不锈钢表面NiTi合金涂层的制备

论文摘要

电厂汽轮机末级叶片工进汽边易发生水蚀,从而影响机组的运行安全性和效率。近等原子比的NiTi合金具有优异的抗空蚀性,是一种理想表面改性材料。激光熔覆作为一种新的局部强化工艺,体现出明显的优越性。在汽轮机末级叶片进汽边位置利用激光熔覆制备抗水蚀合金涂层的方法可实现自动化控制,可以替代目前常用的钎焊司太立合金片、热喷涂、堆焊等方法。本课题分别采用500W Nd:YAG固体脉冲激光器和6kW CO2激光器在汽轮机末级叶片材料17-4PH钢表面制备NiTi合金涂层。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）、显微硬度计对激光熔覆层的显微组织、相结构、元素成分及显微硬度进行了系统研究,用摩擦磨损试验机对NiTi合金熔覆层的摩擦磨损性能进行了测试分析。研究表明,在不同的Nd:YAG激光脉冲能量作用下,激光熔覆层在快速凝固过程中获得三种不同的组织形态,分别为B2母相+方形颗粒析出物、树枝晶和等轴晶。三种熔覆层组织的平均硬度分别达到670HV、700HV和615HV,远高于17-4PH钢基体硬度（约为300HV）。CO2激光宽带熔覆下,NiTi合金熔覆区主要为B2结构母相和颗粒析出物;合金化区主要为树枝晶,结合处为平面晶和具有方向性的柱状晶组成;基体热影响区为相变马氏体组织。物相分析表明宽带激光熔覆层主要相包括B2结构NiTi及少量TiN,在能量密度为100J·mm-2时,有Ni4Ti3相产生。熔覆区显微硬度为600～750HV,合金化区显微硬度为500～550HV,热影响区硬度在350HV左右。与17-4PH基材相比,NiTi合金熔覆层耐磨损性能提高7倍,17-4PH钢基体的磨损机制主要是磨粒磨损和粘着磨损的复合形式,而NiTi熔覆层主要为磨粒磨损,熔覆层内Ti化合物硬质相阻碍了磨损的发生。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 NiTi 形状记忆合金的性能
• 1.1.1 形状记忆效应和超弹性
• 1.1.2 NiTi 合金的疲劳行为
• 1.1.3 NiTi 合金的抗腐蚀性
• 1.1.4 NiTi 合金涂层的研究进展
• 1.2 汽轮机低压级叶片防护的研究现状
• 1.2.1 汽轮机低压级叶片的材料选择
• 1.2.2 汽轮机低压级叶片的工况及失效分析
• 1.2.3 汽轮机低压级叶片的防护方法
• 1.3 激光熔覆技术简介
• 1.3.1 激光熔覆技术的原理和特点
• 1.3.2 激光熔覆的材料体系
• 1.3.3 激光熔覆的工艺
• 1.4 本文的研究意义
• 第二章 试验材料和研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 熔覆材料
• 2.2 激光表面处理工艺
• 2.2.1 基体的预处理
• 2.2.2 预置粉末
• 2.2.3 激光熔覆处理与激光工艺参数的优化
• 2.3 试验设备及检测方法
• 2.3.1 熔覆层显微组织的表征
• 2.3.2 熔覆层的物相分析
• 2.3.3 熔覆层显微硬度的测量
• 2.3.4 摩擦磨损性能评价与分析
• 第三章 试验结果与分析
• 3.1 17-4PH 不锈钢表面Nd:YAG 脉冲激光熔覆NiTi 合金
• 3.1.1 脉冲激光辐照工艺参数对熔覆层宏观形貌影响规律
• 3.1.2 脉冲激光辐照条件下熔覆层裂纹敏感性分析
• 3.1.3 脉冲激光辐照工艺参数对熔覆层组织与成分分布的影响
• 3.1.4 脉冲激光熔覆层的物相分析
• 3.1.5 脉冲激光辐照工艺参数对熔覆层显微硬度的影响
• 2 激光宽带熔覆NiTi 合金'>3.2 17-4PH 不锈钢表面高功率CO₂ 激光宽带熔覆NiTi 合金
• 2 激光辐照工艺参数对熔覆层宏观质量的影响'>3.2.1 CO₂激光辐照工艺参数对熔覆层宏观质量的影响
• 2 激光熔覆层微观组织形貌'>3.2.2 CO₂激光熔覆层微观组织形貌
• 3.2.3 熔覆层微区成分分析
• 3.2.4 熔覆层的物相分析
• 3.2.5 熔覆层显微硬度分析
• 3.3 NiTi 合金激光熔覆层的摩擦磨损特性
• 3.3.1 摩擦系数
• 3.3.2 磨损试验数据
• 3.3.3 磨损样品表面磨痕形貌及磨损微观机制
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