薛祖宇[1]2002年在《快速凝固合金涂层的温度场数值模拟及力学性能研究》文中指出通过快速凝固技术获得的合金涂层具有独特的力学特性，如高强度、高韧性等。本文对快速凝固技术、纳米金属材料的力学性能研究现状进行了综述；对电爆炸高速喷涂原理进行了描述。利用电爆炸喷涂装置制备出了WC-Co、16Mn涂层。检测了WC-Co、16Mn涂层显微硬度，结果表明涂层的硬度值与喷涂前的原始硬度相比显着提高；利用拉伸实验检测了WC-Co涂层结合强度；利用扫描电镜检测了 WC-Co、16Mn涂层显微组织，结果表明WC-Co涂层的平均晶粒直径小于1μm，16Mn涂层平均晶粒直径约为90nm。为了分析降温速率对涂层凝固过程的影响，对电爆炸喷涂实验的温度场进行简化,并用有限元法对温度场进行了模拟计算。通过计算得出涂层与基体瞬态温度场随时间的变化规律。分析了WC-Co涂层厚度及初始温度对涂层及基体升、降温特性的影响，得出了涂层初始温度和厚度优化的参数。数值计算结果对于纳米晶涂层的制备技术有指导意义。
王传琦[2]2013年在《机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究》文中研究指明激光熔覆能使金属材料快速熔凝,但高裂纹敏感性镍基合金涂层制备过程中一直受到涂层开裂的影响,阻碍了该技术在表面工程领域的发展进程。为解决此问题,本文首次提出了机械振动辅助激光熔覆新技术,拓展了机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织形成机理及应力控制理论研究。涵盖复合技术所制备涂层的组织凝固特征、宏观形貌、开裂机理、开裂行为、应力控制和性能等主要内容。采用了有限元数值模拟、实际测试结果和理论分析相结合的方式,探讨了机械振动对涂层表面、结合界面、基材热影响区等部位应力分布的影响,对激光熔覆镍基合金涂层的应力控制、改善和消除裂纹具有理论指导和现实意义。采用ANSYS有限元软件,以无和有机械振动辅助Ni60合金涂层的最终凝固尺寸为基础,模拟了材料热物性参数随时间变化的涂层沿激光扫描方向(Z轴)的应力场,讨论了机械振动对其应力-应变场分布规律的影响,预测最优的机械振动工艺参数。结果表明,优化的振动参数使得残余应变峰值在涂层表面由4.36×10-4降至3.17×10-4,结合界面边缘处由2.88×10-4降至2.1×10-4,在基材热影响区由4.24×10-5降至3.09×10-5。表面残余拉应力峰值在涂层表面由114MPa降至19.7MPa,在结合界面处压应力峰值由197MPa降至165MPa,在基材热影响区拉应力峰值由74.8MPa降至50.5MPa。证明机械振动能改善激光熔覆Ni60合金涂层及其周边的应力-应变分布状态,起到应力控制的作用。利用X射线衍射法进行涂层表面、结合界面、基材热影响区的Z轴方向残余应力分布测量。结果表明,有和无机械振动辅助试样相比在涂层表面的残余拉应力值,结合界面到基材热影响区的残余压应力值呈下降趋势。比较有限元数值模拟与实际测量值之间的关联性发现,应力性质在不同区域的模拟和实测结果是几乎相同的,而且模拟数值反映出的应力变化规律与实测值较为符合,证明了数值模拟的可行性。最优振动参数下Z轴方向测量值在涂层表面残余拉应力为251.1±60MPa,结合界面处残余压应力为121.6MPa,基材热影响区残余压应力为13.5MPa。通过SEM、EDS、XRD等观察和表征手段,研究了机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的凝固组织特征。发现机械振动作用下Ni60/TiC复合涂层的组织更加均匀,基体相由树枝晶向近等轴晶转变、细化,碳化物数量及尺寸有明显增加；晶间网状相的分离使得基体相的连续性增强,且晶体结构完整性得到改善。