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激光熔覆原位自生金属陶瓷复合涂层组织性能研究

刘硕  
【摘要】:利用激光熔覆技术在常规材料表面制备原位自生金属陶瓷复合涂层可以实现金属基体与陶瓷材料优异性能的良好结合,该领域研究应用前景广阔。鉴于此,本文在以下方面开展了研究工作: 利用ΔG_T判据可知:Ni-Fe-Ti-B和Fe-Ti-B体系中TiB_2生成趋势最大,Ni_4B_3,TiB等也能生成。激光熔覆过程中保护气氛的作用重要。对不同涂层反应体系的差热分析表明:体系升温速率不同,其中的主反应类型基本不变,但反应热效应及主反应进行程度有所不同,且反应开始温度和反应速率最大温度亦有变化。多元系中的组元数量对此二温度点高低亦有影响。利用差减微分法建立的动力学方程可以粗略描述激光熔覆过程。 激光熔覆原位反应是开放体系中远离平衡态的过程,一定条件下可以引起负熵变,体系内部存在非线性机制及涨落,符合Z.Prigogine关于非平衡体系中形成耗散结构的条件,实验也证实反应中发生了自组织现象并形成了呈宏观有序规则排布的耗散结构。 利用激光熔覆技术,选用优化的激光工艺参数在常用中碳钢45钢表面制备了不同成分配制的原位析出Ni-Fe-Ti-B和Fe-Ti-B复合涂层,成份配制适宜的试样SN1,SN2及经过成份调整的SF1,SF2,SF3涂层熔覆质量良好。利用材料现代分析手段对涂层进行显微分析。结果表明:涂层熔区组织形态及晶粒度随涂层成份的不同呈规律性演化。Ni-Fe-Ti-B涂层由金属基体γ-(Ni,Fe)和Ni_(hcp)及大量不同形状的原位析出稳定相TiB_2,Ni_4B_3及亚稳定相Ni_2B,(Fe,Ni)_3B型化合物组成。Fe-Ti-B涂层由金属基体α-Fe及不同形状的原位析出稳定相TiB_2,Fe_2B与亚稳相TiB,Fe_3B组成。它们在涂层熔区内以晶内先共晶金属基体相与晶间混合共晶组织的形式存在。基体内部与析出相界面上的高密度位错堆积使基体金属亚结构细化。原位合成产物产量随涂层成分配制的不同而改变。 对涂层机械力学性能的分析表明:涂层显微硬度值较基体有显著提高,从表面到基体呈平稳过渡的梯度分布,熔覆质量良好试样的显微硬度受涂层成份影响不大;涂层强化机制主要有细晶强化、硬质相弥散强化、过饱和固溶强化及位错堆积强化等;熔区组织较基体显著细化,晶粒细化行为与该过程中的传热与传质、原位析出硬质颗粒促进非均质形核以及金属基体中强烈的位错运动细化亚结构有关;高陶瓷相含量涂层开裂倾向大,裂纹主要有基体中的穿晶裂纹、熔覆层边缘高密度微裂纹、基体与原位析出相界面上的微裂纹及热影响区中结合界面附近的微裂纹等,其产生于涂层熔区中的热应力和组织转变应力,它们对涂层开裂的影响程度同激光参数、涂层成分及原位析出相的形状、大小、分布等有关;激光处理后材料耐磨性明显提高,涂层中的磨损机制主要为磨粒磨损及其引起的剥落磨损,基体中除此之外还有粘着磨损。 在温度连续变化环境中对涂层的高温氧化性能进行了测试。结果表明:试样SN1,SN2在温度连续变化条件下高温氧化抗力大,氧化表层组织细小均匀且致密排布;SN3和基体试样高温氧化抗力较低,氧化表层组织疏松粗大,不均匀,开裂及脱落倾向严重。适宜的陶瓷相含量及其在基体中的均匀弥散分布状态可大大提高涂层的高温氧化抗力。


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