钢表面激光多层熔覆技术的应用基础研究

论文摘要

本文采用CO2激光宽带熔覆技术分别在45号钢块状试样表面成功制备了添加经造粒的纳米WC/Co的镍基、铁基单层及镍基多层熔覆层。在多层熔覆层中每层添加的经造粒的纳米WC/Co的质量分数从0%～10%～20%～30%呈梯度变化。利用扫描电镜、EDAX射线能量分散谱仪、X’Pert PRO多功能型X射线衍射仪、金相显微镜、原子力显微镜观察并分析了熔覆层的显微组织、成分分布、相组成、磨损形貌及表面结构。采用HX-1000显微硬度计测试熔覆层的显微硬度。采用HV-50维氏硬度计在熔覆层中制取维氏硬度压痕，以EVANS压痕法来测定熔覆层的断裂韧性。采用HT-600高温摩擦磨损试验机测定熔覆层的摩擦系数与耐磨性能。激光单层熔覆试验结果表明：制备的添加经造粒的纳米WC/Co的Ni基及Fe基激光单层熔覆层，具有晶粒细小、组织均匀、无孔隙和裂纹、并与基体呈良好冶金结合的特征。显微镜下，镍基熔覆层中物相主要为黑色（Fe, Ni）、B2Fe3Ni3、Fe3Ni2基体上分布着以Cr2Fe14C、Cr-Ni-Fe-C、WC为主的白色碳化物相。铁基熔覆层中物相主要为黑色（Fe, Ni）、B2Fe3Ni3基体上分布着以（Fe, C）、Cr-Ni-Fe-C、W2C、Fe3W3C为主的白色碳化物相。在相同载荷条件下，采用EVANS压痕法测得喷焊经造粒的纳米WC/Co的Ni基复合陶瓷涂层断裂韧度K1c平均值为9MN m-3/2，而在现有维氏硬度计最大载荷情况下，激光熔覆添加经造粒的纳米WC/Co合金粉末涂层得到的熔覆层仍无裂纹出现，此结果表明后者比前者的K1c值有明显提高，证实了纳米抗裂作用对激光单层熔覆层的抗裂性能做出了重要贡献。在相同工艺参数条件下，镍基熔覆层的显微硬度是基体显微硬度的2.5倍，铁基熔覆层的显微硬度是基体显微硬度的1.9倍，镍基熔覆层的显微硬度比铁基熔覆层的显微硬度高138.7HV。激光多层熔覆试验结果表明：制备的添加经造粒的纳米WC/Co的Ni基复合单层熔覆层、两层熔覆层、三层熔覆层及四层熔覆层，表面平整、无孔隙和裂纹、并与基体呈良好冶金结合。四种激光多层熔覆层的相主要为Fe、Ni的共晶组织混合着Cr-Ni-Fe-C、Cr2Fe14C等复合碳化物相，随着熔覆层中添加经造粒的纳米WC/Co的质量分数的增加，在多层熔覆层中会有W2C、Ni17W3、WC以及单质W的存在。激光多层熔覆中的不同层组织在低倍扫描电镜下没有明显差异，但在高倍扫描电镜下熔覆层组织的致密程度随着添加经造粒的纳米WC/Co的质量分数的增加而增加。激光多层熔覆层中碳化物增强相的形态和分布主要可分为胞状、树枝状分布和微细颗粒状碳化物相弥散分布。激光多层熔覆层从基体到熔覆层表面显微硬度呈梯度增加趋势，且显微硬度随熔覆层中添加经造粒的纳米WC/Co的质量分数的增加而增加，熔覆层显微硬度是基体显微硬度的2.0～2.5倍。在本试验研究条件下，激光多层熔覆层的摩擦系数比基体的摩擦系数都有所提高，但磨损质量却减小。当添加经造粒的纳米WC/Co质量分数达到30%时，熔覆层的摩擦系数的平均值为0.511，犁沟宽度最小，耐磨性达到最佳，磨损质量仅为基体磨损质量的0.05%。在相同载荷条件下，采用EVANS压痕法测得喷焊经造粒的纳米WC/Co的Ni基复合陶瓷涂层断裂韧度K1c平均值为9MN m-3/2，而在现有维氏硬度计最大载荷情况下，激光熔覆添加经造粒的纳米WC/Co的Ni基多层熔覆层仍无裂纹出现，此结果表明后者比前者的K1c值有明显提高，证实了纳米抗裂作用同样对多层熔覆层抗裂性能的提高作出了重要贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 激光熔覆基础理论
• 1.2.1 激光熔覆的含义
• 1.2.2 激光熔覆层组织
• 1.2.3 激光熔覆的工艺
• 1.2.4 激光熔覆的特点
• 1.2.5 激光熔覆极限厚度[23]
• 1.3 Ni 基合金粉末及纳米 WC 硬质颗粒概述
• 1.3.1 Ni 基合金粉末
• 1.3.2 纳米 WC 硬质颗粒
• 1.3.3 纳米 WC 硬质颗粒增强 Ni 基涂层
• 1.4 激光多层熔覆技术研究现状
• 1.4.1 激光多层熔覆的含义
• 1.4.2 激光多层熔覆凝固规律的研究
• 1.4.3 激光多层熔覆成形温度场的研究
• 1.4.4 制备梯度功能材料
• 1.4.5 激光多层熔覆层耐磨性能
• 1.4.6 激光多层熔覆层开裂的原因与预防
• 1.4.7 激光多层熔覆技术的应用
• 1.5 本文主要研究内容及意义
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 创新点
• 1.5.3 研究意义
• 第二章 试验材料及设备
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料的选择
• 2.1.2 熔覆材料的选择
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 激光熔覆设备
• 2.2.2 试验分析设备
• 第三章 激光单层熔覆金属基添加纳米 WC/Co 复合涂层组织与性能研究
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 基体材料
• 3.1.2 熔覆材料
• 3.2 试验设备
• 3.2.1 激光熔覆设备
• 3.2.2 试验分析设备
• 3.3 试验方案
• 3.4 试验工艺流程
• 3.5 试验结果与讨论
• 3.5.1 单层熔覆层的显微组织分析
• 3.5.2 单层熔覆层的相组成及成分分析
• 3.5.3 单层熔覆层的断裂韧性测试
• 3.5.4 单层熔覆层的纳米抗裂分析
• 3.5.5 单层熔覆层的显微硬度测试
• 3.6 本章小结
• 第四章 激光多层熔覆 Ni 基添加纳米 WC/Co 复合涂层组织与性能研究
• 4.1 试验材料
• 4.1.1 基体材料
• 4.1.2 熔覆材料
• 4.2 试验设备
• 4.2.1 激光熔覆设备
• 4.2.2 试验分析设备
• 4.3 试验方案
• 4.4 试验工艺流程
• 4.5 试验结果与分析
• 4.5.1 多层熔覆层的宏观形貌分析
• 4.5.2 多层熔覆层的显微组织分析
• 4.5.3 多层熔覆层的强化相形貌及分布
• 4.5.4 多层熔覆层的显微硬度测试
• 4.5.5 多层熔覆层的摩擦磨损性能测试
• 4.5.6 多层熔覆层的断裂韧性测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