Ni60CuMoW合金涂层基体相向短小枝晶和近等轴晶转变,硬质相分布均匀性增强,残留气孔减少。机械振动作用下激光熔覆过程受激振能量的影响,凝固过程转变为固-液前沿多游离核心,推进速度放缓的胞状晶、等轴晶的方式。熔池微区内存在的“平流层”影响了涂层液相的凝固机理,表现在冲断了基底胞状初生枝晶,增加了熔池内固-液界面前沿游离核心数量；削弱了结晶前沿与液相的成分过冷,抑制了胞状晶向树枝晶的转变进程；减缓了液相中形核长大的颗粒随固-液界面推进的上浮速率和熔池内各元素的浓度起伏。起到的效果体现在改善了硬质相颗粒尺寸并优化了其分布状态；增强了基体相的连续性,降低了镍基合金涂层的裂纹敏感性。在涂层表面宏观质量影响方面,“平流层”缓解了熔池内的对流翻转,涂层表面的波纹状不再明显,整体分布也较为平滑。考察定振幅机械振动辅助Ni60CuMoW合金涂层的宏观裂纹分布时发现,涂层表面裂纹交叉减少,单位长度内裂纹数由0.17条/mm下降至0.08条/mm。而定频率的涂层在振幅为0.17mm时宏观裂纹数为零。激光熔覆镍基合金涂层开裂的发展源于在结合界面处的萌生,后以穿晶开裂和沿晶开裂方式向涂层顶部扩展,且存在内部裂纹交叉现象。而有机械振动辅助的涂层内部已无裂纹交叉,换以单个贯穿方式存在,削弱了裂纹对涂层的破坏作用。有和无机械振动Ni60CuMoW合金涂层相比,自腐蚀电位正移了1134.9mVSCE,腐蚀电流密度从0.076到0.008μA·cm-2,下降了近一个数量级,耐蚀性能显着提高。熔覆区平均显微硬度由720上升到835HVo.5,提高了近16%,且显微硬度值波动明显减缓。热影响区到基材远端的显微硬度值从468迅速且无波动地下降到182HV0.5。合金涂层的平均磨损质量损失由9.2mg降至7.6mg,下降了17%；平均摩擦系数由0.081降至0.068,下降了16%,且曲线波动减弱。磨损表面无深沟,呈现出均匀的浅犁沟状分布,只有少量黏着磨损发生,归因于基体相与颗粒之间结合强度的增强：优化了涂层的抗磨损性能和磨损过程的稳定性。
杨宏欢[3]2016年在《高锰钢表面等离子熔覆Fe-Cr-Ni合金涂层的组织与性能研究》文中认为本文针对传统高锰钢零部件在低冲击应力下难以加工硬化,导致表面等局部接触面容易磨损失效,提出了在高锰钢表面等离子熔覆Fe-Cr-Ni合金涂层以改善高锰钢的表面耐磨性。由于熔覆过程冷、热循环快,熔覆层容易累积残余应力而产生裂纹,热影响区产生脆性魏氏体组织。基于影响熔覆层成型的六因素优化出熔覆工艺参数,并对熔覆层进行不同热处理工艺处理,以改善熔覆层组织稳定性,消除残余应力,促使魏氏体组织珠光体化转变,提高综合性能,得到高耐磨性和无裂纹涂层。着重分析了熔覆层裂纹产生机理及扩展方式、热处理前后熔覆层与基体组织和残余应力演变、热处理前后熔覆层与基体摩擦磨损性能。研究结果表明：熔覆层组织由残余渗碳体、树枝状奥氏体与骨架状共析体组成,垂直于熔覆方向依次分为等轴晶区、树枝晶区、包状晶区、结合区平面晶；热影响区为组织粗大魏氏体,基体为珠光体与奥氏体组织。热处理后熔覆层组织内奥氏体均匀化,骨架状共晶体部分溶入晶粒内部,晶粒Cr、Ni含量增加,晶粒内析出(Cr,Fe)mCn颗粒相,共晶体区域聚集出黑色碳化物相,随着热处理温度升高,颗粒相(Cr,Fe)mCn数量增加,分布更均匀。900℃退火处理后组织内碳化物相完全析出,且从亚稳态的(Cr,Fe)7C3相逐渐转化为更稳定的(Cr,Fe)23C6相,热处理区魏氏体组织重结晶成细小珠光体组织。多道熔覆的析出相数量和稳定相转变较单道熔覆均匀。残余应力测试试验表明熔覆层中应力以热应力为主,多道熔覆层残余应力为单道熔覆层累计,高于单道40%且均为拉应力；900℃退火处理后单、多道熔覆层因热应力释放、沉淀颗粒相(Cr,Fe)mCn的完全析出以及析出相稳定态转变共同作用,降低熔覆层中应力值分别81%、67%。