图1 水下激光熔覆系统示意图 。
图2 用于水下激光熔覆/重熔加工的水下激光熔覆系统 。
图3 水下激光熔覆示意图 。
3. 结果和讨论
3.1. 涂层外观和特性
图4显示了熔覆涂层和重熔涂层在不同激光功率值（1、3和5 kW）下的宏观形态和横截面 。 涂层长度为100毫米 。 在水下激光熔覆过程中 ， 熔池的凝固冷却速度更快 ， 没有氧化 。 因此 ， 所有涂层的外观都是连续和均匀的 ， 没有明显的缺陷 ， 如裂纹 ， 气孔 ， 夹杂物或缺乏熔合 ， 颜色为银白色 。 与包层涂层相比 ， 水下激光重熔工艺消除了涂层表面的鱼鳞现象 。 随着激光功率密度的增加 ， 重熔涂层的表面金属光泽更好 ， 表面粗糙度更小 。 通过分析DSS涂层的横截面 ， 发现随着激光功率的增加 ， 激光重熔影响区的深度逐渐增加 。 当激光重熔参数为5 kW时 ， 重熔影响区（RAZ）的穿透深度超过原始涂层 。 当激光重熔参数大于3 kW时 ， 大量枝晶生长并沿垂直于熔池边界的方向分布 ， 因为该方向的温度梯度最大 ， 因此散热最快 。
图4 激光熔覆涂层的宏观形态：（a-1）熔覆DSS涂层 ， （b-1）重熔1kW DSS涂层 ， （c-1）重熔3kW DSS涂层 ， （d-1）重熔5kW DSS涂层 。 激光熔覆涂层的横截面：（a-2）作为熔覆的DSS涂层 ， （b-2）作为重熔-1kW DSS涂层 ， （c-2）作为重熔-3kW DSS涂层 ， （d-2）作为重熔-5kW DSS涂层 。
3.2. 相组成
采用XRD技术分析了包覆涂层和重熔涂层的相组成 。 图5所示的X射线衍射图显示 ， 包层涂层由γ相和δ相组成 ， 分别具有四个γ峰{（111）、（200）、（220）和（311）以及四个δ峰{（110）、（200）、（211）和（220） 。 这一结果与其他研究一致 。 然而 ， 包层涂层的（211）δ相峰最高 ， 4个γ峰{（111）、（200）、（220）和（311）较低 。 这表明γ相的形成在循环水冷却的条件下受到抑制 ， 因为γ从基质δ沉淀的时间较短 。 随着激光功率密度的增加 ， {（211）δ相位的峰值减小 ， {（110）δ相位的峰值先减小后增大 。 在重熔-1 kW DSS涂层中 ， {（111）、（220）和（311）的峰值γ明显增加 。
图5 X射线包覆和重熔涂层 。
图6显示了包覆和重熔DSS涂层的OM图像 。 涂层/基材的界面是可见的（见图6c ， f ， i ， l） ， 熔合线也可以清楚地看到 ， 这表明涂层与基材具有良好的冶金结合 。 包层DSS涂层的微观结构由Widmanst?tten奥氏体（WA） ， 晶界奥氏体（GBA） ， 晶内奥氏体（IGA）和片状铁素体组成 ， 如图6a ， b所示 。 重熔-1 kW DSS涂层的重熔区由粗晶δ、片状铁素体和大量次生奥氏体 ， 它对应于XRD的测试结果 ， 如图6d所示 。 结果表明 ， 低激光功率重熔有利于次生奥氏体相的形成 。 与非水下激光重熔区相比 ， 水下激光重熔区铁素体、WA和IGA含量明显降低 ， 单相δ含量明显增加 。 水下激光重熔使涂层重新结晶 ， 由于不同区域的冷却速率不均匀 ， 出现了不同晶粒尺寸的δ 。 细晶粒δ出现在重熔涂层的顶部 ， 如图7a所示 ， 粗粒δ出现在涂层的中间 ， 如图7b所示 。 随着重熔激光功率密度的增加 ， 激光重熔的热影响区面积增加（图6c ， f ， i ， l） 。 由于激光能量的循环输入 ， 热影响区出现δ（黑色部分） 。
图6 包覆和重熔涂层的OM图像：（a）顶部区域 ， （b）中心区域和（c）包层DSS涂层的界面区域;（d）在顶部区域 ， （e）在中心区域和 （f） 在重熔-1 kW DSS 涂层的界面区域;（g） 顶部区域 ， （h） 中心区域和 （i） 重熔-3 kW DSS 涂层的界面区域;（j） 在顶部区域 ， （k） 在中心区域 ， （l） 在重熔-5 kW DSS 涂层的界面区域 。
图7 X射线包覆和重熔涂层 。 （a）：细粒δ ， （b）：粗粒δ 。
3.3. 合金元素的分布特性
为了确定水下激光重熔对奥氏体和等轴铁素体相中元素分布特性的影响 ， EPMA对样品进行了检查 。 从图8可以看出 ， 元素Cr主要集中在δ相 ， 而Ni含量的峰值趋于稳定在γ相 ， 这与以往的文献一致 。 进一步证实 ， 水下激光重熔后形成的等轴晶粒为铁素体 。
图8 重熔-3 kW样品的EPMA分析 。
3.4. WA + IGA + （211） δ→（110） δ相变的机理
激光重熔过程是局部淬火和加热过程 。 由于加热速度高 ， 表面加热速率可达104 °C–108°C/秒材料表面迅速达到奥氏体化温度 ， 铁素体通过非扩散转化为奥氏体 。 讨论了重熔涂层的微观结构和相组成 。 重熔 1 kW 涂层的微观结构不断发展并出现晶界 。 加热温度没有完全达到晶粒均质化温度 ， 这表明新晶粒开始生长 。 当激光重熔功率大于3 kW时 ， 熔覆层顶部和中部WA、IGA和片状铁氧体含量明显降低 ， 出现等轴晶粒 。 等轴颗粒被不同粒度的GBA颗粒包围 。 原位固溶退火热处理过程中双相不锈钢中面心立方奥氏体（fcc）到体心立方（bcc）铁素体的相变 。 结合重熔涂层的相组成和化学元素分布 ， 可以推断出等轴铁氧体在水下激光重熔后出现 。
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