304不锈钢激光熔凝组织分析

熔凝层的宏观形貌特征

图3-2为在两种不同的冷却条件（常温空气冷却和冰水快速冷却）下，激光熔凝304奥氏体不锈钢典型的熔凝层横截面形貌图。所选用的激光熔凝参数：激光功率为3600W，扫描速度为1000mm/min。不同的激光熔凝工艺参数对于表征熔凝层宏观质量的两个重要参数（熔凝层深度H和熔凝层宽度W）而言，会有明显的差异。采用微米标尺测量熔深和熔宽，测得常温空气冷却下的熔凝层深为0.58mm，宽度为3.58mm；冰水快速冷却下的熔凝层深为0.55mm，宽度为3.56mm。可以看出，前者处理方式比后者获得的熔深、熔宽数值均略大。易知，冰水冷却速度之快，冷却效果要优于常规空气，由此分析可知，其中可能原因之一是激光辐照能量当中有极其小部分能量直接被冷却速度快的冰水冷却介质所吸收，而未能被利用发挥其作用。

从图3-2可以看出，激光熔凝层的横截面呈类似月牙形，根据Juan de Damborenea的数学模型，激光束为高斯热源，如图3-3所示，能量分布不均匀，熔池越靠近激光束边缘位置，获得的能量越低，其熔化深度也就越浅，而光束中心的能量最高，所以其熔池中央最深。

从图3-2还可观察到，两种不同处理方式下的激光熔凝层与基体结合均良好，没有出现气孔、夹杂和明显的裂纹等不良现象。由于304不锈钢是奥氏体态，经激光熔凝处理后，凝固至室温的过程中将不会发生固态相变，根据温度的分布状况，因此经激光熔凝处理的区域，从表至里就只分为熔凝区（MZ）、热影响区（HAZ）两个区域，各个区域没有严格的分界线。这两个区域对材料的性能改变产生极其重要的作用。区域内的组织结构发生了显著的变化，组织细小，均匀致密，较基体极大地被细化。这主要是因为激光熔凝使304奥氏体不锈钢的熔化与凝固都在极短的时间内就完成，高速冷却形成了极大的过冷度，可以显著提高结晶形核率。辅以冰水快速冷却装置进一步提高冷却速度时，获得的组织比常规激光熔凝处理的还要细密。故此，说明人为地继续提高冷却速度，组织还能进一步被细化。

熔凝层的微观组织结构

高能激光束辐照304奥氏体不锈钢时，其表层在极短的时间内被加热至熔化，再分别通过用常温空气冷却和冰水快速冷却熔凝层，加热区域瞬间被冷却至凝固，使得熔凝区的金属形核后来不及长大，最终熔凝区的晶粒相对于基体明显细化。为了说明激光表面熔凝处理对304奥氏体不锈钢横截面微观组织的影响，下面分别以两种不同的冷却形式对比研究分析304奥氏体不锈钢的微观组织变化情况。设定激光功率为3600W，扫描速度为1000mm/min。

在显微镜的深入观察下可以发现，经常温空气冷却熔凝层和冰水快速冷却熔凝层的两种不同处理方式，熔池凝固结晶之后的基本组织形态都是相似的，且均呈现出与基材完全不同的形态，微观组织又均表现出致密而均匀的特性，但组织得到的细化程度，两者会有所不同。又有由于同一熔凝层的不同部位，其冷却速度和形核率不同，因此距熔凝层表面越近，其晶粒就越细小。且在同一熔池的不同位置其凝固组织形态可具有明显的差异，熔凝层的横截面表现为组织梯度现象，这主要与熔池中不同部位的冷却结晶条件有关。故此，下面沿熔凝层层深的变化，大致分为熔凝层界面、熔凝层中部和熔凝层上部的三个部位组织分别进行分析与讨论。

（1）结合晶体生长理论可知，熔池中的液态金属开始凝固结晶时，首先是从靠近接触熔池的基材处联生长大。图3-4显示的是激光熔凝层与基体交界处的显微组织。从图可以看出，熔凝层底部边界是椭球形曲面，晶体是以未熔化的基材晶粒表面为生长表面，在此表面上开始形核和核长大，界面处形成的主要为平面状结晶。在熔凝层界面后方是相对处于冷态的基体，其吸收传导了凝固所释放的大量热量，使界面缓慢地向前推移，于是平面晶得到了发展。从图还可以看出，在熔凝层底部附近，因晶核的成长趋势在各个方向上差别不大，所以出现有胞状晶。晶体取向并不完全跟其熔体的最大散热方向一致，其晶体的生长取向也会受到激光辐照过程中的强对流搅拌的干扰。

（2）如图3-5所示为激光熔凝层的中部显微组织，从图可知该区域主要为树枝晶，且树枝晶向上的生长占了主导地位。受晶体生长择优取向的影响，以及在热流的控制作用下，若晶体取向与热流反方向的夹角较大时，其生长受到抑制；若晶体取向与热流反方向相同或接近时，则能择优生长。熔凝层的中部区域，具有更快的冷却速度，并且该区域的温度梯度比熔凝层底部更小。同时，激光搅拌使熔池内的金属产生强烈的对流，树枝晶的边缘遭到破碎，其碎片又可以为新的树枝晶形成提供晶核，造成大量晶核的形成。结晶的形核率增加，生成的晶粒更多，形成的晶粒就更加细小了。又较大的树枝晶侧枝成分过冷度和较小的树枝晶主干端部曲率半径，均有利于二次分枝的生长，四周伸出了二次横枝，所以树枝晶变得细小。熔池内随着离熔池底部距离的增加，冷却速度增快，枝晶生长速度变快，结合式3-1分析可知，枝晶间距会逐渐变小。故此，经多方面分析与讨论可以得出熔凝层中央区域的组织要比熔凝层界面组织更为细密的结论。

（3）熔凝层上部的细晶组织形态主要为等轴晶，如图3-6所示。在熔池上部，快速冷却凝固所释放出的全部热量既可以借助304奥氏体不锈钢基体的传导，扩散到外界而散失，又可以直接通过冷却介质（分别为常温空气和冰水）吸收而带走。由于该区域有多种散热的途径，使得温度迅速下降，冷却速度相对熔池其他部位更快，极快的冷却速度，使得该区域内形成极大的过冷度，液态金属中将会生成大量的晶核，结晶速率加快，形成了更为细小的等轴晶组织。由图还可以分析得知，由于激光的强烈搅拌作用，使得难熔的悬浮质点上浮至熔池上部，其可以作为新晶粒形成所需的晶核，所以会在熔凝层上部产生以其为核心的非匀质形核和长大，生长的晶核沿着自由表面。熔凝层上部的凝固组织中，还有是由熔凝层中部的结晶组织继续向上生长的。

从以上图可知，基材的晶粒尺寸相对较粗大，而经处理的熔凝层组织均得到高度细化，且利用冰水快速冷却熔凝层获得的晶粒更为细小，组织更为致密。由于两种不同处理均是一个骤热骤冷的过程，尤其是加以冰水快速冷却装置来进一步提高熔池凝固速度的这一处理方式。对于这样的急热急冷后，凝固所得到的高度细化组织在一定时间内可能会不稳定，其晶粒尺寸会出现少许反弹现象。为了测出试验后组织处于稳定时期的晶粒度最精确数值，测量晶粒度是在熔凝试验后若干天才进行的，对其晶粒尺寸采用SISC IAS V12.0金相图像分析软件进行分析计算，间隔不定时间测量数次得出其数据。表3-1为未处理304奥氏体不锈钢和不同处理方式下最终熔凝层的平均晶粒尺寸。