针对熔覆层组织改变对残余应力的影响,从微观角度分析了基体预热温度对熔覆层裂纹形成机理与扩展方式的影响。基体未预热熔覆层内出现宏观贯穿裂纹,形成穿晶断裂；预热250℃后覆层出现微观沿晶裂纹和穿晶裂纹,预热350℃后熔覆层无裂纹产生。所有裂纹均起源于熔覆层底部的结合处,沿着结晶凝固方向往顶部发展,其扩展驱动力为快速凝固过程中垂直于熔覆方向上产生的温度差和熔覆层与基体的热膨胀系数差造成的热应力。基体预热350℃能够降低散热速度和促使碳化物析出,从而减少熔覆层内残余应力消除裂纹。熔覆层性能试验表明,未热处理熔覆层耐磨性为基体7.3倍,900℃退火处理后熔覆层耐磨性提高3.3倍,说明热处理在改善熔覆层质量时保持良好的耐磨性。基体磨损机制属于典型的磨粒磨损；未热处理熔覆层磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损相结合；熔覆层经900℃退火处理后磨损机制为粘着磨损。900℃退火处理后熔覆层组织内元素扩散均匀,过饱和固溶体析出碳化物相且发生稳定转变,使熔覆层硬度分布均匀,高于基体2.7倍。熔覆层强度与基体相当,高于未热处理熔覆层70.8%、59.7%。
蒲泽林[4]2005年在《电热爆炸喷涂法制备亚微米晶涂层的研究》文中进行了进一步梳理电热爆炸定向喷涂法是一种新的制备亚微米晶、纳米晶涂层新技术。本文较为系统地研究了该技术制备的亚微米晶涂层的性能以及喷涂过程的电学特性,并对涂层的温度场进行了数值计算。 对Mo、WC-Co、Stellite等单一材料涂层以及NiCr/WC-Co、Stellite/WC-Co、Mo/WC-Co等复合涂层的研究表明:涂层无传统的层状结构。涂层晶粒明显细化,晶粒尺寸在数十nm-500nm范围。涂层致密、孔隙率低,在0.55%-2%之间。涂层/基体界面结合良好,存在明显的元素扩散现象。涂层硬度大幅度提高,为原始喷涂材料1.3-4倍左右。涂层硬度、弹性模量以及弹性回复系数沿涂层横截面方向均呈梯度递减变化。XRD分析表明:Mo涂层在喷涂过程中没有形成新的相,而WC则有失碳和烧损现象发生。除NiCr/WC-Co复合涂层有裂纹外,其他两种复合涂层均没有裂纹。 对涂层断裂韧性的测量表明:涂层的断裂韧性呈各向异性的特性,垂直于基体/涂层界面的断裂韧性低于平行于界面方向的断裂韧性。几种涂层断裂韧性的大小顺序为: Mo/WC-Co<WC-Co<Mo<Stellite/WC-Co<NiCr/WC-Co 采用改进的粘接拉伸法对涂层/基体的结合强度进行了测量。结果表明:电热爆炸喷涂制备的涂层与基体的结合强度大于153.8MPa(胶层剥落,涂层未断裂)。 采用干砂型磨粒磨损试验机对Mo涂层、WC-Co涂层以及Mo/WC-Co涂层的磨粒磨损性能进行了测试。实验范围内,Mo/WC-Co复合涂层失重最多,WC-Co涂层次之,Mo涂层失重最少。和硬度相比,涂层的断裂韧性对涂层的耐磨性更具影响。 电学特性分析表明:喷涂材料阻抗随时间的变化表现为缓慢增加—快速增加—缓慢下降—迅速下降等过程。 分析了电热爆炸喷涂层的温度场特点,建立了一维非线性瞬态温度场的有限元数值模拟模型。并对不同界面状况下的涂层温度场进行了数值模拟。计算表明:涂层的凝固过程为快速凝固过程。基体表面发生了完全或部分熔化现象。后续喷涂对前一次喷涂形成的涂层有一定的影响。根据结合强度测量结果以及能谱分析可知,涂层与基体以冶金结合机制为主。
