316不锈钢低功率脉冲激光诱导电弧增材制造组织及机理研究

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316不锈钢因其良好的耐蚀性能和优异的高温力学性能在航空航天、压力管道、汽车、轮船及军工等领域得到广泛应用。316不锈钢传统的加工方式容易造成材料浪费且工序繁杂。316不锈钢增材制造与传统的减材制造工艺相比,大大缩短了工时、且最大限度地节省了原材料。但因316不锈钢热导率低、流动性强,使316不锈钢增材制造构件成形难度增加。低功率脉冲激光诱导电弧是一种以电弧为主要能量的新型热源,低功率激光作为辅助热源对电弧起到诱导和增强的效果,可以稳定增材过程,提高成形质量和成型效率,具有很强的前瞻性和实用性。以TIG电弧和低功率脉冲激光诱导电弧作为热源分别增材出1到8层单道墙体。宏观形貌显示加入激光后,墙体宽度减小,墙体宽度增加。微观组织结果显示,脉冲激光的加入并没有生成新相,也不会改变墙体凝固模式,但是脉冲激光的增强搅拌作用会提高组织的均匀性,使得晶界数得到增加。脉冲激光的加入使得热输入增大,会加快奥氏体向铁素体转变的过程,提高重结晶率。显微硬度测试显示低功率脉冲激光的加入会均匀组织,从而提高显微硬度。采用低功率脉冲激光诱导电弧耦合热源分别制造1到8层单道墙体,对每个墙体底层、中间稳定层、顶层部位进行微观组织检测。底层组织由胞状晶和胞状树枝晶组成,凝固模式为A模式。在后层热处理作用下,底层晶粒平均增长5μm。墙体中间层组织均由树枝晶构成,一次枝晶间距约为16μm,凝固模式为FA模式。各墙体顶层组织由等轴枝晶构成,凝固模式仍为FA模式。低功率脉冲激光诱导电弧8层增材墙体的显微硬度值整体呈现先减小后缓升的趋势,硬度值在187HV-233HV之间浮动,δ铁素体析出在晶界或晶内可起到强化组织的作用。最后,采用低功率脉冲激光诱导电弧沉积单道墙体,对墙体不同凝固条件下的拉伸性能以及不同取样方向的拉伸性能进行探索。研究表明,凝固条件为FA模式的墙体顶部的抗拉强度最大,为583.3Mpa,伸长率为42%。凝固条件为FA模式的墙体中部抗拉强度稍小,为566.7Mpa,伸长率可达45%。墙体底部抗拉强度较高,为578.3Mpa,但伸长率较差,为38%。不同方向拉伸试样力学性能呈现各向异性,斜45°试样伸长率可达60%,但抗拉强度较低,为516.7Mpa。垂直拉伸试样抗拉强度为528.3Mpa,伸长率为43%。
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