结晶器Cu合金表面激光原位制备Ni基强韧耐磨梯度涂层的研究

论文摘要

随着我国钢铁产量的不断增加,连铸工艺中对结晶器用Cu合金的消耗也越来越大,在加大企业生产成本的同时也消耗了大量宝贵的Cu资源,需要研究新的表面涂层制备技术提高结晶器Cu合金表面的高温耐磨性能。而利用激光表面处理技术研究一种与Cu基体结合良好、耐磨、耐高温腐蚀的Cu合金表面强韧梯度涂层,为结晶器Cu合金表面高温耐磨新技术的应用奠定基础。本研究利用激光原位制备技术这一新型的材料表面处理技术,设计了以易与Cu形成良好冶金结合界面的Ni元素为基体元素,各强化相元素呈梯度分布的四层梯度涂层。通过单道熔覆试验对激光参数进行优化后,利用Nd:YAG激光器在Cu合金基体表面成功制备了大面积搭接的四层梯度涂层,并对涂层的宏观形貌、微观组织、相组成、显微硬度分布等进行系统的表征。分析表明：梯度涂层表面完整、平滑,具有脉冲激光特有的“波纹”状形貌。涂层表面和内部组织无裂纹、气孔等缺陷生成,涂层与基体之间为冶金结合界面；熔覆层金相显微组织主要为交替规律分布的平面晶组织、柱状晶组织和超细晶组织；超细晶组织对涂层起到了细晶强化作用；在涂层制备过程中原位生成了富Cr的复合碳化物析出颗粒,且弥散分布在涂层之中,对涂层起到了第二相粒子强化作用。XRD分析表明在梯度涂层中主要存在Ni、Co基体相,以及Cr-Ni-Fe-C、Ni4（W,Mo）、FeNi和Ni3Al等合金相,为多合金相共存的结构。梯度涂层的显微硬度沿Cu基体至涂层表面呈明显的梯度升高的趋势,由基体的约100HV逐步增加到最外层的834HV,为基体硬度的8.3倍。通过摩擦磨损试验对梯度涂层的耐磨性能进行了分析,结果表明,在相同磨损时间内,梯度涂层试块的磨损量仅为Cu基体试块磨损量的约1/8；在整个摩擦过程中,涂层对摩擦副的摩擦系数明显的低于Cu基体的摩擦系数,仅为Cu基体的1/2-1/3,证明激光原位制备的梯度涂层的具有良好的耐磨性。利用250℃和750℃热震试验对涂层与Cu基体间的结合强度以及涂层的耐高温氧化性能进行了分析。热震试验后,涂层内部未发现任何的裂纹和涂层剥落现象,与Cu基体的结合界面仍呈牢固的冶金结合状态。涂层表面生成一层以CoCr2O4相为主的复合氧化物层,结构致密且与涂层结合牢固,阻碍了涂层的进一步氧化,证明激光原位制备的梯度涂层具有优良的耐热冲击韧性和耐高温氧化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 结晶器概述
• 1.1.2 结晶器失效原因及改进措施
• 1.3 Cu合金表面处理技术概述
• 1.3.1 电镀
• 1.3.2 复合镀
• 1.3.3 热喷涂
• 1.4 激光表面处理技术及激光原位制备技术
• 1.4.1 激光淬火技术（Laser Quenching）
• 1.4.2 激光熔凝技术（Laser Melting）
• 1.4.3 激光表面合金化技术（Laser Surface Alloying）
• 1.4.4 激光熔覆技术（Laser Cladding）
• 1.4.5 激光熔覆技术的缺陷与改进方法
• 1.4.6 激光原位制备技术（Laser in situ preparing）
• 1.5 功能梯度涂层
• 1.6 铜合金表面激光制备高温耐磨涂层的国内外研究现状
• 1.7 研究目的及意义
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 Cu基体材料
• 2.1.2 梯度涂层材料中各元素成分配比
• 2.1.3 涂层材料中各合金成分的作用
• 2.2 激光制备涂层工艺过程
• 2.2.1 Cu基体的预处理
• 2.2.2 涂层粉末的混合
• 2.2.3 预置涂层的制备
• 2.2.4 激光原位制备涂层的工艺
• 2.2.5 激光制备涂层工艺的几个重要参数
• 2.3 研究方法与相关设备
• 2.3.1 涂层表面宏观形貌观察
• 2.3.2 涂层金相显微组织分析
• 2.3.3 涂层成分分析
• 2.3.4 涂层物相分析
• 2.3.5 涂层显微硬度分析
• 2.3.6 涂层摩擦磨损性能分析
• 2.3.7 涂层耐热冲击和耐高温氧化性能分析
• 第3章 脉冲激光原位制备单道熔覆涂层
• 3.1 激光熔覆工艺参数的优化
• 3.1.1 离焦量L的优化
• 3.1.2 电流强度I的优化
• 3.1.3 扫描速度V的优化
• 3.2 脉冲激光单道制备涂层的宏观形貌和金相显微组织分析
• 3.2.1 脉冲激光单道制备涂层宏观表面形貌分析
• 3.2.2 脉冲激光单道涂层的金相显微组织成因分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 激光原位制备多道搭接梯度涂层
• 4.1 多道搭接梯度涂层第一层的制备
• 4.1.1 多道搭接梯度涂层第一层的显微组织分析
• 4.1.2 多道搭接梯度涂层第一层的显微硬度分析
• 4.2 多道搭接梯度涂层第二层的制备
• 4.2.1 多道搭接梯度涂层第一、二层的显微组织分析
• 4.2.2 多道搭接梯度涂层第一、二层的物相分析
• 4.2.3 多道搭接梯度涂层第一、二层的显微硬度分析
• 4.3 四层梯度涂层的制备
• 4.3.1 四层梯度涂层的宏观表面形貌
• 4.3.2 四层梯度涂层的显微组织分析
• 4.3.3 四层梯度涂层的物相分析
• 4.3.4 四层梯度涂层的显微硬度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 激光原位制备梯度涂层的性能分析
• 5.1 摩擦磨损性能分析
• 5.1.1 摩擦磨损试验结果分析
• 5.1.2 摩擦磨损试验试样表面微观形貌
• 5.2 耐热冲击性能分析
• 5.2.1 250℃热震试验
• 5.2.2 750℃热震试验
• 5.2.3 热震试验后涂层的金相组织分析
• 5.2.4 热震试验后涂层表面物相分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历