激光熔覆钴基金属陶瓷复合层组织与性能的研究

论文摘要

催化装置的滑阀一般工作在700℃左右的高温环境下,受到高速的含催化剂固态颗粒气流的冲刷,由于工作环境恶劣,导轨、阀板等内部构件极易腐蚀磨损失效。通常采用热喷涂和堆焊技术强化和修复滑阀内部构件,存在着很大的局限性。本文采用5kW横流CO2激光器,在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面分别制备了Stellite6钴基合金以及含有不同比例WC和适量Al的Stellite6/WC钴基金属陶瓷复合层。利用OM、SEM、XRD等手段分析了熔覆层的显微组织结构、相组成,观察了高温冲蚀后的表面形貌;采用电子探针线扫描技术,研究了结合区和熔覆层各合金元素的分布情况;对熔覆层的硬度、抗高温氧化和抗高温冲蚀性能进行了测试,并对高温氧化和冲蚀磨损机理进行了探讨。试验结果表明,激光熔覆层致密均匀,实现了与基体良好的冶金结合,无裂纹、气孔等缺陷。熔覆层的主要组成为γ-Co（面心立方）过饱和固溶体以及碳化物CoCx、Co6W6C、Cr23C6和WC1-x;显微组织为大体上垂直于界面生长的平面晶和胞状晶,向熔池中部过渡为多方向生长的树枝晶区,近表面为平行于激光扫描速度方向生长的细小枝晶区。熔覆层具有很高的硬度,约为基体的2-3倍,而且随WC加入量的增加表面硬度逐渐提高。在700℃高温条件下,钴基合金和添加10%WC（2%Al）钴基合金熔覆层的抗高温氧化性能均比基体优异,其氧化增重约为基体的一半。钴基合金熔覆层具有良好的抗高温氧化性能,在于Co能有效地促进Cr2O3、CoO?Cr2O3的形成,而这一氧化膜致密稳定,并且CoO与Cr2O3间较强的结合键增强了膜的致密性。添加10%WC（2%Al）使熔覆层中Co和Cr元素的含量在一定程度上有所降低,但为消除气孔而加入的Al可以形成一定数量的Al2O3膜,因此其氧化增重速度与钴基合金熔覆层大体相当。700℃、90°攻角下,钴基合金和添加10%WC（2%Al）的钴基合金熔覆层的抗高温冲蚀磨损性能均比基体优异,添加10%WC（2%Al）的熔覆层性能最好,钴基合金熔覆层次之。钴基合金熔覆层的冲蚀机制以犁削脱落为主,伴随挤压后的片屑剥落;添加10%WC（2%Al）的激光熔覆层以挤压后的片屑剥落为主。分析认为,对于钴基合金和添加10%WC（2%Al）熔覆层,由于致密保护膜的存在,有效地降低了底材金属受到的冲击力,使试样具有较低的冲蚀率。添加20%WC（2%Al）熔覆层,由于疏松的氧化膜在磨粒的冲蚀下大面积剥落,保护作用失效,故冲蚀率很高。在Stellite6钴基合金中添加10%WC（2%Al）,采用适宜的激光加工工艺参数制备的钴基金属陶瓷复合层具有比Stellite6钴基合金熔覆层更为优异的性能,而且可以减少钴基合金的使用量,具有很大的工业应用价值,为激光熔覆钴基金属陶瓷在滑阀内部构件上的应用提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义及来源
• 1.2 滑阀内部构件的服役特点
• 1.3 激光熔覆及国内外研究现状
• 1.3.1 特点及分类
• 1.3.2 激光熔覆金属陶瓷研究现状及存在问题
• 1.4 研究目的和研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 试验材料、方法及设备
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 熔覆粉末
• 2.2 试验方法及设备
• 2.2.1 熔覆层的制备方法及设备
• 2.2.2 表面缺陷检测
• 2.2.3 组织观察与分析
• 2.2.4 高温氧化试验
• 2.2.5 硬度测试
• 2.2.6 高温冲蚀试验
• 2.2.7 其它试验方法及设备
• 第三章 熔覆层组织结构分析
• 3.1 宏观形貌
• 3.2 显微组织及形成机理
• 3.2.1 显微组织
• 3.2.2 形成机理
• 3.2.3 工艺参数对组织的影响
• 3.3 相结构与元素分布
• 3.3.1 相结构分析
• 3.3.2 元素分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 熔覆层高温氧化性能
• 4.1 氧化试验过程
• 4.2 氧化动力学曲线
• 4.3 抗氧化性能分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 熔覆层抗高温冲蚀性能
• 5.1 涂层的硬度分布
• 5.2 高温冲蚀性能
• 5.2.1 冲蚀动力学曲线
• 5.2.2 影响高温冲蚀性能的材料因素
• 5.3 高温冲蚀形貌分析
• 5.4 高温冲蚀磨损机理分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