【论文介绍】模具钢表面激光沉积316L不锈钢的组织转变及差异性
研究背景
在模具修复领域，激光同步送粉沉积技术可以实现高硬度、曲面结构、大尺寸等众多难修复场合的高性能修复。模具钢种类繁多且成形工艺复杂，同时成分、组织差异性大，而目前适合于激光沉积成形的粉末种类相对较少；对于许多出现缺陷的模具，并没有与其成分相同的粉末材料，而采用高强度材料修复会存在易开裂等问题。研究采用异种成分合金钢对模具钢进行修复具有重要意义。由于模具钢中通常具有一定的含碳量，可以利用沉积过程中稀释作用，实现熔池中化学成分的再优化，即选择低强度合金钢来实现模具钢表面在一定厚度范围内的高性能（高硬度）修复。作者研究了两种Cr系注塑模具钢表面采用316L不锈钢激光沉积修复过程中组织演变机制及其对修复区硬度演变的影响。
结果展示
图1为高Cr莱氏体钢表面沉积316L不锈钢界面位置处组织过渡区（组织转变区）微观组织形态，在基体和沉积层界面位置处存在一个宽度大于100 μm的组织过渡区，从基体界面开始碳化物相依次经历了局部位置处聚集性长大、均匀分布于枝晶间、最终在非组织过渡区消失。碳化物的形成与组织过渡区内局部位置处的Cr、C元素富集密切相关（如图2所示）。图3为P20模具钢表面沉积316L不锈钢界面位置处的微观组织，组织过渡区的厚度小于20 μm，该区域组织仍呈现枝晶形态，且枝晶与沉积层底部连通。
图1 高Cr莱氏体钢沉积界面位置处微观组织形貌
（a）整体形貌；（b）A区域组织；（c）B区域组织；（d）C区域组织；
图2 过渡区域与高Cr莱氏体钢界面的主要元素的成分面分布图
图3 P20沉积界面位置处微观组织形貌
（a）整体形貌；（b）枝晶间组织
图4为在两种基体上沉积过程界面熔凝机理图，其中高Cr莱氏体钢有碳化物存在，即存在着C和Cr元素的微观成分偏析，高Cr莱氏体钢中初生碳化物相溶解的温度较高且以较大块状分布，在快速熔化阶段中属于后溶解相，碳化物溶解后会造成局部位置处的C和Cr元素富集，如图4 (a-1)所示；同时近界面位置处温度梯度大，元素的扩散不充分，在凝固阶段中会出现非平衡凝固，当局部位置达到共晶相转变条件时，则形成共晶碳化物相，且在该局部区域碳化物存在明显长大趋势，如图4 (b-1)所示。随着凝固界面远离熔池底部位置（熔合线），温度梯度降低（过冷度降低），凝固过程成分偏析减弱，因而碳化物局部析出及长大趋势降低且分布偏聚性减弱，以共晶相形式分布于枝晶间。而P20模具钢在激光沉积过程中，相关元素未发生明显的界面位置处微观偏析，凝固组织从界面位置开始以枝晶方式生长，C元素从基体熔化后经历充足的成分扩展。
图4 高Cr莱氏体钢（1）与P20钢（2）在激光沉积过程中的界面熔凝转变机理
（a）熔化阶段；（b）凝固阶段
原文出处：
模具钢表面激光沉积316L不锈钢的组织转变及差异性
王志国，何振丰，赵吉宾，赵宇辉，聂长武，张宏伟
材料工程，2021，49(2)：105-113.
DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000186