在SS 420材料上采用多层粉末供给的激光定向能量沉积技术制备SDSS 2507合金时的磁场辅助凝固行为及重叠区特征

《Surface and Coatings Technology》：Magnetic-field-assisted solidification behaviour and overlap-zone characteristics during multi-layer powder-fed laser-directed energy deposition (L-DED) of SDSS 2507 on SS 420

　　摘要：粉末送入式激光定向能量沉积技术是一种用于制备耐磨表面层的有效方法；然而，在多层沉积过程中控制熔池稳定性、稀释行为以及凝固过程仍面临挑战，尤其是当在马氏体基体上沉积双相不锈钢时。本研究采用粉末送入式激光定向能量沉积技术，在0和6毫特斯拉的恒定磁场作用下，将超双相不锈钢2507沉积在马氏体不锈钢420表面，以探究磁场对凝固行为、微观结构演变以及摩擦性能的影响。首先通过单道沉积优化沉积条件，随后进行多层沉积，以研究不同层间的稀释程度、成分变化以及重叠区域的晶体学特征。6毫特斯拉的磁场能够改变熔池对流模式，从而降低稀释程度，优化凝固形态，并提高成分均匀性。电子背散射衍射分析显示，晶粒尺寸减小，平均晶粒错位度降低，高角度晶界比例上升，晶体织构减弱；X射线衍射则表明晶格应变有所降低，但相组成保持不变。6毫特斯拉的磁场使冷却速率从1858.32摄氏度/秒升高到2778.13摄氏度/秒。沉积层的平均显微硬度从SS 420的246.90 HV0.05升高到510.40 HV0.05，而平均摩擦系数和比磨损率则分别从0.63降至0.47，从3.5×10^-4毫米^3/牛顿·米降至2.3×10^-4毫米^3/牛顿·米。这些结果表明，磁场辅助的粉末送入式激光定向能量沉积技术能够提升SDSS 2507沉积层的表面完整性、机械性能以及摩擦性能，从而有助于其在耐磨表面工程中的应用。

引言：激光定向能量沉积技术是一种增材制造及表面工程方法，通过聚焦激光熔化金属粉末或金属丝，逐层构建、修复或增强工件，同时可精确控制激光功率、扫描速度、粉末供给速率以及保护气体条件。由于该技术能够生成致密且冶金结合良好的沉积层，且热影响区较小，因此特别适合对工程合金进行局部表面改性及功能涂层处理。此外，激光定向能量沉积技术还被视为一种资源高效的制造方式，因为它仅在需要处添加材料，能够实现工件的修复与再制造，还能支持多材料或梯度结构的设计，从而延长高价值部件的使用寿命，减少材料浪费和能源消耗。正是基于这些优势，该技术被广泛应用于航空航天、工具制造、汽车工业以及那些对表面性能有较高要求但又不希望影响整体结构的领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。

马氏体不锈钢AISI 420因具有易硬化、易抛光、耐腐蚀以及尺寸稳定等优点，被广泛用于塑料注射模具等工具制造领域[6]、[7]、[8]、[9]。然而，在涉及玻璃纤维填充聚合物、重复注塑循环以及周期性热负荷的工作环境中，其表面硬度与耐磨性面临着巨大挑战，往往会导致磨料磨损、表面降解、尺寸偏差以及工具寿命缩短[10]、[11]、[12]。因此，人们通常采用物理气相沉积涂层或激光处理等方法来延长工具寿命[13]、[14]。除了耐磨性之外，热稳定性也是SS 420模具镶件的重要考量因素，因为在使用过程中这些镶件会反复经历加热与冷却，从而导致热应力及变形[12]。激光定向能量沉积技术为解决这些问题提供了有效方案，它能够沉积出致密且冶金结合良好的表层或梯度层，从而提升表面硬度与耐磨性，同时还便于实现局部修复并提升设计灵活性[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。此外，还有研究表明，借助磁场辅助的激光沉积技术可以稳定熔池动态，减轻激光沉积层中的热应力，进而提高其在周期性使用环境下的耐用性[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。