张世宏[5]2007年在《镍基合金及其纳米复合材料激光熔覆涂层的研究》文中提出利用激光熔覆技术在低碳钢基体表面制备了纳米和微米CeO_2、Sm_2O_3/Ni基合金激光熔覆层。利用金相显微镜、扫描电镜及X射线衍射仪研究了熔覆层的组织结构;通过显微硬度、电化学和失重腐蚀、滑动磨损等方法进行性能测试。利用非线性瞬态传热理论和弹塑性有限元变形理论,建立镍基合金激光熔覆层叁维非线性有限元模型,通过MARC非线性有限元软件模拟了熔覆层的温度场及应力场。结果表明:在适当的工艺参数条件下(P=2.0 kW,V=180 mm/min),加入适量(1.5%)纳米CeO_2与Ni基合金粉末经湿球磨后,制备了表面光滑、平整的激光熔覆层。经球磨的纳米CeO_2、Sm_2O_3/Ni基合金熔覆层中合金元素的分布和组织比较均匀。Ni基合金熔覆层的主要相组成为γ-Ni、Cr_(23)C_6和Ni_3B;加入纳米CeO_2的熔覆层出现了CeNi_5相;加入Sm_2O_3的熔覆层出现了Fe_7Sm和Ni_3Si。1.5%微米CeO_2/Ni基合金熔覆层近界面区枝晶为定向生长;1.5%纳米CeO_2/Ni基合金熔覆层的组织细小,枝晶方向紊乱;而加入3.0%纳米CeO_2的熔覆层近界面区主要表现为致密的放射状枝晶。1.5%微米Sm_2O_3/Ni基合金熔覆层近界面区组织以枝晶方式生长;而1.5%纳米Sm_2O_3/Ni基合金熔覆层近界面区即出现了等轴晶。加入稀土氧化物的Ni基合金涂层的平面晶宽度明显减小;纳米CeO_2/Ni基合金涂层组织比纳米Sm_2O_3/Ni基合金的细小。加入纳米CeO_2涂层的显微硬度和耐磨性大幅度提高,磨损机理由黏着磨损转变为磨粒磨损。在酸性腐蚀介质中,Ni基合金涂层和微米CeO_2/Ni基合金涂层表现为较严重的选择性腐蚀;纳米CeO_2/Ni基合金涂层表现为均匀腐蚀;当纳米CeO_2的添加量为1.5%时,熔覆层的耐蚀性能大幅度提高。与纳米CeO_2相比,纳米Sm_2O_3对Ni基合金涂层的硬度平均值、相对耐磨性较低,平均腐蚀速率有所增大。在激光比能相同条件下,适当降低扫描速度可减小涂层的平均应力;对工件预热,适当控制两道之间的时间间隔,并且改变扫描路径为从工件中间向两侧对称扫描时,熔覆层的应力集中区较小且平均应力大幅下降。应力产生的第一道裂纹形成主要是在第二道熔覆开始时,与扫描方向成45°角。
李庆玲[6]2016年在《稳恒磁场作用下激光熔覆铁基涂层的凝固机理及其微观组织》文中进行了进一步梳理激光熔覆是目前应用潜力最大的表面改性技术之一。但是,熔覆层中由热应力和相变应力引起的裂纹和气孔问题却阻碍该技术在大面积零部件修复等领域的广泛应用。此外,由对流所导致的表面波纹状形貌也增加了熔覆层后续机加工的工时和成本输出。针对以上两个问题,本文设计了一种稳恒磁场发生装置,在45钢基表面制备了稳恒磁场辅助下的激光熔覆铁基涂层,并借助SEM、EDS、XRD等表征手段分析了铁基熔覆涂层的宏观形貌和微观结构特征,测试了涂层的显微硬度分布和摩擦磨损性能。基于以上研究手段,分析了外加稳恒磁场作用下铁基熔覆涂层宏观形貌和微观结构变化与施加励磁电流之间的关系,探讨了涂层的凝固形成机理,研究了洛伦兹力对激光熔池对流的影响,并分析了稳恒磁场改善涂层表面质量和性能的原因,以期为消除熔覆层内部缺陷,改善涂层质量和促进激光熔覆工艺在工业上的进一步应用提供一条新的途径。在合理的激光工艺参数与磁场工艺参数的配合下,获得了无裂纹、无气孔的铁基合金涂层。当励磁电流为2.0 A时,涂层的断续现象和表面波纹状形貌得以明显改善。稳恒磁场导致涂层熔深减小,由未施加磁场时的773.5μm减小至694.1 μm和586.5μm,但对熔宽的改变不大。稳恒磁场并不改变铁基涂层的物相组成,涂层相组成主要包括：α-(Fe,Cr)和(Fe,Ni)固溶体、(Cr,Fe)23C6碳化物及Cr9.1Si0.9。根据EDS微区分析,稳恒磁场的能够改变激光熔池内的传质过程,有助于Fe,Cr元素的扩散从而促进α-(Fe,Cr)固溶体和含Cr的M23C6型碳化物的生成。铁基合金涂层组织底部到顶部主要是由平面晶、胞状树枝晶、柱状树枝晶、细小树枝晶和等轴晶组成。稳恒磁场作用下的激光熔覆铁基合金涂层组织特征遵循以上凝固规律,但其底部具有更多沿最大散热方向伸长的柱状树枝晶组织。