，第一层的最大测量硬度为168.1 HV0.1。

图9（a–d）不同功率和粉末质量流量下的硬度曲线。

在低粉末沉积过程中，底层和顶层的硬度值分别为155.6 HV0.1和179.3 HV0.1。对于其他三个功率级，测量了类似的分布，测量的震级也有变化。此外，在大多数情况下，高粉末流速沉积比低粉末流速沉积具有更高的硬度。图9（a–d）清楚地表明，在所研究的多层结构中，硬度最初降低，直到Inconel 718的重量百分比大约增加到50%。从这个百分比开始，观察到涂层硬度增加。

值得注意的是，所有样品顶层的硬度显著增加。这可以用最后一层没有被重新加热这一事实来解释，这与它下面的其他层不同。

3.6.磨损试验

所有样品壁均与316L基板分离，在壁中部纵向剖切，并安装在Teer涂层（POD-2）销盘式磨损试验机上。使用机器可用的软件计算特定磨损率。

图10显示了不同功率水平下三层恒定成分的平均比磨损率。在所有样品中，当成分从316L不锈钢变为Inconel 718时，平均比磨损率（MSWR）与硬度呈反比关系。在100%的前三层中，SS316L MSWR较低；然后，当在接下来的三层中添加Inconel 718时，其增加。在接下来的9层中添加更多Inconel 718后，MSWR降低。所有样本都注意到了这一趋势。功率水平越高，总MSWR越高。

图10 表示20 N载荷和30 mm/s滑动速度下不同功率沿梯度的比磨损率(a) 450 W， (b) 550 W， (c) 650 W和(d) 750 W。

4.讨论

通过改变激光功率和粉末流量，可以控制大功率半导体激光沉积微结构。研究发现，最小功率和最大粉末流速可产生最细的晶粒结构，但微观结构的这些变化是以牺牲层高度和宽度的变化为代价的。

随着功率的增加，晶粒细化程度降低，二次枝晶臂间距增大。冷却速度的降低意味着有足够的时间让小枝晶臂熔化和消失；因此，合金的二次枝晶臂间距增加。此外，凝固过程中冷却速度越慢，晶粒粗化的时间越长。

这种反应与Wu等人报告的钛合金和Griffith等人报告的奥氏体不锈钢相呼应，他们还发现低功率下的高冷却速率会产生细晶粒结构。

还注意到，SDA随着构建高度的增加而增加，这表明局部凝固时间随着与作为散热器的基板的距离的增加而有所增加。凝固时间的增加是由于平均冷却速度随距离基板的距离而降低。这是因为在构建方向上的平均热梯度随着与基板的距离增加而减小。

对不同操作条件下产生的梯度结构拉伸强度的分析表明，拉伸强度与激光功率成反比关系。这是由于上面讨论的相同因素造成的，除了此处的冷却速率和热梯度因功率输入的增加而降低，而不是散热片特性的变化。

值得注意的是，样品中的硬度分布遵循近似的抛物线曲线，这与传统的单材料沉积不同，在传统的单材料沉积中，当从基板开始垂直测量时，样品的硬度通常会降低。这可以通过XRD图谱来解释，XRD图谱表明，当Inconel 718百分比增加时，存在NbC和Fe2Nb。根据Fujita等人的说法，NbC和Fe2Nb提高了材料的强度，因此，当添加更多的Inconel 718且存在更多的Nb以形成NbC时，硬度将增加。

激光沉积SS316L和Inconel 718梯度壁的磨损率与硬度呈反比关系。铌目前用于改性不锈钢，以获得抗热疲劳性、高温强度和耐腐蚀性的良好组合，例如在汽车排气系统中。众所周知，通过用较硬的相强化软相可以获得耐磨材料，并且激光沉积样品中硬质碳化铌（NbC）和Fe2Nb的存在不仅提高了它们的硬度，而且提高了它们的耐磨性。这种功能分级技术提供了一种根据最终用户的具体需求设计硬度和耐磨性的方法。

5.结论

为了能够使用二极管激光沉积工艺制造新型的316L不锈钢和Inconel 718不锈钢梯度结构，开展了一系列参数研究，以研究激光功率和粉末质量流量的影响。

高分辨率光学和扫描电子显微镜、XRD、拉伸测试、显微硬度测试和磨损率测试已用于分析由这些材料制成的功能梯度壁。

从产生的结果可以得出以下结论：

• 采用激光沉积工艺对SS316L和Inconel 718进行功能分级是一种可行的制造方法。

• 二次枝晶臂间距（SDAS）强烈依赖于功率和粉末质量流量。

• 功能部件的抗拉强度与激光功率成反比，并随粉末质量流量的增加而增加。

• 在较高的铬镍铁合金比例下生成类似碳化物的NbC为选择性控制功能材料的硬度和耐磨性创造了机会。

• 梯度结构可用于已知加载条件详情的应用，在这种情况下，微观结构和性能可设计为最适合组件每个部分的加载。

来源：Parametric study of development of Inconel-steel functionally gradedmaterials by laser direct metal deposition，Materials &Design (1980-2015)，doi.org/10.1016/j.matdes.2013.08.079

参考文献：M. Koizumi，FGM activities in Japan，Compos Part B: Eng,28 (1997), pp. 1-4，W. Liu, J.N. DuPont，Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by laserengineered net shaping，scripta Mater, 48 (2003), p. 1337