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超声冲击辅助激光熔化沉积304不锈钢组织及性能研究

摘要

304不锈钢在室温下具有良好的力学性能、焊接性能与高温下优良的抗氧化性与强

度，被广泛应用于日常生活与工业生产的各个领域。但是其切削性能较差，而激光熔化

沉积（LaserMeltingDeposition,LMD）技术可以实现难加工复杂零件的近净成形，适合

于304不锈钢的快速制造。然而，激光熔化沉积技术制备的304不锈钢存在气孔与粗大

柱状晶等问题而严重影响其力学性能。超声冲击可以使金属表层产生较大程度的塑性变

形，愈合表层气孔，细化表层晶粒，并向零件内部引入较大残余压应力，但是也存在作

用范围有限的缺点。因此，本文选用激光熔化沉积技术制备了304不锈钢试样，研究激

光功率对激光熔化沉积304不锈钢成形质量、组织及性能的影响；并在通过有限元方法

研究超声冲击对激光熔化沉积单道多层试样的作用效果的基础上，进行了逐层超声冲击

辅助激光熔化沉积304不锈钢试样制备，研究了超声冲击对激光熔化沉积304不锈钢的

组织与力学性能的影响效果与作用机理。研究结果表明：

随着激光功率的提高，激光熔化沉积304不锈钢试样单道单层试样的熔高、熔宽和

宽高比逐渐增大，接触角减小；单道多层试样宽度逐渐增加，高度先提高再降低，试样

内部气孔尺寸先降低再增加。激光熔化沉积微观组织由铁素体与奥氏体构成。激光熔化

沉积多层试样内微观组织均为骨架状铁素体，层间位置微观组织为粒状与骨架状铁素体

共存的混合组织。在不同激光功率的试样内奥氏体均为粗大柱状晶，随着激光功率的提

高，奥氏体柱状晶宽度增加。由于沉积过程中材料内膨胀变形不匹配，试样内均在较多

位错。在后续热循环下，再结晶形成小晶粒。随着激光功率的提高，小晶粒数量先增加

再减少。由于气孔与铁素体的减少，随着激光功率的提高，试样显微硬度随着提高；但

在激光功率为2100W时，激光熔化沉积试样拥有最好的强度-塑性组合，屈服强度为

368.0MPa，抗拉强度为596.4MPa，延伸率为39.8%。激光功率为2100W时，激光熔

化沉积304不锈钢试样的成形质量与力学性能相对较好。

采用数值模拟方法模拟了超声冲击对激光熔化沉积单道多层304不锈钢试样的应

变与应力场分布的影响。结果表明，超声冲击以较高速度撞击试样表面，冲击过程中试

样表层最高应力可达1093.0MPa，可使试样表层产生较大范围的塑性变形。随着与冲击

中心位置距离的增加，超声冲击后内部应力与塑性变形逐渐减小。超声冲击产生的剪切

应力超过试样的剪切屈服强度，因此可有效愈合激光熔化沉积试样内部气孔。超声冲击

产生的塑性变形深度可达2.39mm，超过了激光熔化沉积304不锈钢单层试样的最大高

哈尔滨工程大学硕士学位论文

度（0.63mm），为使超声冲击效果作用于整个激光熔化沉积试样，本文将超声冲击逐层

作用于激光熔化沉积的沉积层上。

选择成形效果与力学性能较好的激光功率（2100W），进行了逐层超声冲击辅助激

光熔化沉积304不锈钢试样的制备。发现引入逐层超声冲击工艺后，激光熔化沉积304

不锈钢试样内气孔数量与尺寸减小，但是超声冲击并未改变试样物相，仍为铁素体与奥

氏体。超声冲击后，试样微观组织转变为无明显方向性的骨架状铁素体。在后续沉积的

热循环下，超声冲击向试样内引入的大量位错发生湮灭与重排，逐渐聚集形成小角度晶

界与大角度晶界，分割晶粒，完成再结晶过程，使激光熔化沉积304不锈钢试样内粗大

柱状晶转变为细小等轴晶，且每个沉积层内晶粒尺寸从顶部到底部逐渐增大。引入超声

冲击工艺后，由于气孔减少、晶粒细化与位错强化，激光熔化沉积304不锈钢试样平均

硬度由126.3HV提高到171.3HV，屈服强度由368.0MPa提高到401.9MPa，抗拉

0.20.2

强度由596.4MPa提升至622.2MPa，延伸率由39.8%提升至46.7%。

关键词：激光熔化沉积；304不锈钢；超声冲击；微观组织；力学性能

超声冲击辅助激光熔