叶片气孔的结构示意图

长三角G60激光联盟导读

本文报道分享了激光抛光对在AISI304不锈钢上熔覆In625时表面粗糙度和摩擦磨损性能的影响。

成果简介：

采用激光熔覆进行制造是一种比较经济可靠的办法，可以获得耐腐蚀和耐磨损的涂层，同时还具有修复再制造航空航天上受到磨损的部位的部件。这一技术采用广泛的合金材料在平面或者复杂曲面上来进行制备，并且该技术不需要严格的限制，同粉末床工艺来比较的话。采用激光熔覆是一种比较理想的在低成本不锈钢基材上沉积高温合金的工艺。这种方式得到的双金属材料具有更低的成本，由此使得高应用价值的高温合金可以在更大的范围内应用。In625合金比较耐点腐蚀和在高温下具有良好的机械性能。

因此，一种复合的双金属结构可以制备出来，AISI 304L不锈钢为基材，激光熔覆In625高温合金，从而满足严苛环境下的应用。然而，激光熔覆后表面精饰是一个问题，其表面粗糙的话，很多场合是不能满足应用的。在本研究中，In625沉积在不锈钢基材上，然后In625合金采用激光抛光来进行表面粗糙度的改善。激光抛光后的显微硬度、粗糙度和摩擦磨损结果进行了评估。激光抛光后可以显著的改善In625高温合金的表面粗糙度，并且不会显著的改善其成分或显微硬度。涂层同时也表明具有更好的摩擦磨损性能，同基材AISI 304L相比较的话。

背景介绍

许多机械设备都可以适合用激光熔覆，包括使用铺粉（SLM）和激光能量沉积。这一技术可以使用同一金属制备出复杂的几何形状或者涂覆不同的金属作为涂层。因此，部件可以获得更高的服役性能，例如，如发挥基材的优异的机械性能和涂层更好的服役性能， 如耐腐蚀。耐摩擦磨损和耐高温等。此外，同时还可以使用同一设备进行后处理。同时采用CAD软件来进行拓扑优化，从而产生减轻重量、减少材料浪费和缩短制造时间。当所有的设备集成在一起的时候，在今天，这就被称之为工业4.0。

当一个设备配备L-DED的时候，可以实现沉积和修复表面的磨损，如传动轴、轴承、密封件和联轴器，这些部件通常被称之为采用传统工艺不容易焊接修复的材料。激光熔覆得到的是冶金结合的材料。不像其他工艺，如热喷涂工艺就不是冶金结合的，属于机械结合。

激光束将高能量密度的激光用来熔化特定的粉末，形成混合了基材的熔池来形成高质量的具有快速凝固特征的熔覆层。同其他表面技术相比较，激光熔覆技术具有独特的优势，如低的稀释率、较低的基材变形、较窄的热影响区、同基材较强的冶金结合力，以及由于快速凝固所形成的精细的显微组织。同时该技术还属于一种行之有效的表面改性技术，同时还可以制备金属基复合材料。几乎所有的高性能材料均可以采用激光熔覆来实现。

高性能金属表面的应用可以导致复合材料的形成，这一性能是基体材料所不能获得的，也不是涂层材料单独所能获得的。表面的管理，定制性能就是常说的表面工程，是制造高性能涂层的一种工艺。最近，将AM和表面工程融合在一起就形成了先进的表面激光熔覆技术。传统的弧焊技术在修复时，存在冶金结合的问题，如热裂纹、气孔和热影响区的问题，降低了部件的使用寿命。这一问题在大面积服役的且高温下的情况下更为严重。采用Nd：YAG激光是这一情况下工作的较为理想的激光器，适合工作在较小的区域，对叶片等材料尤为适合，因为较小的变形比较适合这一材料。

高温合金经常用在燃气涡轮发动机的热端部件，以及火箭发动机、热交换器、石油化工和核反应堆以及生物器件。该合金具有优异的高温机械性能和环境抗力。但比较遗憾的是，该材料的价格比较昂贵，是不锈钢价格的30到200倍。AISI 304L广泛的应用于腐蚀环境，由于腐蚀和摩擦磨损的交互作用，它会产生失效。在不锈钢上涂覆一层具有较高性能的材料可以满足摩擦磨损和腐蚀的环境要求。激光熔覆技术是一种较为理想的技术，因为它可以在低成本的不锈钢基材上实现沉积。得到的双金属复合材料可以实现在低成本基材上的高性能，由此使得高性能和高价值的高温合金可以在更为广泛的场合得到应用。

