以电镀镍作为过渡层的激光熔覆梯度涂层研究

论文摘要

尽管采用激光熔覆技术已经成功制备出了耐磨性非常好的表层复合材料,但是裂纹难以避免,影响严重。国内外对如何减少和避免裂纹进行了很多研究,普遍认为梯度涂层有利于减少和避免裂纹。目前梯度涂层的中间过渡层一般采用激光熔覆或热喷涂等热加工方法获得。热加工方法获得的过渡层存在内应力,过渡层的内应力会影响与其表面冶金结合的激光熔覆层。在大多数情况下,冷却后过渡层和熔覆层宏观上表现为拉应力。过渡层的内应力越大,对激光熔覆层的影响也越大。因此,如果能减小过渡层的内应力,就能减小过渡层的内应力对熔覆层的内应力影响,从而进一步提高过渡层对裂纹的改善效果。本文采用电镀这种冷加工方法获得内应力较小的过渡层,并从多方面研究其对熔覆层的影响。在Q235钢板上电镀一层镍作为梯度涂层的过渡层,在镍镀层表面,采用大功率CO2激光器,用同步送粉方法,制备Ni60A+25%WC自熔合金粉末熔覆层。为了镍镀层能起到过渡作用,为了防止镍镀层在熔覆过程中被熔池穿透,不能让熔池的深度超过镍镀层的厚度。因此,在激光熔覆实验之前,需要数学模型预测熔覆层的熔池深度,拟定工艺参数。本文运用传热学原理和叠加原理,以Alireza Fathi提出的TEMo0基模激光熔覆温度场数学模型为基础,推导出多模激光熔覆温度场数学模型。将实验材料的物理性质参数、工艺参数和熔覆层外形尺寸代入温度场数学模型得到一个二重积分方程组。运用复合梯形公式作为求二重积分数值解的基本算法,采用Matlab软件编写程序,求解二重积分方程组。通过比较运算结果不断优化工艺参数,最终得到了一组符合实验设计要求的工艺参数,并采用这组参数进行激光熔覆实验。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计对试样的熔覆层、镀层和基体进行成份、组织和性能的检测。结果表明,通过合理的工艺和电镀参数可以得到比较均匀致密的0.3mm厚的电镀镍层；数值模拟试验和激光熔覆实验采用相同工艺参数,数值模拟预测的熔覆层的深度与激光熔覆实验得到的熔覆层的深度接近,证明数学模型能够比较准确预测熔池深度；成功制得Ni60+25%WC的激光熔覆层,熔覆层的深度小于镍镀层的厚度,达到实验设计要求,熔覆层硬度范围在476-533HBV之间；通过扫描电子显微镜发现熔覆层和电镀层之间的界面上形成一薄层带状组织,电镀层和Q235基体之间的界面上没有发现带状组织,界面边界明显,能谱扫描结果表面熔覆层和电镀层形成冶金结合,电镀层和Q235基体之间没有形成冶金结合；激光熔覆后,在熔覆层所在的基体表面,没有发现镀层出现裂纹或镀层与基体剥离的现象；基体组织的热影响区厚度约为0.1mm,形成了马氏体组织和细晶区,镍镀层附近的基体组织硬度为159HBV,比热影响区周围的基体组织平均硬度高30HBV。本文用电镀这种冷加工方法获得了过渡层,并推导出多模激光熔覆温度场数学模型,为进一步减少裂纹,改善激光熔覆质量,获得内应力较小的过渡层奠定了一定的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 激光堆焊和激光熔覆在模具维修行业的应用
• 1.1.1 模具维修行业的三种维修方式
• 1.1.2 TIG钨级氩弧堆焊
• 1.1.3 Nd:YAG激光堆焊
• 2激光堆焊'>1.1.4 CO₂激光堆焊
• 1.1.5 三种堆焊方式的比较研究
• 1.2 电镀镀层组织的研究
• 1.2.1 镀层结合的特点和模式
• 1.2.2 镀层的内应力
• 1.3 电镀或化学镀和激光形成的交叉领域的研究现状
• 1.3.1 镀前激光处理
• 1.3.2 镀中激光处理
• 1.3.3 镀后激光处理
• 1.4 激光熔覆自熔合金粉末的研究
• 1.4.1 激光熔覆的概念,特点,应用价值
• 1.4.2 裂纹是影响激光熔覆涂层的主要缺陷
• 1.4.3 裂纹源的的形成机理
• 1.4.4 造成熔覆裂纹的应力
• 1.4.5 裂纹产生的条件
• 1.4.6 改善措施
• 1.5 课题研究的内容和意义
• 第二章 激光熔覆温度场数学模型
• 2.1 固体热传导理论
• 2.1.1 傅里叶导热定律
• 2.1.2 固体导热微分方程
• 2.2 流体内部的传热
• 2.3 激光传播模式
• 2.4 热源模型
• 00横模多模热源模型'>2.4.1 TEM₀₀横模多模热源模型
• 2.4.2 多模激光热源模型
• 2.5 温度场模型的建立
• 2.5.1 激光熔覆数学模型研究近况
• 2.5.2 模型的建立
• 2.6 二重积分数值算法
• 2.6.1 积分区间为常数的定积分数值算法
• 2.6.2 积分区间为常数的二重积分数值算法
• 2.7 Matlab编程
• 2.7.1 问题的转化
• 2.7.2 编程的思路
• 2.7.3 程序举例
• 第三章 激光熔覆梯度涂层的实验研究
• 3.1 实验过程概述
• 3.2 电镀镍实验获得过渡层
• 3.2.1 实验材料和设备
• 3.2.2 电镀工艺
• 3.3 用数学模型求出合适的激光熔覆参数
• 3.3.1 物性参数
• 3.3.2 预先设定的激光工艺参数
• 3.3.3 数值模拟试验结果
• 3.4 激光熔覆梯度涂层
• 3.4.1 实验材料和设备
• 3.4.2 熔覆工艺和参数
• 3.5 检测分析
• 3.5.1 金相
• 3.5.2 X射线衍射成份分析
• 3.5.3 显微硬度
• 第四章 实验结果与讨论
• 4.1 数学模型预测和实际结果的对照
• 4.2 金相
• 4.2.1 粘结相
• 4.2.2 硬质相
• 4.2.3 基体
• 4.2.4 镀层
• 4.3 显微硬度
• 4.4 宏观裂纹
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A