热锻模模膛表面激光熔覆Cr3C2耐热层的应用基础研究

论文摘要

锻制钢质锻件的热锻模,其正常失效的表现形式主要是热疲劳磨损和塑性变形,失效发生的部位在模膛表面及近表面层。长期的实践证明,现有的均质热锻模具钢均难以满足热锻模模膛表面及近表面层的使用性能要求,所产生的热锻模使用寿命问题,至今仍未取得显著进展。缓解热应力的梯度材料技术和表面工程技术为解决热锻模使用寿命问题提供了新的思路新的方法。笔者所在课题组正就此问题进行相关研究。本文试图应用激光熔覆技术在热锻模模膛表面制备出金属陶瓷耐热耐磨层,就是解决热锻模模膛表面强化问题的一种探索性实验研究。本文首先总结了国内外对热锻模方面的研究,着重介绍了热锻模的失效的形式,热物性参数对热锻模寿命的影响。然后重点介绍激光熔覆技术的发展、原理及其工艺方法等。第二部分是设计了一个激光熔覆试验,试验研究用的基体材料W6Mo5Cr4V2,是根据相关研究确定的热锻模模体梯度材料结构中模膛近表层材料的一种。通过对不同材料成分配比、不同激光加工参数试样的宏观、微观分析,包括金相显微分析、X射线衍射分析、SEM扫描电镜分析、EDX能谱分析,以及硬度检测,选出了合理的材料配比和激光加工参数。同时分析阐述了Ni/Ni-Cr-Cr3C2激光强化机理,不同的激光参数对覆层的硬度和显微组织的影响。还对覆层的热应力参数,包括弹性模量E、材料的热胀系数α、材料热传导系数入和材料比热容C进行了测定。第三部分对测试结果进行分析,得出了相关结论。试验的微观组织分析表明,熔覆试样由表及里分为三个不同的组织区域;熔覆层、熔覆层与基体之间的结合区、热影响区。熔覆层与热影响区有平面晶带,腐蚀后在扫描电镜的背散射下呈白亮色由γ—Ni平面晶构成。熔覆层底部近结合区呈束团状的共晶组织,熔覆层中部区域有大量的黑灰色的块状和柱状晶组织,整个熔覆区还存在着大量灰白色的条块状组织。物相分析和硬度分析表明,熔覆层的物相主要是由Y-Ni,Cr7C3、Cr3C2、Cr23C6、CrB、M23（C,B）6、γ—（Ni,Fe）组成的,同时覆层的硬度也显著增加。物性参数测定表明,覆层的工程热胀系数在温度小于200℃时随温度变化的程度比较大,在200℃以上,工程热膨胀系数的上升曲线逐渐变缓。并且覆层的工程热膨胀系数比理论的大。覆层的热传导系数和比热容实测结果比理论值小,但热传导系数比较符合预先的效果。弹性模量的值比基体钢略微高。试验结果最终证明,激光熔覆工艺参数对熔覆层的宏观形貌、微观组织及涂层性能有极大的影响,在激光熔覆工艺参数为功率P=7Kw,速度Vs=5mm/S光斑直径D=3mm,厚度T=0.6mm,50%;50%的Ni60;Ni-Cr-Cr3C2的条件下,所得到熔覆层表面光滑致密、组织细小均匀、稀释率小、硬度高且与基体实现了良好的冶金结合,证明这种方法是一种在提高热锻模寿命方面有前途的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 模具工业的重要地位
• 1.1.2 热锻模的现状
• 1.2 热锻模的失效形式
• 1.2.1 热负荷对热锻模的影响
• 1.2.1.1 热疲劳
• 1.2.1.2 相变
• 1.2.1.3 回火反应
• 1.2.1.4 塑性变形
• 1.2.2 机械负荷及其产生的影响
• 1.2.2.1 脆性破裂
• 1.2.2.2 机械裂纹
• 1.2.2.3 机械磨损
• 1.2.2.4 塑性变形
• 1.2.3 综合应力的影响
• 1.3 热锻模的寿命与应力的关系
• 1.4 影响热锻模寿命的物理性能参数
• 1.4.1 四个热应力参数的定义
• 1.4.1.1 弹性模量的定义
• 1.4.1.2 线膨胀系数的定义
• 1.4.1.3 导热系数的定义
• 1.4.1.4 比热容的定义
• 1.4.2 热应力参数对锻模综合应力的影响
• 1.4.2.1 弹性模量变化对锻模综合应力的形响
• 1.4.2.2 线膨胀系数变化对锻模综合应力的影响
• 1.4.2.3 导热系致变化对锻模综合应力的影响
• 1.4.2.4 比热容变化对锻模综合应力的影响
• 1.5 本文的主要内容及意义
• 1.6 章小结
• 第二章 激光熔覆技术基础
• 2.1 激光熔覆技术概述
• 2.2 激光熔覆原理及特点
• 2.3 激光熔覆工艺方法
• 2.4 激光熔覆熔池的对流机制
• 2.4.1 激光熔覆过程中的数学模型
• 2.4.2 激光熔覆工艺引起的成分不均匀
• 2.5 激光熔覆技术的应用
• 2.6 激光熔覆技术存在的主要问题
• 2.7 激光熔覆技术的发展方向
• 2.8 激光熔覆的材料体系
• 2.8.1 自熔性合金粉末
• 2.8.1.1 铁基合金
• 2.8.1.2 镍基合金
• 2.8.1.3 钴基合金
• 2.8.2 陶瓷材料
• 2.8.3 复合粉末
• 2.9 激光熔覆在本文实验研究中的应用
• 2.10 章小结
• 第三章 试验材料及试验方法
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 基底材料
• 3.1.2 覆层材料
• 3.1.2.1 粘结金属的选择
• 3.1.2.2 陶瓷粉未的选择
• 3.2 覆层的激光熔覆方案
• 3.3 激光覆层检测分析
• 3.3.1 显微结构分析
• 3.3.1.1 金相显微分析
• 3.3.1.2 X射线衍射分析
• 3.3.1.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.3.2 性能测试
• 3.3.2.1 维氏硬度的测定
• 3.3.2.2 热物理性能测定
• 3.3.2.3 弹性模量的测定
• 3.4 章小结
• 第四章 实验结果及分析
• 4.1 激光熔覆层的一般特征
• 4.1.1 覆层的相组成
• 4.1.2 覆层的组织
• 4.2 激光熔覆参数对熔覆层质量的影响
• 4.2.1 激光熔覆参数、覆层成分对熔覆层表面形貌的影响
• 4.2.2 激光加工参数对复合覆层稀释率的影响
• 4.3 激光熔覆工艺参数对覆层显微硬度的影响
• 4.3.1 扫描速度对熔覆层显微硬度的影响
• 4.3.2 激光输出功率对熔覆层显微硬度的影响
• 4.3.3 熔覆层成分对熔覆层显微硬度的影响
• 4.4 激光工艺参数对熔覆层组织的影响
• 4.5 热应力参数的测试结果
• 4.5.1 热胀系数的测定
• 4.5.2 比热容和热导率的测定
• 4.5.3 弹性模量的测定
• 4.6 章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文