激光重熔功率对不锈钢改性层性能影响研究

陈远龙，刘金洋，李 翔，张亦弛，完颜绍旗

（ 合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥 230009 ）

316L 不锈钢具备较佳的力学性能，被广泛应用于工业生产的各个领域， 随着316L 不锈钢应用范围越来越广泛， 对其表面耐腐蚀能力也提出更高的要求。

目前改变材料表面特性的技术有化学气相沉积、物理气相沉积、离子注入、激光表面改性等。由于前三种技术工艺较为复杂， 导致316L 不锈钢表面改性的成本较高。

激光重熔技术是一种低成本的表面改性技术，通过高能量激光束在合金表面不间断扫描形成较薄的改性层， 利用基体热传导作用使熔池中的金属液快速冷却、凝固，从而细化合金组织，减少偏析，形成高度过饱和固溶体等亚稳定相乃至非晶态， 提高工件表面的硬度与耐腐蚀性能等[1-2]。

Pei 等[3]对比研究了激光重熔Q235 钢和激光热喷涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂层在摩尔浓度0.5 mol/L 的NaCl 溶液中腐蚀性能的影响；
结果表明，激光热喷涂Al85Ni8Y4Ce3非晶涂层生成钝化膜的密度缺陷高于激光重熔涂层，耐腐蚀性较弱，这是由于激光重熔过程中生成了致密的钝化膜抑制了点蚀现象，从而提高了耐腐蚀性。

李鹏等[4]采用激光重熔技术对304 不锈钢表面进行处理，利用光学显微镜和能谱仪分析重熔层的微观组织，并分析不锈钢重熔前后的耐腐蚀性能的变化；
结果表明，激光重熔处理304 不锈钢表面可以细化晶粒、改变微观组织，从而提高其耐腐蚀性能。王建刚等[5]通过在A356 铝合金上选用不同激光功率进行激光重熔试验，通过测量显微硬度发现激光表面重熔后试件表面硬度有显著的提升，同时发现激光重熔区中细晶强化及第二相弥散强化增加了激光重熔区的表面强度，延迟了激光重熔区中第一次裂纹的发生，激光重熔区与基体具有非常好的冶金结合能力，平均孔隙率非常低。

傅卫等[6]通过激光熔覆修复实验优化了激光熔覆修复工艺参数，在对激光熔覆修复过程进行最优控制的条件下，获得了界面结合良好、耐腐蚀性和耐磨损性均符合要求的激光熔覆修复试样。

本文以316L 奥氏体不锈钢为研究对象， 通过激光重熔技术制备表面质量较好的改性层，研究激光功率对该材料微观组织的影响，并在质量分数为3.5%的海盐溶液（含Cl-、NO3-及SO42-等离子）中测试重熔处理后的改性层耐腐蚀性能，为不锈钢耐腐蚀性能的工艺优化和组织调控机理提供参考。

1.1 热源模型的建立

激光作为熔化金属材料表面的能量输入，在数值模拟过程中移动热源模型的选择将影响金属表面熔化过程中计算结果的准确性。

研究表明，高斯热源模型能更加贴近激光重熔工艺热源的状况[7-10]，其方程式为：

式中：q为该区域液相热流密度；
η 为激光热源利用率；
p为激光功率；
R为激光光斑有效半径；
r为基体材料上一点与激光光斑中心距离。

仿真模拟的激光高斯面热源模型分布见图1。

图1 高斯面热源模型

在分析激光重熔的温度场时，忽略动量边界，主要考虑能量边界。试样初始温度设定为室温300 K，设定底面与对称面为绝热条件，其他表面以对流和辐射边界条件为主。

激光重熔过程中的热量损失主要由工件表面与周围环境的热对流和热辐射导致。316L 不锈钢热物理属性见表1。

表1 316L 不锈钢材料热物性参数

综合考虑激光重熔过程中的熔化、凝固、相变等复杂物理化学现象， 本文在对其进行温度场模拟时做出如下假设：
①工件的初始温度设定为300 K，材料各向同性；
②激光作用于模型表面的吸收率恒定，不随时间发生变化；
③不考虑材料表面受热变形的影响。

