激光定向能量沉积技术制备E11018-G低合金钢的孔隙率最小化研究

本文系统研究了激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术在铁路轨道修复合金E11018-G中的应用，通过优化工艺参数和调控外部因素（如粉末孔隙率、湿度及激光重熔），成功将内部孔隙率从0.7%降至0.04%。研究揭示了氮气雾化粉末相较于氩气雾化的显著优势，并证实LP-DED制备的材料具有细晶铁素体结构（平均硬度235–250 HV0.3），为轨道交通关键部件的高效修复提供了创新解决方案。

　　

摘要

激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术因其局部熔覆特性，成为轨道修复领域替代传统手工电弧焊（MMAW）的潜力方案。本研究聚焦低合金钢E11018-G的LP-DED工艺窗口优化，通过系统性实验揭示了孔隙形成机制与控制策略。

1 引言

轨道交通中轮轨接触导致的疲劳损伤亟需高效修复技术。尽管MMAW仍是主流方法，但LP-DED凭借其低热输入、自动化程度高等优势崭露头角。E11018-G作为R260钢轨专用修复材料，其LP-DED加工性能尚未充分探索，尤其孔隙问题可能显著影响力学性能。

2 实验方法

采用C45钢基板与两种雾化粉末（Ar-filler/N-filler）进行实验：

• •

  粉末制备：氩气与氮气雾化对比显示，氮气雾化粉末孔隙率（0.5%）显著低于氩气雾化（2.4%），且氮溶解度更高（152 ppm vs 10 ppm）。

• •

  LP-DED参数：通过五变量中心复合设计（CCD）优化功率（P）、速度（S）、送粉率（F）等参数，发现载气（CG）与保护气（SG）流速对熔道几何特征（高宽比Rhw）具显著影响。

3 结果与讨论

3.1 粉末特性

氮气雾化粉末密度（7.65 g/cm³）高于氩气雾化（7.52 g/cm³），且开孔率更低（图6）。扫描电镜显示氩气雾化粉末存在明显壳状孔隙（图5），而氮气雾化粉末表面致密。

3.2 工艺优化

• •

  单道熔覆：提高扫描速度（S）可消除熔道边缘未结合缺陷（LoA），但工艺参数对孔隙率无统计学显著影响（图12）。

• •

  多层堆叠：水平搭接试样中，氩气雾化粉末制备的样品孔隙率达1.25%，且孔隙多呈球形（直径<45 μm），与粉末最小粒径不符（图14）。

3.3 外部因素调控

• •

  雾化气体：氮气雾化样品孔隙率（0.05%）较氩气雾化（0.92%）降低18倍（图15），但氮含量升至181 ppm可能影响低温韧性。

• •

  激光重熔：对氩气雾化样品实施层间重熔可使局部孔隙率降低，但新层沉积会重新引入气孔（图17）。

3.4 微观组织与性能

• •

  显微结构：LP-DED试样呈现柱状生长铁素体（图19），与MMAW的针状铁素体迥异。电子背散射衍射（EBSD）显示99.8%体心立方（BCC）相，平均晶粒尺寸1.4–1.5 μm（图21）。

• •

  硬度：氮气雾化样品硬度（250 HV_0.3）高于氩气雾化（235 HV_0.3），与孔隙减少和固溶氮强化相关（图23）。

4 结论

氮气雾化结合LP-DED可实现E11018-G近全致密成型（孔隙率0.04%），其细晶铁素体组织满足轨道修复需求。研究为工业化应用提供了关键工艺窗口，同时警示氩气雾化粉末的孔隙遗传风险及氮含量对韧性的潜在影响。