梯度奧氏體-馬氏體的激光束直接能量沉積 鋼連接與異質(zhì)電子束焊接的比較（下）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

本文介紹了激光束直接能量沉積(Direct Energy Deposition，DED-LB)工藝作為一種建立梯度奧氏體-馬氏體鋼連接的方法。通過(guò)在DED-LB加工過(guò)程中改變兩種粉末的比例來(lái)制備成分梯度鋼。主要分為兩部分，前半部分進(jìn)行理論介紹、方法講解以及試驗(yàn)結(jié)果，后半部分（本部分）則是對(duì)比DED-LB和電子束焊接工藝以及結(jié)論分析。

4. 與電子束焊接的對(duì)比
4.1.顯微結(jié)構(gòu)

▲圖9 (a)大型掃描電鏡背散射電子(BSE)圖像，(b)316 L側(cè)的EBSD相圖，馬氏體帶(粗箭頭)，(c)沿(b)中白色虛線的EDS輪廓，(d)Fe–9Cr–1Mo側(cè)的EBSD相圖，以及(e)沿虛線的EDS輪廓。EBSD圖：1像素= 1.13微米，10° 黑色晶界

對(duì)電子束焊接進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)表征，以便與DED-LB轉(zhuǎn)變進(jìn)行比較。兩者原料的組成相同，但形式不同。在DED-LB中使用鋼粉末，在電子束焊接則使用層壓板。在電子束焊接中，只有焊縫區(qū)域在接合處熔化，這意味著遠(yuǎn)離接合處的316 L和Fe–9Cr–1Mo側(cè)呈現(xiàn)典型的等軸顯微結(jié)構(gòu)。圖9 (a)顯示了電子束焊接的概況，其顯微結(jié)構(gòu)分析如下：

每一側(cè)是兩種金屬基材，奧氏體一側(cè)帶有一些316 L不銹鋼的delta鐵素體，而回火馬氏體微觀結(jié)構(gòu)則在Fe–9Cr–1Mo一側(cè)；
中間的焊縫金屬是焊接過(guò)程中熔融金屬混合區(qū)；
焊接金屬周?chē)�有兩個(gè)熱影響區(qū)，焊接過(guò)程中熱輸入會(huì)改變焊縫金屬周?chē)�的顯微組織，但金屬不會(huì)熔化。

根據(jù)圖9(b)–(e)，焊縫金屬主要是馬氏體，奧氏體區(qū)域很少。通過(guò)能譜儀在316L和Fe–9Cr–1Mo之間獲得的焊縫金屬成分為13 %的鉻和6 %的鎳。在焊縫金屬和316 L熱影響區(qū)(圖9(b))之間的界面處，可以觀察到馬氏體和奧氏體條帶，奧氏體條帶和316L化學(xué)元素相同，而馬氏體帶材的成分相比316L更接近鎳和鉻含量更少的焊縫金屬(圖9 (c))。這種焊縫金屬/熱影響區(qū)邊界的分離通常不會(huì)在異質(zhì)焊縫中觀察到。電子束焊接的高速度可能是焊接過(guò)程中熔池不穩(wěn)定的重要原因，并進(jìn)而導(dǎo)致冷卻后出現(xiàn)未混合區(qū)域。焊縫金屬/Fe–9Cr–1Mo熱影響區(qū)邊界(圖9 (d))沒(méi)有類(lèi)似的奧氏體和馬氏體條帶；在EDS曲線上觀察到的偏析(圖9 (e))不足以促進(jìn)奧氏體的形成。

▲圖10 316L熱影響區(qū)細(xì)節(jié)圖，(a)焊接時(shí)的EBSD相圖和(b)630°C/8小時(shí)熱處理后的相圖1像素= 0.1微米，10° 黑色晶界。

由于316 L在室溫下已經(jīng)是奧氏體，在熱影響區(qū)中僅觀察到晶粒生長(zhǎng)和delta鐵素體島的形成(圖10 (a))。630°C/8h熱處理引起的唯一主要變化是熱影響區(qū)中delta鐵素體從2.5 %左右減少到約0.78 %(圖10(b))。

