针对腐蚀和磨损的激光堆焊修复技术实验研究

论文摘要

工业大型设备长期以来由于生产负荷的增加、环境差等因素的影响,其表面磨损、腐蚀等问题一直是生产中的严重隐患。表面堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法,广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。现有的堆焊方法包括电弧堆焊、等离子堆焊、激光堆焊。其中激光堆焊可以获得高性能（如耐磨性、耐腐蚀性能、抗氧化性能、热障性能、抗气蚀和冲蚀磨损等）的合金堆焊层,在工业应用上展现了广阔的应用前景。近十来年激光堆焊在材料表面处理方面倍受关注,激光堆焊技术已经在工业易损件修复,关键部件的强化等应用方面取得了一定的成果。采用有限元方法建立了参数化激光堆焊数值模型,研究了激光堆焊过程的温度场和温度梯度的变化。通过对堆焊层不同深度位置的温度梯度分析,验证了熔覆层不同深度位置结晶方向不同,并运用金相组织观察方法验证了该数值模型。还研究了工艺参数队温度梯度的影响,从而确定工艺与堆焊层组织的关系,实现了通过数值模拟确定工艺参数的可能。在模拟温度场的基础上通过ANSYS软件的热-力耦合分析,模拟出堆焊过程中的应力场分布。研究了某一时刻的应力场分布情况,通过对应力和应变的分析,验证了堆焊层裂纹的分布方向,以及易产生裂纹的区域,为预防堆焊层裂纹的产生提供了理论基础。采用基于模拟仿真得到的工艺参数,在16Mn钢上激光堆焊Fe‐Ni基材料。同时,采用手工电弧堆焊1Cr13焊丝,等离子堆焊Fe‐Ni基材料,对上述三种堆焊修复方法进行磨损,腐蚀实验。通过实验验证了激光堆焊Fe‐Ni基材料的抗腐蚀和抗磨损性能均优于其他二种修复方法。对三种方法进行堆焊层的金相组织分析,成分结构分析,以及抗拉性能,抗冲击性能等力学性能分析,分析了堆焊层的抗腐蚀、抗磨损的机理。综上所述,激光堆焊修复技术的抗腐蚀抗磨损性能显著,对在腐蚀、磨损等恶劣环境下工作的零件的修复提供了一条有效途径,对于延长零件使用寿命,节约再制造成本以及实现资源的再生利用和可持续发展具有重要的实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磨损概述
• 1.2.1 磨损定义
• 1.2.2 常见磨损类别和机理
• 1.3 腐蚀概述
• 1.3.1 腐蚀定义
• 1.3.2 常见腐蚀类别和机理
• 1.4 堆焊概述
• 1.4.1 堆焊的定义及特性
• 1.4.2 堆焊层质量指标
• 1.4.3 常用堆焊方法及特点
• 1.5 针对耐腐蚀耐磨损的激光堆焊修复
• 1.5.1 激光堆焊修复在工业上的应用
• 1.5.2 课题的研究背景及意义
• 参考文献
• 第二章 激光堆焊温度场及应力场仿真
• 2.1 引言
• 2.2 激光堆焊模拟的基本理论
• 2.2.1 温度场能量平衡方程
• 2.2.2 温度场模拟的激光基本假设
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 热源解析模型
• 2.3 预置模型温度场的数值模拟
• 2.3.1 模型的建立及求解
• 2.3.2 仿真结果分析
• 2.4 预置模型应力场的数值模拟
• 2.4.1 模型的建立及求解
• 2.4.2 仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 三种堆焊工艺的金相组织研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验研究内容
• 3.2.1 试验试样
• 3.2.2 试样制备
• 3.2.3 金相测试方法
• 3.3 金相组织及分析
• 3.3.1 手工电弧堆焊1Cr13 焊条堆焊层金相分析
• 3.3.2 等离子堆焊 Fe-Ni 合金粉末堆焊层金相分析
• 3.3.3 激光堆焊Fe-Ni 合金粉末堆焊层金相分析
• 3.3.4 三种堆焊工艺的稀释率
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 三种堆焊工艺的抗磨损性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验研究内容
• 4.2.1 试验试样
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 试验方法
• 4.3 试验结果及分析
• 4.3.1 抗磨损性能分析
• 4.3.2 形貌与成分分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 三种堆焊工艺的抗腐蚀性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验研究内容
• 5.2.1 大气盐雾腐蚀试验
• 5.2.2 点腐蚀试验
• 5.3 试验结果及分析
• 5.3.1 盐雾腐蚀试验
• 5.3.2 点腐蚀试验
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 三种堆焊工艺的力学性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 硬度分析
• 6.2.1 试验方法
• 6.2.2 结果与分析
• 6.3 拉伸强度分析
• 6.3.1 试验方法
• 6.3.2 结果与分析
• 6.4 冲击韧性分析
• 6.4.1 试验方法
• 6.4.2 结果与分析
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文