论文摘要
激光熔覆金属基复合材料是耐磨结构件再制造的有效方法。本文旨在利用原位合成路线,制备铬碳化物增强的镍基复合材料激光熔覆层,为耐磨结构件的表面损伤提供复合材料激光熔覆新工艺和新配方,同时进行送粉激光成形的工艺研究和设备研发。本文采用Ni-Cr-石墨单元素粉末激光原位合成Cr3C2-NiCr复合材料和金属陶瓷熔覆层,探索原位合成激光熔覆的工艺、原料配方（外加Cr3C2与稀土）和原料处理方法（机械合金化）,最后开发金属基复合材料部件的送粉激光成形工艺和专用送粉器。利用光镜、扫描电镜、X-射线衍射仪、透射电镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机和电化学工作站等对激光熔覆层的微结构、成分、硬度、耐磨性和耐蚀性等进行系统研究。对激光原位合成熔覆层的机制进行归纳。获得如下结果：首先,以Ni70%-（Cr-石墨）30%单元素混合粉为原料,激光熔覆获得无裂纹且石墨弥散分布的Cr3C2-NiCr复合材料。结果发现,粉体原料中Cr/C原子数比决定了激光熔覆碳化物增强镍基复合材料的成分和显微组织。当Cr/C原子数比<3/2时,熔覆层中只形成Cr3C2,随Cr/C比减小,熔覆层中碳化物含量增加；当原料中碳含量>2.7mass%时,石墨在熔覆层出现并弥散分布。熔覆层的硬度和耐磨性能随Cr/C的减小而提高,其平均显微硬度最高达550HVo.3。由于石墨和碳化物均与NiCr基体之间形成电偶腐蚀,各熔覆层在0.2M/LH2SO4中的耐蚀性能随Cr/C增加而改善,最耐蚀复合材料的腐蚀电位和电流密度分别是-67mV和1.23×10"7A.cm-2。研究了石墨在激光熔池中的溶解过程,发现石墨的溶解程度决定了Cr3C2-NiCr复合材料中碳化物的类型和含量,进而影响该材料的性能。在上述粉体成分研究的基础上,以Cr/C=3/2的Ni25%-Cr65%-石墨10%单元素混合粉为原料,原位合成Cr3C2-NiCr金属陶瓷激光熔覆层,优化原位合成激光熔覆的工艺。结果显示,粉体吸收能量体密度ψ与激光熔池的冷却速度（介于9.3x1041.2×106℃/s之间）直接对应,决定了熔覆层的形状；Cr3C2-NiCr金属陶瓷熔覆层的相组成为NiCr基体和碳化物（Cr3C2和Cr7C3）,ψ影响熔覆层显微组织和成分,ψ越小,碳化物尺寸也越小,但碳化物含量增加,且Cr3C2增多,Cr7C3减少,进一步影响熔覆层的硬度、磨损性能和腐蚀性能。甲变小,硬度逐渐增加,耐磨性能提高,最优工艺金属陶瓷层平均硬度最高达1230HVo.3,其磨损形式为磨粒磨损；在3.5%NaCl溶液中,Cr3C2-NiCr金属陶瓷层的耐蚀性能优于镍基合金熔覆层,最优陶瓷层的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-271mV和1.8×10-8A.cm-2。最后,从快速凝固分析方法入手,将铺粉激光熔覆工艺参数统一为粉体吸收能量体密度,发现熔覆层的形状、组织演化和性能均取决于粉体吸‘收能量体密度和激光熔池成分。在原位合成激光熔覆工艺研究的基础上,通过外加Cr3C2颗粒和稀土或机械合金化等方法,改进原位合成熔覆层的组织和性能。添加不同含量的Cr3C2颗粒到Ni25%-Cr65%-石墨10%粉体中并激光熔覆,结果发现,外加Cr3C2颗粒促进了碳化物形核,并细化晶粒,使熔覆层厚度增加,外加25%Cr3C2颗粒时,熔覆层平均硬度由未加的710HVo.1提高到1051HVo.1。添加Y203对Ni25%-Cr65%-石墨10%粉体激光熔覆层影响为：细化组织,减少裂纹、提高硬度,Y203添加量以1.0mass%为宜。与此同时,Ni50%-Cr43.33%-石墨6.67%粉体机械合金化后,晶粒细化并形成NiCr过饱和固溶体,其激光熔覆层与未合金化的相比,组织稍微细化,平均硬度略有提高,耐磨性与耐蚀性略微改善。结果表明机械合金化对单元素粉体激光熔覆涂层有一定的优化作用。最后,用合金粉体送粉激光成形了316不锈钢单板、H13钢方管、H13钢空心叶片等部件。结果发现,单板的厚度随激光功率的升高而增厚,晶粒随功率增加而变粗；部件表面粗糙度不受功率影响,由层间厚度直接控制。由于熔池的加热情况不同,脉冲和连续C02激光制备部件的组织和形状均有差异。最优工艺下,激光成形不锈钢部件的表面粗糙度最小可达21.6μm。在送粉激光成形工艺研究的基础上,进行复合材料送粉激光成形专用双斗送粉器的研发。研发的双斗送粉器能够激光成形WC-316不锈钢复合材料部件,使WC在部件中均匀分布,体积含量超过56vo1.%。双斗送粉器能够实现空心漂珠和316不锈钢粉体同步送粉,并激光成形漂珠遗留均匀分布的漂珠-316不锈钢复合材料部件。这表明,双斗螺旋送粉器可将密度相差极大的不同粉体均匀混合,并输送至熔池进行激光成形。