圖11中的EBSD圖顯示了焊接金屬中奧氏體和馬氏體之間的混合區(qū)域。由于焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)很大的不均勻性，因此應(yīng)謹(jǐn)慎解釋該區(qū)域的EBSD觀測(cè)結(jié)果。有趣的是，相比之下，除了一個(gè)小的兩相區(qū)之外，DED-LB梯度區(qū)似乎完全是馬氏體。對(duì)于這種焊接金屬成分，舍弗勒?qǐng)D預(yù)測(cè)了具有奧氏體、鐵素體和馬氏體的三相顯微組織。在該區(qū)域，熱處理不影響馬氏體的細(xì)條形態(tài)。在焊縫金屬中，熱處理后奧氏體含量似乎增加(圖11 (c))，這也在DED-LB梯度區(qū)域中體現(xiàn)。

▲圖11 電子束焊接中的焊縫金屬:(a)焊接時(shí)的相圖和(b)焊接時(shí)的IPF EBSD圖，以及(C)630°C/8h熱處理后的相圖和(d) IPF圖，清晰體現(xiàn)了焊縫金屬中奧氏體的形成。

由于焊接過(guò)程中馬氏體向奧氏體的相變，F(xiàn)e–9Cr–1Mo一側(cè)的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。圖12 (a)顯示了焊接后Fe–9Cr–1Mo熱影響區(qū)圖。該熱影響區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)域——靠近焊縫金屬的粗晶粒熱影響區(qū)(CGHAZ) 和遠(yuǎn)離焊縫的細(xì)晶粒熱影響區(qū) (FGHAZ)。前者平均晶粒直徑為14.8微米，后者為6.3微米，而Fe–9Cr–1Mo 基材為10.8 μm。這種微觀結(jié)構(gòu)是典型的馬氏體熱影響區(qū)。熱處理不影響微觀結(jié)構(gòu)，熱處理前后的晶粒尺寸相當(dāng)(圖12 (b)和(c))。該區(qū)域熱處理的主要影響在硬度上——馬氏體回火使硬度降低。

▲圖12 Fe–9Cr–1Mo熱影響區(qū)的EBSD·IPF地圖(1像素= 0.1微米):(a)顯示CGHAZ和FGHAZ的焊接時(shí)Fe–9Cr–1Mo熱影響區(qū)的大視圖。(b)焊接的FGHAZ細(xì)節(jié)圖和(C)630°C/8小時(shí)熱處理后的細(xì)節(jié)圖

圖13總結(jié)了在電子束焊接(圖13 (a)和(b))和DED-LB轉(zhuǎn)變(圖13 (c)和(d))上通過(guò)熱處理對(duì)顯微結(jié)構(gòu)造成的異同。在DED-LB中，與電子束焊接不同，在316 L側(cè)沒(méi)有觀察到delta鐵素體。DED-LB混合區(qū)主要是馬氏體，也存有狹奧氏體/馬氏體帶。焊縫金屬也主要是馬氏體，奧氏體區(qū)域很少。在奧氏體和馬氏體之間的界面處，一些未混合的區(qū)域保留在DED-LB轉(zhuǎn)變和電子束焊接中。在Fe–9Cr–1Mo側(cè)，DED-LB和EB焊縫完全為馬氏體。在DED-LB樣品中觀察到更平滑的化學(xué)梯度，這可以減緩碳在樣品中的擴(kuò)散，并提高抗老化性能。也可以通過(guò)控制構(gòu)建參數(shù)來(lái)控制DED-LB中的梯度。

▲圖13 (a)熱處理前和(b)630℃/8小時(shí)熱處理后電子束焊縫的顯微硬度圖。 (c)熱處理前和(d)熱處理后DED-LB過(guò)渡區(qū)的顯微硬度圖。

▲圖14 電子束焊縫的顯微硬度圖(a)熱處理前和(b)630℃/8小時(shí)熱處理后。316 L位于所示圖的左側(cè)。

就像電子束焊接金屬一樣，對(duì)DED-LB梯度進(jìn)行熱處理會(huì)導(dǎo)致梯度區(qū)域形成奧氏體。

4.2.機(jī)械性能

在DED-LB梯度材料中觀察到的硬度變化也在電子束焊縫中觀察到(圖14)。電子束焊接的基材硬度在316L時(shí)約為150 HV，F(xiàn)e-9Cr-1Mo時(shí)約為230 HV(圖14 (a))。焊接后，焊縫金屬硬度約為350 HV。焊縫金屬中的軟區(qū)域?qū)��?yīng)于奧氏體區(qū)域。由于焊接過(guò)程中在熱影響區(qū)形成新的馬氏體，F(xiàn)e-9Cr-1Mo熱影響區(qū)達(dá)到較高的硬度值(約400 HV)。這種硬度變化是奧氏體/馬氏體異種焊縫較為常見(jiàn)。熱處理后(圖14 (b))，由于馬氏體回火，F(xiàn)e-9Cr-1Mo熱影響區(qū)和焊縫金屬的硬度降低。與DED-LB分級(jí)區(qū)域一樣，熱處理后焊接金屬硬度保持在300 HV以上，但存在一些軟奧氏體區(qū)域。