为提升AISI 420马氏体不锈钢的表面性能，人们采用了多种表面改性技术，包括等离子体氮化、激光硬化以及基于增材制造的表层处理方法[1]、[24]、[25]。虽然热化学处理方法能够提升表面附近的硬度与耐磨性，但其效果通常仅限于处理过的表面区域，而且不当的处理方式还可能因铬元素流失或氮化物/碳化物形成而改变材料的耐腐蚀性[24]。基于激光的沉积方法则能更好地控制涂层的厚度、成分以及冶金结合效果，但需要对凝固行为及残余应力进行精准调控[1]、[3]。尽管激光硬化是一种简单且经济有效的表面处理方法，可用于提升SS 420的硬度，但其效果通常仅限于改善现有基体的性能，无法恢复因磨损或侵蚀而丢失的材料。此外，硬化层的成分也不会发生变化，且有效硬化深度也较为有限。与激光硬化相比，粉末送入式激光定向能量沉积技术能够对磨损区域进行局部重建，同时生成成分可控、厚度更大且具备更强耐磨性与耐腐蚀性的SDSS 2507冶金结合表层。正是这些优势使得激光定向能量沉积技术特别适用于那些既需要恢复尺寸又需提升表面性能的受损SS 420注射模具部件的修复与寿命延长工作[13]、[14]、[24]、[32]。在此背景下，纳米压痕测试和纳米划痕测试等先进的力学表征方法逐渐成为研究激光沉积涂层局部变形、粘附机制以及磨损机制的有效工具[26]、[27]。此外，H/E和H3/E2等基于压痕测试的参数也被广泛用于将微观结构细化程度、缺陷控制情况与耐磨性及抗损伤能力联系起来，为全面评估涂层性能提供了量化依据[27]。

本研究选择超双相不锈钢2507作为涂层材料，是因为相较于传统的马氏体或奥氏体不锈钢，它具有更高的强度、更好的耐磨性以及更优异的耐腐蚀性能[28]、[29]、[30]。SDSS 2507所具有的铁素体与奥氏体相组成的平衡双相微观结构，使其在强度与韧性之间达到了良好平衡；此外，其较高的铬元素与钼元素含量则显著提升了材料对抗磨料磨损、点蚀以及应力腐蚀开裂的能力[28]、[31]。当SDSS 2507沉积在SS 420基体上时，有望提升表面的硬度，改善材料的弹塑性响应，增强摩擦稳定性，同时还能与马氏体基体保持良好的冶金相容性[32]。尽管具有这些优势，但以往的研究大多集中在镍基合金如因科镍625上，而对于在SS 420表面沉积SDSS 2507涂层的相关研究还比较有限，尤其是在控制凝固过程及微观结构方面[32]、[33]、[34]。最近的研究表明，通过激光增材制造工艺加工得到的SDSS 2507材料具有出色的机械强度、硬度以及耐腐蚀性，非常适合用于工具及模具等恶劣环境中的表面强化处理。例如，Mandal等人发现，在磁场作用下处理的SDSS 2507涂层具有更高的硬度与耐磨性，这体现了SDSS 2507在制作耐用表面涂层方面的潜力[32]。2507双相不锈钢的激光增材制造工艺也能使其具备与锻造材料相当的高强度以及更长的钝化时间[28]；而磁场辅助的激光熔覆技术则能够提升沉积在SS 420表面的SDSS 2507涂层的摩擦性能、微观结构细化程度以及机械响应能力[34]。

近期研究显示，在包括激光熔覆和激光定向能量沉积在内的激光沉积工艺中施加外部磁场，可以通过洛伦兹力驱动的磁流体动力学效应有效改变熔池动态[35]、[36]、[37]、[38]。这些相互作用会影响热量与溶质的传输、晶枝的生长以及元素的重分布，从而使凝固结构更加精细且均匀[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[39]、[40]、[41]、[42]。因此，有研究指出，磁场辅助的激光沉积技术能够提升多种合金体系的微观结构均匀性、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性能[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[43]、[44]、[45]。目前大多数研究都集中在镍基和钴基的激光熔覆涂层上[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，而对双相不锈钢的研究则相对较少，因为这类材料对影响相平衡、溶质重分布以及凝固稳定性的加工条件极为敏感[28]、[29]、[30]、[31]。在采用粉末送入式激光定向能量沉积技术将SDSS 2507沉积在马氏体SS 420基体上的过程中，如何维持适宜的铁素体与奥氏体比例、控制稀释程度以及确保界面稳定性，都是尚未得到系统研究的难题[29]、[30]、[32]、[34]、[46]。因此，目前对于磁场在磁场辅助的粉末送入式激光定向能量沉积过程中对SDSS 2507在SS 420表面的熔池行为、相态演变以及多尺度力学与摩擦性能的影响，仍缺乏足够的了解。

先前的研究已经表明，磁场辅助作用能够细化微观结构，降低稀释程度，并提升激光熔覆或激光定向能量沉积合金的性能[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。不过，这些研究大多仅关注单道沉积、单层涂层或沉积层的整体特性。至于恒定磁场在多层粉末送入式激光定向能量沉积过程中的层间凝固行为所产生的影响，尤其是随着沉积高度的变化，不同层之间的稀释程度、成分分布以及晶体学特征如何持续变化，目前还尚未进行系统的研究。因此，目前尚不清楚在初始沉积层中观察到的由磁场引发的微观结构细化现象是否会在后续层沉积过程中持续存在，以及这些变化如何影响SS 420表面上多层SDSS 2507沉积层的工艺-结构-性能关系。填补这一知识空白对于深入理解层间微观结构与性能的演变规律，以及制定可靠的磁场辅助多层粉末送入式激光定向能量沉积工艺策略具有重要意义。