根据以上条件，建立激光重熔316L 不锈钢物理模型见图2。

图2 激光辐照316L 不锈钢热作用理论模型

1.2 激光功率对温度分布规律的影响

保持激光扫描速度20 mm/s、扫描间距10 μm，其他条件不变， 改变激光功率为3、5、7、9 W 时，分别进行激光重熔熔池温度的数值模拟， 得到不同激光功率下熔池温度的分布云图（图3）。

图3 不同激光功率下熔池温度分布

由图3 可见，随着激光功率不断增大，熔池的几何尺寸不断增大，激光熔池的表面形貌向上微微凸起，这是由于随着激光功率增加，熔池的温度逐渐增加，较高的激光功率时熔池的金属液体有向汽化的发展趋势。

当激光功率约3 W 时，熔池温度达到临界熔点；
当激光功率约5 W 时，熔池的温度较稳定，处于液相饱和区，没有明显的温度波动；
当激光功率约9 W 时，熔池的金属达到熔点后，熔池温度波动较剧烈，改性层表面易产生微裂纹等缺陷。综合图4不同激光功率下的熔池温度， 在激光功率约5 W时，熔池温度较稳定，没有明显的波动情况，在此激光功率参数下制备的改性层表面质量理论上较佳。

图4 不同激光功率下熔池的温度变化

2.1 试验装置与基体材料

试件基体材料为316L 不锈钢， 所选试件尺寸大小为10 mm×10 mm×3 mm。

将基材表面逐级打磨至2 000#， 放置于超声清洗机用无水乙醇进行清洗，去除表面杂质并自然风干，再利用激光重熔技术进行改性层制备， 最终通过电化学工作站进行耐腐蚀性能试验，试验整体流程见图5。

图5 试验流程图

通过能谱仪与扫描电子显微镜测定316L 不锈钢基体材料所包含元素种类、表面微观形貌，相关元素含量见表2。采用纳秒脉冲光纤激光器（1064 nm）进行样品表面重熔处理，扫描速度固定为20 mm/s，激光功率为3、5、7、9 W， 得到4 份用以测试的激光重熔改性层样品。

表2 316L 不锈钢材料化学成分

2.2 改性层表面微观形貌

采用扫描电子显微镜观察分析激光重熔316L不锈钢改性层， 得到不同激光功率下改性层表面微观形貌见图6。当激光功率为3 W 时，不锈钢表面改性程度不高，基体材料熔化少，材料汽化程度相对较弱， 主要是对基体表面的熔融氧化， 熔融氧化层较薄，这是由于基体材料融化少，材料残渣较少，改性层表面质量较好。

由各元素在改性层表面的分布情况可知，该熔融氧化层主要为Cr 和Fe 的氧化物。当激光功率为5 W 时，改性层表面呈现出较明显的重熔状态，分析认为激光到达不锈钢表面时，激光能量基本被吸收与散射，使被处理区域的材料发生熔融、汽化，部分区域的基材熔融、汽化后冷却，从而使材料表面微观区域呈现出相对规则的形貌特征。

图6 不同激光功率下的改性层表面微观形貌

随着激光功率继续增加到9 W， 不锈钢材料表面单位面积内积累了大量能量致使材料去除， 使得材料在过高温度下汽化，材料表面存在大量的块状熔融物而产生堆积形貌，改变周围材料的性质，破坏已生成的改性层。

如图7 所示，该过程材料的去除机制为相爆炸与汽化共同作用，温度梯度较大，材料内部受热应力不平衡影响，改性层表面存在微裂纹。

图7 改性层烧蚀

2.3 改性层物相组成分析

表3 是316L 不锈钢在不同激光功率下形成改性层通过能谱仪采集的元素含量对比，改性层的主要元素为O、Cr、Ni 及Fe，结合表1 可知改性层中有氧化物存在。

随着激光功率增大，改性层的Cr 元素含量先增加后减少，与O 元素结合成Cr2O3。

表3 不同激光功率下改性层表面元素分布

通过图8 更直观的截面微观形貌来观察不同激光功率下制备的改性层。

可知激光功率为5 W 时，组织结构较致密，缺陷较少。由于基体Ni 和Fe 的含量较多，可以推断Fe 元素在微观下表现为由基体逐渐向熔池增大， 在结果上表达为改性层和基体之间达到冶金结合的程度。

