碳化钨对钴基合金激光熔覆层组织、力学性能及摩擦学特性影响的研究

论文摘要

自上世纪七十年代首次实现激光熔覆以来,因其具有能量密度高、加热及冷却速度快、热影响区小、热变形少、熔覆层稀释率低、组织致密细小、材料适用面宽、工艺可控性好等突出特点,使得该项技术得到长足发展,其应用面逐步扩大。本论文根据激光熔覆加工的特点,以减小激光熔覆层开裂倾向、降低成本为目标,开发了 WFLC-11激光熔覆专用钴基合金粉末材料。与同类型的Stillite6钴基合金相比,WFLC-11钴基合金的激光熔覆工艺性能优良,激光熔覆层的开裂倾向明显减小,采用以Ni代Co合金设计,降低了材料生产成本,其总体性能与Stillite6钴基合金相当,且抵抗高温硬度下降的能力更强。该合金材料己获得发明专利,并在一些产品的耐磨面熔焊、关键件修复中得到应用。本论文以钻基合金激光熔覆层的组织与性能为着眼点,针对目前影响激光熔覆技术广泛应用的熔覆层开裂问题以及进一步提高钴基合金激光熔覆层性能的关键技术,开展了常用的钴基合金材料及激光熔覆专用钴基合金材料的激光熔覆工艺性能和激光熔覆层凝固组织特征、微区成分、硬度梯度的研究,测定了激光熔覆层的残余应力变化并探讨了熔覆层的开裂倾向,深入研究了添加的碳化钨第二相硬质点对钴基合金激光熔覆层产生的影响,重点研究了激光熔覆层的常温及高温摩擦学特性。在激光熔覆层技术领域中,激光熔覆专用合金材料以及添加第二相硬质点的钻基合金激光熔覆层的摩擦学特性的研究,一直是薄弱的环节,本论文开展的工作具有创新性,特别是进行的激光熔覆钴基合金/WC复合涂层的高温摩擦学特性研究,填补了该领域研究的空白。本论文基于耐磨涂层的强度和摩擦学性能要求,针对激光加工的特点,设计了激光熔覆层,并制备出合格的样品。利用高分辨扫描电镜（HRSEM）、微区电子探针（EDAX）、能谱仪（EDS）等现代分析手段,研究了钴基合金激光熔覆层的凝固组织特征和微区成分分布,同时开展了与等离子喷焊层的对比研究。激光熔覆层的凝固组织致密、晶粒细小、硬度更高,快速凝固组织特征更明显;由于高能量密度的激光束作用,激光熔覆层稀释率低,具有更高的表层质量。研究表明,通过合理控制激光熔覆工艺参数,可以获得无裂纹的激光熔覆钴基合金/WC复合涂层。碳化钨加入钴基合金后,激光熔覆层凝固组织的基本特征没有改变,但树枝晶晶间共晶组织的凝固行为受到影响,随着碳化钨加入量的提高,共晶量增加,并有其他一些复杂产物析出,在亚共晶区域有游离态的碳存在;钴基合金中加入碳化钨颗粒,在合金凝固过程中起到异质形核作用,晶核数增加,凝固组织的晶粒尺寸减小,晶粒细化;钨作为钴基合金的强化元素,大部分以碳化物等形式固溶于亚共晶和共晶组织中,当其含量足够高时,钨将以碳化物的形式析出并分布于凝固组织基体之上,其形态呈花状、星状等多种形貌;一些颗粒较大的碳化钨来不及完全溶解而存在于寿命极短的熔池之中,且未成为熔体凝固时的晶核,而是在随后的熔体凝固中独立存在,并沿着晶界等自由能较高的部位有序分布;随着钴基合金中碳化钨加入量的增加,激光熔覆复合涂层的硬度提高,这为提高熔覆层的耐磨性创造了条件。激光熔覆层的残余应力性质与大小,不仅影响熔覆层的性能,而且直接影响熔覆层的开裂倾向。本论文系统研究了不同工艺和熔覆层厚度条件下钴基合金激光熔覆层的开裂倾向,发现激光熔覆层萌生裂纹存在一个临界厚度。采用剥层法测量了激光熔覆层的残余应力,找出了残余应力的分布特点。同时,测定了钴基合金激光熔覆层和激光熔覆钴基合金/WC复合涂层的热膨胀系数,研究了组织变化对残余应力的影响规律。总体来讲,加入碳化钨的激光熔覆钴基合金/WC复合涂层的开裂倾向大于未加碳化钨的钴基合金激光熔覆层,但是,通过改变第二相颗粒数量,可以调整激光熔覆层的热膨胀系数曲线的变化趋势,达到分别控制高温和低温阶段的裂纹萌生和扩展的目的。制备耐磨表面涂层,是激光熔覆的主要目的之一。本文系统研究了钴基合金激光熔覆层和激光熔覆钴基合金/WC复合涂层的摩擦学性能。将激光熔覆试样与复合氮化硅陶瓷构成摩擦副,利用专用的数控销盘式摩擦磨损试验机进行了空气条件下不同温度的摩擦磨损试验;借助于高分辨扫描电镜（HRSEM）和三维白光轮廓仪,分析了涂层的磨痕形貌。试验表明,激光熔覆层的摩擦系数和磨损率低于等离子喷焊层;随着钴基合金中加入碳化钨的量的增加,激光熔覆层的摩擦系数和磨损率降低,特别是磨损率的降低幅度更为明显;随着试验温度升高,激光熔覆层的摩擦系数和磨损率也呈下降趋势;试验温度极大地影响涂层的磨损机制。在室温条件下,激光熔覆层的磨损机制主要表现为磨料磨损;在高温条件下,激光熔覆层的磨损机制主要为粘着磨损和氧化磨损。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 综述