尽管磁场辅助的激光加工技术越来越受到关注，但它在马氏体工具钢上对双相不锈钢进行粉末送入式多层激光定向能量沉积的应用仍然相对较少。本研究旨在系统探究恒定磁场如何影响在马氏体不锈钢420表面沉积超双相不锈钢2507时的熔池行为与凝固过程，重点研究层间重叠区域的演变情况、稀释行为、晶体学发展，以及多层沉积过程中所得到的力学与摩擦性能。在本研究中，研究人员在0和6毫特斯拉的恒定磁场作用下，采用粉末送入式激光定向能量沉积技术将SDSS 2507沉积在SS 420表面。首先通过单道沉积来确定工艺的稳定性，随后进行多层沉积，以研究随着距离基体界面增加，层间的稀释行为以及成分变化情况。研究人员利用场发射扫描电子显微镜、EBSD、XRD以及能量色散X射线光谱仪的元素分布分析功能，对材料的微观结构与相态特征进行了详细研究，重点分析了晶体织构、平均晶粒错位度、相分布、元素均匀性以及晶粒尺寸等参数。此外，还通过显微硬度检测、纳米压痕测试、纳米划痕测试以及往复磨损试验来评估材料的力学与摩擦性能，从而建立压痕测试参数与摩擦响应、耐磨性之间的关联。通过对单道沉积结果与多层界面特征的综合分析，可以全面了解恒定磁场是如何在多层沉积过程中影响熔池行为、凝固过程、稀释演变以及晶体学发展的。这种综合分析方法通过将热历史、微观结构演变、元素重分布以及多尺度力学与摩擦响应相互关联，建立了工艺-结构-性能之间的关系，进而拓展了磁场辅助粉末送入式激光定向能量沉积技术在工具材料耐磨表面工程中的应用范围。

与以往主要关注工艺优化、硬度提升、晶粒细化、热应力行为、耐磨性以及采用预置粉末的单道沉积方法的SDSS 2507在SS 420表面的磁场辅助激光熔覆研究不同[32]、[34]、[46]，本研究着眼于恒定磁场辅助的粉末送入式多层激光定向能量沉积技术。除了常规的涂层性能评估之外，本研究还通过定量分析重叠区域的成分演变、稀释特征、晶体学响应以及各沉积层之间的局部错位情况，系统研究了层间凝固行为。此外，通过EBSD获得的微观结构特征、元素重分布情况、热历史数据、纳米尺度力学响应以及摩擦性能等信息进行综合分析，建立起全面的工艺-结构-性能关系，从而更深入地理解恒定磁场在调控SS 420表面上SDSS 2507的多层粉末送入式激光定向能量沉积过程中的作用。

材料与方法：在本研究中，8毫米厚的马氏体不锈钢SS 420板材被切割成70毫米×20毫米大小的样品，用作沉积基体。涂层制备所用的超双相不锈钢2507粉末由Sandvik Osprey Ltd.提供，该粉末呈球形，颗粒尺寸在50到150微米之间。图1(a)和(b)展示了所收到粉末的形态以及颗粒尺寸分布情况。基线沉积参数的优化
本部分旨在建立稳定且可重复的基线沉积条件，以便系统地评估磁场辅助对熔池行为、元素稀释及微观结构演变的影响。其目的是确定能够实现连续轨迹形成、可控渗透以及可重复热条件的沉积参数，从而便于在有磁场辅助和无磁场辅助的情况下进行对比分析。

结论
本研究系统地探讨了在用激光定向能量沉积技术将超级双相不锈钢2507沉积到SS 420基底上时，恒定磁场对熔池行为、微观结构演变、元素稀释以及表面性能的影响。研究表明，施加6 mT的恒定磁场可通过洛伦兹力驱动的磁流体力学效应来稳定熔池对流，进而改善熔滴形态，提升金属结合质量。

作者贡献说明
Indranil Mandal：撰写原始稿件、方法设计、研究实施、概念构思。Malay Masanta：研究实施、数据整理。Partha Saha：撰写审稿与编辑版本、项目监督、项目管理、资金申请、概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者衷心感谢印度重工业部（资助编号12/4/2014-HE&MT）以及印度科技部（资助编号SR/FIST/ETII-031/2007）为该研究提供的支持。

Indranil Mandal | Malay Masanta | Partha Saha
印度西孟加拉邦卡拉格普尔，印度理工学院卡拉格普尔分校机械工程系，邮编721302