雷射噴塗合金層在鋼基板之製備與其微結構特性研究

 

刊登日期:2020/6/5
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劉武漢、蕭威典、呂明生、賴宏仁、陳泰盛、廖苡良/工研院材化所;陳天青、李宏文、李昱霆/精鐳光電科技(股)公司
 
本研究藉由雷射噴塗製程,製作具有高韌性與抗腐蝕性之Ni基和Fe基塗層材料,分析包括AISI 316L與Inconel 718合金塗層等之銲滴微結構特性,具有結合銲接與熱噴塗技術特徵,多數專家視其為往毫米(mm)或厘米(cm)級尺寸之金屬層製備的延伸技術。發展以雷射光源之乾淨低汙染製程,應用在工業上的修補與再生市場,具有重要之迫切需求及潛在開發價值。
 
【內文精選】
前 言
傳統鎳基合金(Ni Based Alloy)與鋼鐵或Fe基合金材料,具有接近陶瓷之高溫破壞強度特性(圖一),而一直受到工業界之重視與對待,且多數具有可銲接性。可銲接之合金系統以傳統鎢極惰性氣體保護銲(Tungsten Inert Gas Welding; TIG)、熔化性電極惰性氣體保護銲接(Metal Inert Gas Welding; MIG)、熔化性電極活性氣體保護銲接(Metal Active Gas Welding; MAG)、電漿轉移弧堆銲(Plasma Transferred Arc; PTA)技術製作披覆層,形成機械零件之再生與製造。此製作過程稱之為銲接,其方式是藉由通過加熱金屬粉體或線材,於母材上熔化出銲球軌跡,通常選用之銲接材質與母材具有大幅度之親水角度接觸,進而產生潤溼現象,而彼此連結在一起,接著達到原子之間的結合而形成永久性冶金鍵結連接的技術過程。這種技術可讓瞬間熔融之銲球,沿不同線性或弧度銲接加工軌跡運動,而走過路徑隨之形成堆積材料並冷卻下來,完成所需之銲道型態。
 
圖一、金屬與陶瓷材料在高溫下的破裂強度
圖一、金屬與陶瓷材料在高溫下的破裂強度
 
實驗方法
本實驗AISI 316L Stainless Steel(代號316L)與Inconel 718(代號In718)兩種餵料粉體之粒徑範圍在-150/+53 μm。圖二所示為本實驗雷射噴塗系統,其中Laser光源採用2,000 W光纖雷射與Precitec加工頭(圖三)。以ABB機械手臂程式執行噴塗,於基板尺寸L60 mm × W60 mm × H10 mm鋼材(S45C中碳鋼與AISI 304不鏽鋼基材)噴塗製作熔覆層(Cladding Layer)(圖四)。參數列於表一,以輸送功率百分比Power (%W)表示出光能量,D為Nozzle出口端至母材距離,手臂加工移動速度為V (mm/s),Powder Disk表示粉末罐之出粉量,Overlap Layer Number表示線性單一軌跡之重疊次數,若2次則為來回各跑一次,線性單披覆層為長度50 mm,寬度與高度由參數與熔覆材料決定,約為W1~2 mm × H1~5 mm。而積層則於L60 mm × W60 mm × H10 mm AISI 304鋼上(圖五),設計製作出L25 mm × W25 mm × H52 mm,正方旋殼薄殼厚度為10 mm,參數列於表二。每一參數有三組試片,以後述多種不同之顯微鏡儀器分析。
 
結果與討論
AISI 316L(代號316L)不鏽鋼Fe基合金噴塗於AISI 304(代號304S)不鏽鋼基材之金相,顯示呈現熔覆扇形披覆層,最厚處約203 μm(圖七(a));Inconel 718(代號In718)Ni基合金噴塗於AISI 304(代號304S)基材之金相則以長度方向剖面觀察,顯示呈現熔覆披覆層,厚度約500 μm(圖七(b))。
 
圖八(a)、(b)分別顯示316L蝕刻後剖…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。面之光學顯微鏡(OM)及電子顯微鏡(SEM)金相,扇形披覆層最厚處分別為388 μm與373 μm。圖九(a)則針對In718光學蝕刻剖面OM金相,扇形披覆層最厚處比316L稍薄,為296 μm。圖八(a)另外顯示細微之一次晶粒(Primary Grain),約為<4.5 μm,緊鄰細晶粒為稍長大之二次晶粒(Secondary Grain),約為30~45 μm,扇形披覆層與304S母材界面周圍有長條晶粒群聚,約為L60~65 μm × W2~4 μm,方向往細晶粒插入,並往扇形中心延伸,此特徵仍是屬於單銲道之外延結晶(Epitaxial Crystallization),主要是往散熱最快的方向流動而成長,並冷凝下
 
圖九、Inconel 718噴塗於S45C中碳鋼基材之蝕刻剖面 (a)OM金相;(b)為(a)之放大金相
圖九、Inconel 718噴塗於S45C中碳鋼基材之蝕刻剖面 (a)OM金相;(b)為(a)之放大金相
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》402期,更多資料請見下方附檔。

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