• 1.1 引言
• 1.2 激光熔覆技术介绍及激光熔覆技术研究进展
• 1.2.1 激光熔覆技术介绍
• 1.2.2 激光熔覆工艺方法研究进展
• 1.2.3 激光熔覆层组织结构研究进展
• 1.2.4 激光熔覆层应力状态及开裂性研究进展
• 1.2.5 激光熔覆材料研究进展
• 1.2.6 添加其他强化相的激光熔覆复合涂层工艺研究进展
• 1.3 激光熔覆层的摩擦学特性研究进展
• 1.4 激光熔覆技术的应用现状
• 1.5 本论文的研究工作和目的意义
• 第二章 激光熔覆层设计
• 2.1 激光熔覆设计原则
• 2.2 激光熔覆工艺特点
• 2.3 激光熔覆工艺方法
• 2.4 耐磨激光熔覆层设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 钴基合金激光熔覆层微观组织、硬度分布及其与等离子喷焊层的对比研究
• 3.1 钴基合金激光熔覆层及等离子喷焊层制备方式
• 3.2 试验结果与分析
• 3.2.1 锚基合金激光熔覆层及等离子喷焊层的成型性
• 3.2.2 锚基合金激光熔覆层凝固组织特点及与等离子喷焊层对比分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 碳化钨对钴基合金激光熔覆复合涂层微观组织、开裂倾向及硬度分布影响的研究
• 4.1 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层成分设计
• 4.2 试验及检测方法
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层的成型性及开裂倾向
• 4.3.2 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层凝固组织特点
• 4.3.3 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层凝固组织中主要元素的变化规律
• 4.3.4 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层凝固组织中碳化物析出相的形貌特征
• 4.3.5 激光熔覆钴基合金/碳化钨复合涂层硬度梯度变化
• 4.4 本章小结
• 第五章 碳化钨对激光熔覆专用钴基合金激光熔覆复合涂层微观组织、应力状态及开裂倾向影响的研究
• 5.1 WFLC-11激光熔覆专用钴基合金激光熔覆技术研究
• 5.1.1 WFLC-11激光熔覆专用钴基合金激光熔覆试验条件
• 5.1.2 WFLC-11激光熔覆专用钴基合金激光熔覆试验结果与分析
• 5.2 碳化钨对WFLC-11激光熔覆专用钴基合金激光熔覆复合涂层组织和性能的影响
• 5.2.1 激光熔覆WFLC-11钴基合金/碳化钨复合涂层试验条件
• 5.2.2 激光熔覆WFLC-11钴基合金/碳化钨复合涂层试验结果与分析
• 5.3 讨论
• 5.3.1 激光熔覆层残余应力变化规律
• 5.3.2 激光熔覆层裂纹形成规律
• 5.4 本章小结
• 第六章 钴基合金激光熔覆层及钴基合金/WC激光熔覆复合涂层摩擦学特性研究
• 6.1 试验装置及原理
• 6.2 试样及试验方法
• 6.2.1 试验试样
• 6.2.2 对磨试样
• 6.2.3 试验条件和试验方法
• 6.3 试验结果与分析
• 6.3.1 涂层摩擦系数的变化
• 6.3.2 涂层的磨损状况
• 6.4 讨论
• 6.4.1 工艺条件对涂层摩擦学特性的影响
• 6.4.2 摩擦磨损试验温度对涂层摩擦学特性的影响
• 6.4.3 钴基合金中碳化钨第二相硬质点对涂层摩擦学特性的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 论文创新点及今后工作展望
• 7.1 本论文的创新点
• 7.2 今后工作的展望
• 第八章 全文总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的主要成果
• 致谢