图8 不同激光功率下改性层截面微观形貌及元素分布

在激光作用下， 不锈钢表面材料熔化会在自身重力和表面张力作用下产生马兰戈尼对流效应，将合金元素固溶于奥氏体中， 不断提高奥氏体的稳定性，还使固溶体中的Cr 元素和O 元素结合成Cr2O3，达到提高材料表面耐腐蚀性能的作用， 其形成过程示意见图9。

图9 马兰戈尼对流扩散溶质分布

图10 是不同激光功率下的316L 不锈钢XRD图谱。

可见， 经不同激光功率处理的改性层均存在（111）、（200）和（220）衍射峰，表面改性层的物相主要由奥氏体与铁素体组成， 并且奥氏体峰面积远大于铁素体，这说明奥氏体相对含量多于铁素体。这主要是由于316L 不锈钢中含有大量的Cr、Ni 等元素，基体相由α-Fe 向γ-Fe 转变；

随着激光功率增大，（111） 衍射峰半宽比不断增大， 表明γ-Fe 含量增大，可间接预测其耐腐蚀性能得到提高；
但随着功率继续增加，（111）衍射峰半宽比开始减少，表明γ-Fe含量减少，耐腐蚀性能具有降低趋势。

图10 不同激光功率下试样的XRD 衍射图

2.4 改性层耐腐蚀性能分析

图11 是采用电化学三电极体系测试316L 不锈钢基体在不同激光功率下改性层的极化曲线，电压扫描范围为-2～2 V，扫描速率为5 mV/s。

表4 是通过计算得到改性层的自腐蚀电压和电流密度数据，可见随着激光功率的增大，改性层的自腐蚀电位呈现先增大后减少的趋势，而其自腐蚀电流密度则先减少后增大，表明随着激光功率增大，耐腐蚀性能先提升后下降。

表4 不同激光功率下改性层的自腐蚀电压和电流密度

图11 不同激光功率下改性层的极化曲线

再次分析微观组织，在激光作用下，表面材料熔化产生的马兰戈尼效应将不锈钢材料中的Cr、Mn等元素固溶于奥氏体中，产生的改性层中Cr、Mn 等较多，且由于激光的热作用可使不锈钢的晶核变大、晶粒细化，产生的改性层微观组织较致密，见图12。

图12 激光作用下奥氏体不锈钢晶粒细化过程

基于激光重熔原理研究了不同激光功率对316L 不锈钢表面改性层的微观结构和耐腐蚀性的影响，得出以下结论：

（1）在激光重熔不锈钢表面成分中，氧元素含量大幅增加。

这是生成了一层覆盖在金属表面的铬和铁氧化物，激光重熔前后发生了α-Fe 相向γ-Fe 相的物相转变。

（2）当激光功率为5 W 时，改性层表面呈现出较为明显的微观重熔形貌状态；

激光功率增至9 W时， 材料表面存在大量的块状熔融物， 产生堆积形貌，材料内部热应力梯度较大，改性层表面存在微裂纹与熔渣堆积，破坏改性层表面质量，进而影响其耐腐蚀性能。

（3）随着激光功率的增大，改性层的自腐蚀电位呈先增大后减少趋势，在5 W 激光功率下改性层自腐蚀电位较基体正移0.157 V，自腐蚀电流密度较基体提高8.68×10-5A/cm2，此时的抗腐蚀性能最佳。

（4）在激光作用下，不锈钢的微观组织结构更致密，晶核变大、晶粒细化，同时316L 不锈钢表面材料中的Cr、Mn 等元素固溶于奥氏体，可产生微观组织较致密且耐腐蚀元素含量较多的改性层。

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