激光熔覆作为一种AM制造工艺，具有诸多的优点，但表面精饰却是一个很大的问题，并且结果是不能直接在许多重要的场合得到应用。激光熔覆后表面涂层的精饰非常困难，并且直接影响到部件的机械性能和最终的服役性能。基于这个原因，复合设备的应用进行后处理，可以用来减少涂层的表面粗糙度。一些常用的降低表面粗糙度和抛光3D表面形貌的技术有：铣削、研磨、磁性研磨精加工和激光抛光（laser polishing (LP)）。在以上技术当中，激光抛光独树一帜，是采用激光来产生涂层，然后立即使用激光来进行抛光。

在本文中，IN625涂层在AISI 304L不锈钢上采用激光熔覆来进行制备，随后通过激光抛光来进行后处理。然后其硬度、粗糙度和摩擦磨损性能进行了评估。

图1激光抛光的示意图

研究结果

表面粗糙度和表面形貌

图2所示为涂层的3D形貌。其中图2（c）显示的未沉积层和抛光后的形貌，红色箭头为沉积态，而蓝色箭头则为抛光状态。

图2 沉积态和抛光后的样品的表面3D形貌

沉积态呈现出尖峰和波谷的特征，为粗糙和不规则的表面，如图2（a）所示。图2（b-e）则显示出激光抛光后表面不规则性显著降低，表面得到了光滑的表面，重熔和凝固后的部位粘附在上面。同时还可以观察到当激光功率增加的时候，表面光滑程度也增加。在公开发表的文献中，作者得出的结论为粗糙的表面往往是应力集中区域，从而会导致微观裂纹的产生，降低了疲劳性能。

图3 3D模式下涂层的微观形貌和表面粗糙度(Sa, 单位 μm)

图4 (Fig. 4a) AISI 304L的光学照片，涂层/基材界面(Fig. 4b).

图5 在350W功率作用下激光抛光后的横截面，同时给出线扫描成分分析结果

图6 沉积态的横截面的金相以及激光抛光后的横截面。红色箭头显示的为卫星颗粒，黄色箭头显示的为重熔层之间的边界，黑色箭头显示的为原始的边界。

图7沉积层和激光抛光后的试样微观摩擦磨损测试后的数据图

图8 沉积态和激光抛光后的试样在进行微观摩擦磨损后的实验结果

图9 在基材AISI 304L (substrate) 进行较长时间的测试后得到的结果 (20 min-360 m摩擦磨损距离)

图10 沉积态进行较长时间测试后的结果 (20 min-360 m摩擦磨损距离)

图11 在激光功率为550W的条件下，激光抛光后进行长时间测试得到的结果（20 min-360 m的测试距离）

结论：

在本文研究中，In625高温合金作为涂层在基材AISI 304L不锈钢上进行沉积，使用的是L-DED技术进行沉积制备，然后使用激光抛光进行后处理。同时进行了硬度、粗糙度和摩擦磨损实验。主要的实验结果如下：

• Inconel 625合金涂层，其成分和硬度几乎同传统工艺所得到的相同。
• 激光抛光可以降低涂层的表面粗糙度，激光功率越高，得到的表明粗糙度越好，当激光功率达到550W的时候，表面粗糙度Sa为 23.7 μm。同沉积态相比较，其表面粗糙度降低达到了9.7倍。
• 激光抛光并不会显著的影响得到的涂层的硬度。
• 同基材AISI 304L SS 相比较，得到的In625高温合金涂层具有相对较高的摩擦磨损性能。涂层的摩擦磨损性能同基材相比较，提高了1.5倍。
• 文章来源：ariani, F.E., Ribeiro, K.S.B., Lombardi, A.N. et al. Effect of Laser Polishing Post-Processing Technique on the Roughness and Wear Resistance of Inconel 625 Deposited by Laser Cladding on AISI 304L Stainless Steel. J. of Materi Eng and Perform30, 6713–6721 (2021). https://doi.org/10.1007/s11665-021-05962-3

长三角G60激光联盟陈长军转载

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