随着励磁电流的增加,熔池对流的电磁制动效应增强,向着热流方向生长的柱状树枝晶的体积分数呈抛物线变化并在励磁电流为2.0 A时达到峰值9.9%,部分二次枝晶的生长受到抑制。由此,利用稳恒磁场,可以控制熔体对流从而影响熔覆层的晶粒生长。此外,在稳恒磁场作用下的铁基合金涂层组织中部,部分树枝晶向等轴晶转变,且随着磁场电流的增加,等轴晶的形成范围将增大,熔覆层组织均匀。由于受到磁化力作用,枝晶的易磁化轴向磁场方向偏转,导致枝晶晶粒的生长方向发生偏转,与水平方向夹角由55.1°减小至26.9°。此外,施加稳恒磁场后,晶粒尺寸增加,长轴主要分布在19.3～57.8μm之间,短轴主要分布在1.9～5.3μm之间。未施加磁场时,长轴主要分布在13.2～33.3μm之间,短轴主要分布在1.6～4.4μm之间。洛伦兹力能够抑制金属熔体朝垂直于磁场的方向运动,并改变熔体的运动方向,均匀化学成分,优化涂层微观组织,进而改善涂层的力学性能。当励磁电流为2.5 A时,熔覆层的显微硬度和耐磨性能最好,显微硬度为779.9 HVo.2,磨损量为7.4×10-3mg。
胡舸[7]2015年在《超音频感应熔覆镍基和铁基涂层制备及性能研究》文中研究指明发展冶金结合兼顾耐磨耐蚀性的低成本、高质量涂层及其制备方法是表面工程研究领域重要发展方向之一。本文采用超音频感应熔覆制备低成本铁基、镍基合金涂层方法,研究具有冶金结合、耐蚀、耐磨叁者兼顾的综合性能涂镀层制备技术,主要探讨了以下叁个关键科学问题：(1)铁、镍基合金粉体感应熔覆形成硬质颗粒复合增强结构涂层的形成条件与影响规律；(2)硬质颗粒复合增强结构感应熔覆涂层成分、组织与其冶金结合、耐蚀、耐磨性的关系；(3)硬质颗粒复合增强结构感应熔覆涂层耐磨性与其受摩擦磨损时能否发生晶态-非晶态结构转变、形成原因及其与非晶含量的关系。通过自行组建超音频感应涂层制备装置,选用T×××铁基合金粉体(FeCrNiCoMo、FeCrBSi、FeCrBMo),并与普遍认为耐磨耐蚀镍基合金NiCrBSi(Ni60A)进行对比研究,成功制备出冶金结合、低孔隙、低稀释率耐磨耐蚀性能优异的铁基、镍基涂层。获得了感应熔覆工艺条件影响规律：工作电流和加热时间减少,涂层孔隙率逐渐增大,涂层/基体界面呈机械结合或半冶金结合；工作电流和加热时间增加,涂层孔隙率逐渐降低,涂层稀释率不断增加,熔池温度决定涂层/基体界面两侧合金元素互扩散速率。镍基、铁基涂层微观组织结构致密,呈非平衡快速凝固特征。涂层/基体界面区域在快速冷却凝固状态下呈现附于基体半熔化区晶粒外延生长且与热流方向平行的平面晶组织,底部为树枝晶结构。熔点及合金成分差异是镍基、铁基涂层微观结构和物相组成不同的主因,铁基初始熔覆状态下涂层为纯晶态结构,镍基涂层物相转变过程为L→(γ+L)+CrB+Cr7C3→γ+CrB+Cr7C3+γ-Ni/Ni3Si；铁基涂层物相转变过程为：L→(α/γ+L)+(Cr,Fe)2B→α/γ+(Cr,Fe)2B+α/γ)/(Cr,Fe)2B。镍基、铁基涂层具有优良的室温和高温干滑动摩擦磨损性能。研究结果表明：镍基、铁基涂层显微硬度沿层深方向呈梯度增加趋势,涂层/基体界面处的涡流及趋肤效应协同作用引发界面硬度显着增加,硬度超过基体的2倍。涂层室温磨损机理为弥散强化、固溶强化,随载荷、磨损速率、磨损时间的增加,涂层磨损机制由轻度粘着磨损、磨粒磨损逐渐向中度粘着磨损、磨粒磨损转变；涂层高温磨损机理为弥散强化、固溶强化及氧化膜自润滑保护混合机制,磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的混合机制。铁基涂层硬度和耐磨性优于镍基涂层,硬质析出相含量、固溶体韧性越高,涂层硬度、耐磨性能越高。