5. 結(jié)論
本文描述了316 L和Fe–9Cr–1Mo鋼之間的DED-LB連接，并與電子束焊接的結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)對(duì)DED-LB連接和電子束焊接獲得的能譜圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)DED-LB的成分變化可能比電子束焊接更平緩。

此外，可以控制DED-LB中漸變區(qū)的寬度。熱處理前的顯微組織研究表明，DED-LB 316 L側(cè)完全為奧氏體，而焊縫的316 L母材含有少量delta鐵素體。在316 L和焊縫金屬之間的電子束焊縫界面處觀察到一些未混合區(qū)域，存在奧氏體和馬氏體條帶，這種未混合的條帶也在DED-LB中出現(xiàn)。焊縫金屬和混合區(qū)域主要是馬氏體。與DED-LB分級(jí)樣品的奧氏體/馬氏體轉(zhuǎn)變處的薄區(qū)域?qū)Ρ�，電子束焊縫中的焊縫金屬包含很少的奧氏體區(qū)域。

在DED-LB梯度區(qū)，顯微組織由奧氏體突然轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。此外，顯微觀結(jié)構(gòu)的變化雖非漸進(jìn)，但化學(xué)梯度區(qū)域的漸變能夠減緩元素在熱老化過(guò)程中的擴(kuò)散。

DED-LB Fe–9Cr–1Mo是完全馬氏體，不管是在靠近還是在遠(yuǎn)離梯度區(qū)都具有均勻的顯微結(jié)構(gòu)。在電子束焊縫Fe–9Cr–1Mo中，根據(jù)離焊縫距離不同分為三個(gè)區(qū)域——靠近焊縫的CGHAZ、FGHAZ和不受焊接影響的基材。

顯微硬度圖顯示，在DED-LB材料中316 L和Fe–9Cr–1Mo的硬度比在電子束焊接的熱處理和層壓板中更硬。電子束焊接金屬的硬度值達(dá)到350 HV，最高硬度值出現(xiàn)在Fe-9Cr-1Mo熱影響區(qū)。焊縫金屬包含一些較軟的奧氏體區(qū)域。相比之下，DED-LB梯度區(qū)域的硬度可以達(dá)到430 HV。電子束焊接金屬和Fe-9Cr-1Mo熱影響區(qū)的硬度在熱處理后會(huì)降低，就像DED-LB混合區(qū)和鐵-9Cr-1Mo側(cè)一樣。

掃描電鏡顯微組織分析表明，熱處理后電子束焊縫中316 L側(cè)形成的delta 鐵素體減少，電子束焊縫金屬和DED-LB梯度區(qū)馬氏體顯微組織中形成奧氏體島。

拉伸試驗(yàn)表明，從DED-LB獲得與電子束焊接相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能是可能的。這兩種樣品在20℃和400℃時(shí)通常在316L金屬基材中失效，在550℃時(shí)在Fe-9Cr-1Mo金屬基材中失效。


這項(xiàng)研究突出顯示了DED-LB可作為一種通用工藝，在梯度區(qū)以可控制的微觀結(jié)構(gòu)和定制的局部性能誘導(dǎo)成分梯度鋼。


文章來(lái)源：Flore Villare，Xavier Boulnat et al. ;Laser Beam Direct Energy Deposition of graded austenitic-to-martensitic steel junctions compared to dissimilar Electron Beam welding, Materials Science and Engineering,

https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141794

參考文章：M. Sireesha, S.K. Albert, S. Sundaresan, Microstructure and mechanical properties of weld fusion zones in modified 9Cr-1Mo steel, J. Mater. Eng. Perform. 10 (2001) 320–330, https://doi.org/10.1361/105994901770345033.