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 材料表面处理技术1.2 激光熔覆技术1.2.1 激光熔覆设备1.2.2 激光熔覆工艺参数1.2.3 激光熔覆材料的一般要求1.3 激光成形技术1.3.1 利用吹粉系统进行金属部件激光成形的技术1.3.2 利用铺粉系统进行金属部件激光成形的技术1.4 冶金轧辊的失效与激光再制造1.4.1 冶金轧辊的常用材料和工作状况1.4.2 冶金轧辊的失效形式1.4.3 冶金轧辊的激光再制造1.4.4 冶金轧辊再制造的材料选择3C2增强金属基复合材料的制备方法与激光熔覆'>1.4.5 Cr3C2增强金属基复合材料的制备方法与激光熔覆1.5 本文研究目的与内容参考文献3C2-NiCr复合材料显微组织和性能的影响'>第2章 Cr/C原子数比对激光原位合成Cr3C2-NiCr复合材料显微组织和性能的影响2.1 引言2.2 实验材料与方法2.2.1 实验材料2.2.2 激光熔覆设备与工艺2.2.3 激光熔覆试样表征2.3 Cr/C原子数比对熔覆层物相、显微组织和性能的影响2.3.1 熔覆层物相分析2.3.2 熔覆层显微组织2.3.3 磨损性能2.3.4 腐蚀性能2.4 本章小结参考文献3C2-NiCr金属陶瓷熔覆层的显微组织与性能'>第3章 激光原位合成Cr3C2-NiCr金属陶瓷熔覆层的显微组织与性能3.1 引言3.2 实验材料与方法3.2.1 激光熔覆用粉体3.2.2 激光熔覆设备与工艺3.2.3 激光熔覆试样表征3C2-NiCr金属陶瓷层显微组织的影响'>3.3 激光熔覆工艺对Cr3C2-NiCr金属陶瓷层显微组织的影响3C2-NiCr单道形状和显微组织的影响'>3.3.1 激光熔覆工艺对Cr3C2-NiCr单道形状和显微组织的影响3C2-NiCr金属陶瓷层显微组织的影响'>3.3.2 激光熔覆工艺对Cr3C2-NiCr金属陶瓷层显微组织的影响3C2-NiCr金属陶瓷层的摩擦磨损和腐蚀性能'>3.3.3 激光熔覆Cr3C2-NiCr金属陶瓷层的摩擦磨损和腐蚀性能3.4 本章小结参考文献3C2-iCr激光熔覆层的影响'>第4章 原料处理对原位合成Cr3C2-iCr激光熔覆层的影响4.1 引言3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和硬度的影响'>4.2 外加Cr3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和硬度的影响4.2.1 试验材料和方法3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织影响'>4.2.2 外加Cr3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织影响3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微硬度的影响'>4.2.3 外加Cr3C2颗粒对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微硬度的影响3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和性能的影响'>4.3 粉体机械合金化对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和性能的影响4.3.1 试验材料与方法4.3.2 机械合金化粉体的成分和晶粒尺寸3C2-NiCr激光熔覆层的组织'>4.3.3 机械合金化粉体原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层的组织3C2-NiCr激光熔覆层的摩擦磨损性能'>4.3.4 机械合金化粉体原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层的摩擦磨损性能3C2-NiCr激光熔覆层的腐蚀性能'>4.3.5 机械合金化粉体原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层的腐蚀性能2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和硬度的影响'>4.4 添加Y2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织和硬度的影响4.4.1 实验材料与方法2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织的影响'>4.4.2 添加Y2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微组织的影响2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微硬度的影响'>4.4.3 添加Y2O3对原位合成Cr3C2-NiCr激光熔覆层显微硬度的影响4.5 本章小结参考文献第5章 送粉激光成形与双斗螺旋送粉器的研制5.1 引言5.2 实验材料与方法5.2.1 实验材料5.2.2 实验表征设备5.3 螺旋送粉器送粉试验5.4 工艺对送粉激光成形合金部件显微组织和形状的影响5.4.1 功率对激光成形合金部件形状的影响5.4.2 功率对激光成形合金部件显微组织影响5.4.3 激光脉冲波形对激光成形合金部件的影响5.4.4 层间厚度对激光成形部件形状和组织的控制5.5 双斗螺旋送粉器的研制及其在激光成形复合材料部件中的应用5.5.1 双斗螺旋送粉器的研制5.5.2 双斗螺旋送粉器的送粉试验5.5.3 利用双斗螺旋送粉器激光成形WC-316不锈钢复合材料部件5.5.4 双斗螺旋送粉器送粉激光成形漂珠-316不锈钢复合材料5.6 本章小结参考文献第6章 结论工作展望创新点攻读博士期间的论文与专利致谢
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