镍基、铁基涂层具有优良的耐蚀性能,浸泡试验和电化学测试结果表明：镍基、铁基涂层在模拟海水溶液中的腐蚀机理为阳极溶解和钝化膜保护机制,涂层钝化膜由Cr2O3、 FeCr2O4、 SiO2组成,涂层具有优良耐蚀性能的本质原因是高致密性复合氧化膜的钝化作用对腐蚀介质有高效的机械阻隔作用；H2S/CO2高温高压环境下,镍基涂层腐蚀产物主要为FeS、 CrS,铁基涂层腐蚀产物主要为FeS、 FeCr2S4,涂层较好的耐蚀性主要是由于温度升高促进腐蚀产物的沉积和产物膜致密度的提升,对腐蚀介质起到隔离作用；涂层高温氧化动力学曲线符合抛物线规律,致密连续、附着力良好的(Cr,Fe)2O3复合型氧化膜为涂层提供良好的高温抗氧化性能。硬质颗粒复合增强结构感应熔覆FeCrNiCoMo和FeCrBSi涂层受摩擦磨损会发生晶态-非晶态结构转变,晶态-非晶态转变有利于提高涂层减摩、抗磨能力,该现象的发生归因于磨损过程中大量位错等缺陷的引入使涂层晶体结构自由能不断增加直至晶态结构失稳,非晶含量随磨损时间和载荷的增加逐渐提高并趋于稳定在40%附近；随涂层凝固速率增加,枝晶尖端半径逐渐减小,枝晶间距逐渐增加,再减小；Ni元素含量越高,涂层γ相区越大,Ni元素较高时,初生γ相为椭球状结构,Ni元素较低时,初生γ相则呈现不规则结构；基于LS-SVM建立涂层磨损预测模型,磨损预测模型在较少预测样本前提下仍能获得较为准确的磨损行为预测结果。建立了一套快速、高效单次熔覆大厚度且精度可控的涂层制备方法,分别在直通管和带凹槽导轮零件表面制备厚度分别达6.0、3.6mm感应熔覆涂层；感应重熔保护层以SiO2、 Al2O3为骨架,实现了HVOF涂层与基体由机械结合向牢固冶金结合的转变,涂层孔隙率从5.74%大幅降至0.43%,耐蚀性能提高2.74倍。
张珊[8]2015年在《钛合金激光熔覆钴基涂层的制备及数值模拟》文中研究指明随着我国航空航天事业的发展,钛及钛合金因其密度小、比强度高等优点得到了广泛应用,但硬度低、耐磨性差等自身缺陷又严重限制了钛合金的应用领域。近年来,材料表面改性领域研究的热点之一——激光熔覆技术,可以为改善钛合金表面缺陷提供极具发展前景的途径。利用激光熔覆技术可在钛合金表面熔覆一层高硬度、耐磨损的复合涂层,在保证基体良好性能不变的同时有效改善其表面缺陷。在激光熔覆过程中,尺寸很小的熔池内存在极其复杂且反应迅速的传热现象和化学变化,这直接影响材料成形熔覆层的质量和力学性能,因此对熔池内温度场的控制显得尤为重要。利用计算机软件对熔池内温度场进行数值模拟,用以指导熔覆工艺参数的选择及涂层质量缺陷的预测,从而达到改善熔覆层质量的目的,这在实际应用中具有重要的意义。本文利用激光熔覆技术在TC4钛合金上制备了钴基复合涂层。首先利用ANSYS有限元软件对激光熔覆过程中熔池内温度场分布情况进行了研究,并对激光功率参数进行了优化选择。然后利用优化的工艺参数进行激光熔覆实验,熔覆材料有两种,纯KF-Co50钴基自熔性粉末和掺杂10%Zr02的混合粉末,并对两组试样熔覆层的显微组织形貌和力学性能进行了分析。具体研究内容如下：利用ANSYS有限元软件建立了预置式激光熔覆几何模型,并利用参数化设计语言APDL实现了移动激光热源的施加。温度场模拟结果表明,激光熔覆熔池呈椭球形,熔池内温度等温线呈勺状,并且光斑前沿温度梯度大(等温线密集),而光斑后的熔覆层温度梯度小(等温线稀疏)。不同激光输出功率下熔池内温度场分布的研究结果表明,随着激光功率的增大,熔池内最高温度也逐渐增大,熔深增加,为保证熔覆层较小的稀释率,激光功率选择在1000W—1100W之间比较合适。利用Laserline LDF 4000-100型号半导体激光器在TC4合金上进行预置式激光熔覆实验,实验参数为：激光输出功率P=1000W,扫描速度V=5mm/s,激光光斑直径D=3mm。随后利用XRD、EPMA、SEM等实验设备对熔覆层进行形貌及相组成分析。