激光熔覆制备高速钢涂层的工艺优化与组织性能研究

论文摘要

冶金轧辊是使金属产生塑性变形的工具,是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。因此,提高轧辊耐磨性、延长轧辊的使用寿命对降低辊耗至关重要。近年来,高速钢因其红硬性和耐磨性好等优点被用于制造新一代复合轧辊。激光熔覆技作为一种新兴的表面处理技术,最大优点是可以制备致密的冶金结合涂层,从而改善基体的性能。本文旨在利用激光熔覆技术在轧辊表面制备具有冶金结合、组织致密和耐磨性能优良的高速钢涂层,提供一种制备复合轧辊或修复轧辊的新途径。本文以球墨铸铁轧辊作为研究对象,探索利用YAG固体脉冲激光器和CO2激光器在其表面制备高速钢涂层的可行性。通过激光工艺参数的优化,制备出具有良好冶金结合的涂层。利用光学显微镜（OM）、附带能谱仪（EDAX）的扫描电镜（SEM）、X-射线衍射仪（XRD）显微硬度计以及高温摩擦磨损试验机等测试分析设备,对所制备涂层的微观组织、成分、相组成、硬度、磨损和高温氧化性能进行了研究。采用Nd:YAG脉冲激光器对预置了高速钢粉末的球墨铸铁基体进行激光熔覆处理。单道实验得到优化后的高速钢激光熔覆工艺参数为：脉冲电流240A、扫描速度3.0mm/s、离焦量13mm、预置涂层厚度0.5mm、激光脉冲频率15Hz、脉宽3.0ms。多道搭接实验结果表明,制备的熔覆层组织致密,与基体形成了冶金结合,部分区域存在裂纹,主要强化相为WC1-x、和V4C3。熔覆层平均硬度可达600HV,是基体（300HV）的2倍。采用大功率CO2激光器对预置了高速钢粉末的球墨铸铁基体进行激光熔覆处理。单道实验得到优化后的T15高速钢激光熔覆工艺参数为：功率1800W、扫描速度6.0mm/s、离焦量340mm、预置涂层厚度1mm。多道搭接实验结果表明,制备的熔覆层组织致密,无气孔、裂纹等缺陷。在界面处有明显白亮带生成,这说明熔覆层与基体已达到冶金结合。此时得到的激光熔覆层最高硬度可达750HV,是基体的2.5倍；500℃高温磨损30分钟质量损失率约为球墨铸铁基体的40%,具有优异的抗高温氧化性能。YT熔覆层抗高温氧化性能更加优异,耐磨性较差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 热轧辊
• 1.2.1 热轧辊概述
• 1.2.2 热轧辊主要失效形式
• 1.3 高速钢复合轧辊成分设计
• 1.3.1 C
• 1.3.2 W, Mo
• 1.3.3 Cr
• 1.3.4 V
• 1.3.5 其他合金元素
• 1.4 高速钢复合轧辊制造工艺
• 1.4.1 离心铸造高速钢轧辊
• 1.4.2 CPC高速钢轧辊
• 1.4.3 电渣熔铸高速钢轧辊
• 1.4.4 HIP高速钢轧辊
• 1.4.5 Osprey高速钢轧辊
• 1.5 激光熔覆技术
• 1.5.1 激光光源
• 1.5.2 激光熔覆技术简介
• 1.5.3 激光熔覆材料
• 1.5.4 熔覆材料的供给方式
• 1.5.5 激光熔覆技术的影响因素
• 1.6 研究目的及主要内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 熔覆粉末成分
• 2.2 试验设备
• 2.3 激光熔覆处理工艺流程
• 2.3.1 基体预处理
• 2.3.2 预置涂层
• 2.3.3 单道次激光熔覆工艺优化
• 2.3.4 多道次搭接激光熔覆层的制备
• 2.4 研究方法与相关设备
• 2.4.1 熔覆层表面宏观形貌观察
• 2.4.2 熔覆层表面渗透探伤
• 2.4.3 熔覆层金相显微组织分析
• 2.4.4 涂层成分分析
• 2.4.5 涂层物相分析
• 2.4.6 涂层显微硬度分析
• 2.4.7 高温磨损试验
• 2.4.8 耐热冲击和耐高温氧化性能分析
• 第3章 固体激光器制备熔覆层
• 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 多道搭接激光熔覆涂层性能的研究
• 3.2.1 多道搭接激光制备涂层工艺参数
• 3.2.2 熔覆层显微组织分析
• 3.2.3 熔覆层物相分析
• 3.2.4 熔覆层显微硬度分析
• 3.3 熔覆层裂纹的控制
• 3.3.1 裂纹产生原因
• 3.3.2 裂纹的控制
• 3.4 本章小结
• 2激光器制备熔覆层'>第4章 CO₂激光器制备熔覆层
• 4.1 激光熔覆工艺参数的优化
• 4.2 多道搭接激光熔覆层性能研究
• 4.2.1 熔覆层探伤及厚度分析
• 4.2.2 熔覆层显微组织及成分分析
• 4.2.3 熔覆层物相分析
• 4.2.4 熔覆层显微硬度分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 熔覆层性能分析
• 5.1 高温摩擦磨损性能分析
• 5.1.1 高温摩擦磨损试验结果分析
• 5.1.2 高温摩擦磨损试样表面微观形貌
• 5.2 耐热冲击及耐高温氧化试验
• 5.2.1 300℃热震试验
• 5.2.2 750℃热震试验
• 5.2.3 热震试验后熔覆层表面显微组织分析
• 5.2.4 热震试验后熔覆层表面物相分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