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冷喷涂制备304不锈钢-IF钢复合钢板及其轧制共变形行为研究

孟宪明  
【摘要】:近年来随着工业的发展和人民生活水平的提高,不锈钢因其具有优良的耐蚀性和表面光洁度而被广泛应用于各个领域,其需求量也成逐年递增的趋势。但由于不锈钢中含有高比例的镍铬锰等稀贵金属而使其价格居高不下。不锈钢-碳钢复合材料比纯不锈钢可节约铬、镍元素70-80%,在其使用价格上具有同不锈钢冷轧板无法比拟的优势。因此,不锈钢复合板自诞生以来就一直受到世界各国研发人员的高度重视,其制备技术已经成为世界各国材料研究人员关注的重要课题。 本文采用冷气动力喷涂和后续连续冷轧的方法,制备出了304不锈钢-IF钢复合钢板。首先,本文研究了冷喷涂工艺参数对粒子沉积效率以及涂层组织与性能的影响。实验结果表明,提高喷涂气体温度与喷涂气体压力都会提高喷涂粒子的沉积效率,由于提高喷涂气体温度不但能够提高喷涂粒子的碰撞速度,同时还有软化粒子的作用,因此提高喷涂气体温度可以使粒子的临界沉积速度得到降低。同时,提高喷涂气体温度与压力可以降低涂层的空隙率,提高涂层自身的内聚结合力。喷涂气体温度对涂层内聚力影响较大,使其从450℃时的56MPa提高到750℃时的94MPa。而气体压力对其强度影响较小,压强从2.0 MPa提高到3.3MPa涂层内聚强度只提高了14MPa。 同时,本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了冷喷涂单个粒子与基板的碰撞沉积行为。研究结果表明,粒子的速度越大,粒子与基板碰撞后形成的剪切射流面积越大,粒子越容易扁平化。数值模拟结果表明粒子发生碰撞的初始时刻压力波从碰撞的界面向两边传播,等压强区域基本呈环状分布,最大压力发生在粒子中下部与基板的接触处,向外压力依次减小。粒子碰撞变形程度,界面接触面积,与粒子的状态参量有关,发生绝热剪切失稳的位置不在粒子的初始接触点,在靠近初始接触点的边缘区。 其次,本文对已制备的冷喷态涂层的组织与性能进行了研究。结果表明,304不锈钢涂层组织由大量的扁平状粒子搭接构成,涂层与基体间的结合面为勾结咬合的机械结合方式。由于冷作硬化作用使涂层的显微硬度是原始粉末硬度的1.9倍,其硬度值为343HV0.2,抗拉强度为94MPa,断裂发生在粒子间的界面位置,断裂特征为脆性特征。冷喷态涂层进行直接冷态轧制后,涂层中出现大量的裂纹,裂纹走向垂直于轧制方向,轧制过程中初始裂纹的萌生位置位于涂层的表层区,并随着轧制量的增大从表层区扩展到涂层与基体的界面,随后沿着涂层与基体界面扩展,最后导致涂层从基体上脱落。 随后,本文采用后续热处理方法对涂层组织与性能进行优化,研究了热处理温度对涂层组织与性能的影响,揭示了涂层粒子间及涂层与基体间的热扩散机制,以及涂层在拉伸断裂过程中的韧脆转变机制。研究结果表明,随着热处理温度的升高,涂层的组织经历了回复与再结晶以及粒子间界面融合的过程。当热处理温度达到950℃时,涂层内的粒子间界面完全消失,取而代之的是新形成的再结晶晶界。涂层与基体间的结合由机械咬合方式转变为冶金扩散结合方式,涂层与基体间界面扩散层厚度由850℃时的71μm增长到1200℃时的47μm。随着热处理温度的升高,涂层的显微硬度从冷喷态时的343HV0.2降低到1200℃时的195 HVo.2,下降幅度达到43%。涂层的抗拉强度由冷喷态时的73MPa升高到1200℃时的407MPa,其断面延伸率也从0.5%升高到7%,断裂形式由脆性断裂转变为塑性断裂。 最后,本文对304不锈钢涂层与基板在进行共轧制变形过程中的变形规律及其协调变形能力进行了深入的研究。研究结果表明,热处理温度及初始涂层/基板厚度比都会对涂层与基体的轧制共变形行为产生影响,随着热处理温度的升高,不同轧制变形量下的协调变形比都有所升高,热处理温度为1100℃与1200℃时达到最好。当涂层与基体的总轧制变形量小于40%时,任何热处理态的协调变形比都小于0.55,协调变形能力较差。当轧制变形量达到50%以上,1100℃与1200℃热处理态的变形协调比近似等于1,两者协调变形能力最佳。当厚度百分比为2%时,协调变形比值随轧制变形量的增大逐渐接近于1,在所有轧制变形量下均表现出良好的协调变形性能。当厚度百分比为4.5%时,在轧制量小于40%时其协调比小于0.8。轧制量大于40%时,协调比才逐渐接近于1。当厚度百分比为15%时,其变形协调比小于0.6,变形协调性较差。当厚度百分比为50%时,其变形协调比小于0.3,涂层与基板不能协调变形。


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