分析结果表明,A1和A2(添加10%部分稳定Zr02)两组试样的熔覆层物相大体相同,主要是在7-Co和少量β-Ti固溶体上分布着长条或块状的TiB2和WB,原位生成的呈颗粒状的TiC,以及CoTi、Cr23C6、CrB硬质增强相等,A2试样整个熔覆层内弥散分布着大量细小的白色Zr02颗粒。采用型号为DHV-1000的维氏硬度计测量熔覆层的显微硬度值。熔覆层横截面显微硬度分布曲线表明,钴基复合涂层的显微硬度值与钛合金基体相比得到显着提高,约为基体硬度的3倍,显微硬度值由熔覆层表面至基体呈梯度平缓下降趋势。横向对比两组试样的显微硬度分布曲线可知,陶瓷颗粒氧化锆的添加并没有显着提高熔覆层的硬度,主要是为了减少熔覆层内裂纹的产生及扩展,提高熔覆层的强度和韧性。
崔崇[9]2012年在《热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的组织性能及其激光重熔行为的研究》文中研究指明本文根据多组元非晶合金系设计理论，在Fe基非晶合金粉末中以W替换P，并采用大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰喷涂(HVOF)工艺在Q235基体上制备了涂层，探索了在Fe基非晶合金涂层中以W替换P的可行性。针对涂层的多孔结构特征及其与基体间结合强度较低的问题，通过热处理和激光表面重熔技术对所制备的Fe基非晶合金涂层进行后处理，研究了Fe基非晶合金涂层晶化过程以及激光重熔过程中的组织、结构和性能的变化规律，并采用电化学工作站对Fe基非晶合金涂层在酸、碱、盐腐蚀介质中的耐蚀性能进行了研究。所获得的主要研究成果如下：首先，通过对含W与含P的Fe基非晶合金涂层(分别编号为Fe-W和Fe-P)性能的研究，证明了在Fe基非晶合金涂层中以W替换P的优越性和可行性。研究表明Fe-W涂层的断裂韧性显着高于Fe-P涂层，两者的纳米压痕硬度相近；Fe-W晶化起始温度595.4℃比Fe-P提高33.4℃；Fe-W涂层在H2SO4、NaOH和NaCl腐蚀介质中的自腐蚀电流密度分别比Fe-P涂层降低了4.9%、28.6%和21%；并且在NaCl溶液中能形成稳定的钝化膜，自腐蚀电位比Fe-P提高了9倍。其次，通过对Fe基非晶合金涂层进行激光表面重熔处理的研究，阐明了激光重熔合金区微观缺陷的产生机制，并提出了预测合金区高度的技术方案，为制定优化的激光表面重熔工艺方案提供了理论指导。研究表明当合金区高度小于喷涂态涂层厚度时，由于熔池底部与未熔涂层间粗糙的接触面阻碍了液态金属的流动，在熔池快速凝固过程中，内部气体残留于熔池中而形成直径大于50μm的圆形孔洞缺陷；进而由于应力集中和熔池凝固时引起的拉应力导致圆形空洞周围的合金区和未熔涂层中产生微裂纹。当重熔涂层合金区高度稍大于喷涂态涂层厚度时，合金区的微观缺陷最少，具有最优良的综合性能。通过自定义的孔隙修正系数α和激光能量有效利用率ξ分别对材料热物理性能和一维无限大平板热传导公式进行修正，可以较为准确的预测合金高度。最后，通过对Fe基非晶合金涂层在NaOH溶液中耐蚀性能影响因素的研究，提出贡献率的概念，为非晶合金涂层的耐蚀性能提供了评价方法。研究表明非晶相含量、孔隙率、合金元素和表面粗糙度对Fe基非晶合金涂层自腐蚀电位贡献率的大小分别为57.1%，28.7%，14.2%和0%；对自腐蚀电流密度贡献率的大小分别为85.7%，13.1%，0.6%和0.6%。
