304L不锈钢管激光熔凝组织剖析

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304L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关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，会有明显的差别。采用微米标尺丈量熔深和熔宽，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。能够看出，前者处置方式比后者取得的熔深、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，由此剖析可知，其中可能缘由之一是激光辐照能量当中有极端小局部能量直接被冷却速度快的冰水冷却介质所吸收，而未能被应用发挥其作用。

从图3-2能够看出，激光熔凝层的横截面呈相似月牙形，依据Juan de Damborenea的数学模型，激光束为高斯热源，如图3-3所示，能量散布不平均，熔池越靠近激光束边缘位置，取得的能量越低，其凝结深度也就越浅，而光束中心的能量最高，所以其熔池中央最深。

从图3-2还可察看到，两种不同处置方式下的激光熔凝层与基体分离均良好，没有呈现气孔、夹杂和明显的裂纹等不良现象。由于304L不锈钢是奥氏体态，经激光熔凝处置后，凝固至室温的过程中将不会发作固态相变，依据温度的散布情况，因而经激光熔凝处置的区域，从表至里就只分为熔凝区（MZ）、热影响区（HAZ）两个区域，各个区域没有严厉的分界限。这两个区域对资料的性能改动产生极端重要的作用。区域内的组织构造发作了显著的变化，组织细小，平均致密，较基体极大地被细化。这主要是由于激光熔凝使304L奥氏体不锈钢的凝结与凝固都在极短的时间内就完成，高速冷却构成了极大的过冷度，能够显著进步结晶形核率。辅以冰水快速冷却安装进一步进步冷却速度时，取得的组织比常规激光熔凝处置的还要细密。故此，阐明人为地继续进步冷却速度，组织还能进一步被细化。

熔凝层的微观组织构造

高能激光束辐照304L奥氏体不锈钢时，其表层在极短的时间内被加热至凝结，再分别经过用常温空气冷却和冰水快速冷却熔凝层，加热区域霎时被冷却至凝固，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关于基体明显细化。为了阐明激光外表熔凝处置对304L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方式比照研讨剖析304L奥氏体不锈钢的微观组织变化状况。设定激光功率为3600W，扫描速度为1000mm/min。

在显微镜的深化察看下能够发现，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置方式，熔池凝固结晶之后的根本组织形态都是类似的，且均呈现出与基材完整不同的形态，微观组织又均表现出致密而平均的特性，但组织得到的细化水平，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，因而距熔凝层外表越近，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别，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停止剖析与讨论。

（1）分离晶体生长理论可知，熔池中的液态金属开端凝固结晶时，首先是从靠近接触熔池的基材处联生长大。图3-4显现的是激光熔凝层与基体接壤处的显微组织。从图能够看出，熔凝层底部边境是椭球形曲面，晶体是以未凝结的基材晶粒外表为生长外表，在此外表上开端形核和核长大，界面处构成的主要为平面状结晶。在熔凝层界面前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，使界面迟缓地向前推移，于是平面晶得到了开展。从图还能够看出，在熔凝层底部左近，因晶核的生长趋向在各个方向上差异不大，所以呈现有胞状晶。晶体取向并不完整跟其熔体的最大散热方向分歧，其晶体的生长取向也会遭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位置。受晶体生长择优取向的影响，以及在热流的控生产制造用下，若晶体取向与热流反方向的夹角较大时，其生长遭到抑止；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激烈的对流，树枝晶的边缘遭到破碎，其碎片又能够为新的树枝晶构成提供晶核，形成大量晶核的构成。结晶的形核率增加，生成的晶粒更多，构成的晶粒就愈加细小了。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，周围伸出了二次横枝，所以树枝晶变得细小。熔池内随着离熔池底部间隔的增加，冷却速度增快，枝晶生长速度变快，分离式3-1剖析可知，枝晶间距会逐步变小。故此，经多方面剖析与讨论能够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能够借助304L奥氏体不锈钢基体的传导，扩散到外界而流失，又能够直接经过冷却介质（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，使得温度疾速降落，冷却速度相对熔池其他部位更快，极快的冷却速度，使得该区域内构成极大的过冷度，液态金属中将会生成大量的晶核，结晶速率加快，构成了更为细小的等轴晶组织。由图还能够剖析得知，由于激光的激烈搅拌作用，使得难熔的悬浮质点上浮至熔池上部，其能够作为新晶粒构成所需的晶核，所以会在熔凝层上部产生以其为中心的非匀质形核和长大，生长的晶核沿着自在外表。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，而经处置的熔凝层组织均得到高度细化，且应用冰水快速冷却熔凝层取得的晶粒更为细小，组织更为致密。由于两种不同处置均是一个骤热骤冷的过程，特别是加以冰水快速冷却安装来进一步进步熔池凝固速度的这一处置方式。关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，其晶粒尺寸会呈现少许反弹现象。为了测出实验后组织处于稳定时期的晶粒度最准确数值，丈量晶粒度是在熔凝实验后若干天才停止的，对其晶粒尺寸采用SISC IAS V12.0金相图像剖析软件停止剖析计算，距离不定时间丈量数次得出其数据。表3-1为未处置304L奥氏体不锈钢和不同处置方式下最终熔凝层的均匀晶粒尺寸。