杨昕恬[10]2015年在《机械振动—激光熔覆Fe-Cr-Si合金界面结合特征及熔池温度场、应力场数值模拟》文中研究表明目前的工业运用中,经热处理后的45钢存在着表面硬度低、耐磨性差、易氧化等不足而限制了它的进一步广泛应用。通过采用高能激光束在被选定工件表面熔覆一层具有特殊性能的合金粉末,可以改善工件综合性能,这种表面改性技术称为激光熔覆技术。因此,通过激光熔覆在45钢表面制备出与基材成分接近、界面结合牢固、高硬耐磨且成本低廉的Fe-Cr-Si合金涂层便成为近年来材料科学和表面工程领域致力于研究的热点。本实验在45钢板材上进行不同机械振动参数辅助下,同步送粉法输送激光熔覆铁基自熔性粉末,获得Fe-Cr-Si合金熔覆层。对比不同振动参数下的实验试样宏观和微观结构,研究分析不同机械振动参数对熔覆层及结合界面性能差异。其中,通过OM分析涂层与基体材料的组织形貌,利用XRD、SEM等表征手段研究了熔覆层及熔覆层与基材间的结构和显微组织,同时借助EDS点扫描及线扫描手段,分析熔覆层与基材间相组成和元素分布,采用显微硬度计测试研究了合金涂层中的显微硬度分布,然后根据不同振动参数下的熔覆层相貌特征确定激光热源分布,进行熔覆过程数值模拟分析。最后,针对不同振动参数下结合界面处的元素分布规律,计算该元素的扩散系数与浓度和距离的关系。结果表明：1、在合理的振动参数范围内,涂层可获得良好的表面质量,且熔覆层与基体的结合性能好,为冶金结合。但在机械振动能量增加的情况下,涂层表面出现熔化瘤,且表面粗糙。2、机械振动能量相近下,分别对振幅占优和频率占优情况的激光熔覆过程进行有限元模拟。结果表明,振幅占优时激光熔池中心热量更为集中,熔池熔深增加,熔宽减小,温度梯度增加；频率占优时激光熔池产生均化现象,熔池熔深减小,熔宽增加。从不同振动参数的热循环曲线来看,振幅的作用是使温度梯度增加,频率的作用反之。根据冷却后残余应力场分布图和分布曲线可得：机械振动对激光熔覆残余应力的分布位置影响较小,但振幅占优和频率占优的激光熔覆试样中,沿扫略方向残余应力压应力值有一定的减小,说明机械振动对激光熔覆残余应力有缓释作用。3、Fe-Cr-Si合金粉末在激光熔覆过程中可形成以α-Fe或γ-Fe为基体的合金碳化物(Fe,Cr)7C3、(Fe, Cr)23C6和少量以Fe2B为代表的硼化物,这些碳化物和硼化物具有较高的强度和硬度。而根据机械振动能量计算,可知振幅对激振能的变化影响比较明显,频率作用较小。4、激光熔覆微观结构中发现,在熔覆层和基体间易形成2～3μm深色带状结构,为Cr、 Si等合金元素扩散速率不平衡导致的结果。本文测定界面处Fe-(Cr、Si)扩散中Cr、Si元素浓度分布曲线并计算扩散系数,结果可得,机械振动可使等浓度位置的扩散系数下降,界面处Cr、Si元素扩散系数与温度梯度和浓度有关,且振动参数中幅度对扩散系数的影响大于频率
参考文献：
[1]. 快速凝固合金涂层的温度场数值模拟及力学性能研究[D]. 薛祖宇. 华北电力（北京）大学. 2002
[2]. 机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究[D]. 王传琦. 昆明理工大学. 2013
[3]. 高锰钢表面等离子熔覆Fe-Cr-Ni合金涂层的组织与性能研究[D]. 杨宏欢. 广东工业大学. 2016
[4]. 电热爆炸喷涂法制备亚微米晶涂层的研究[D]. 蒲泽林. 华北电力大学（北京）. 2005
[5]. 镍基合金及其纳米复合材料激光熔覆涂层的研究[D]. 张世宏. 安徽工业大学. 2007
[6]. 稳恒磁场作用下激光熔覆铁基涂层的凝固机理及其微观组织[D]. 李庆玲. 昆明理工大学. 2016
[7]. 超音频感应熔覆镍基和铁基涂层制备及性能研究[D]. 胡舸. 北京科技大学. 2015
[8]. 钛合金激光熔覆钴基涂层的制备及数值模拟[D]. 张珊. 大连理工大学. 2015
[9]. 热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的组织性能及其激光重熔行为的研究[D]. 崔崇. 天津大学. 2012
[10]. 机械振动—激光熔覆Fe-Cr-Si合金界面结合特征及熔池温度场、应力场数值模拟[D]. 杨昕恬. 昆明理工大学. 2015
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