万米深井钻机刹车盘表面激光熔覆组织与性能研究

【摘要】： 深井钻机盘式刹车处于强摩擦、高热负荷及较大制动力等极端工况下,导致刹车盘表面存在三种形式的失效形式:一是由于紧急制动造成刹车盘表面瞬间高温产生的高温氧化;二是由于重载制动造成刹车盘表面的磨损损坏;三是由于高频、重载的周期性制动产生的热应力造成的热疲劳裂纹。目前通常采用等离子喷涂技术和堆焊技术强化和修复刹车盘表面,但都存在着较大的局限性。 本文采用5kW横流CO_2激光器,在基体35CrMo钢表面分别制备了铁基合金涂层以及含有不同比例Cr_3C_2的铁基合金复合涂层。利用OM、SEM、XRD等手段分析了激光熔覆层的微观组织结构、相组成,观察了高温氧化及摩擦磨损试验后试样表面的形貌;采用EDS分析技术,系统分析了结合区和熔覆层各区域合金元素的含量,以及高温氧化试样表面氧化膜的元素组成;对熔覆层的硬度、摩擦磨损性能、热疲劳性能以及抗高温氧化性能进行了测试,并对高温性能强化机理及摩擦磨损机理进行了探讨。 试验结果表明,在预制粉末厚度为1mm,激光功率为3.5kW,扫描速度在150~300mm/min范围内,激光熔覆层组织均匀致密,实现了与基体良好的冶金结合,无裂纹、气孔等缺陷。铁基合金熔覆层的主要组成相为γ(面心立方)过饱和固溶体以及M7C3型碳化物、(Fe, Cr)有序相;显微组织包括平面晶和大体上垂直于界面生长的粗大的柱状树枝晶,向熔池中部过渡为多方向生长的细小树枝晶,近表面为平行于激光扫描速度方向生长的细小枝晶区。添加Cr_3C_2后的熔覆层组织主要由初生的M7C3碳化物、细小的树枝晶及枝晶间的薄片状共晶组织(γ+Cr_7C_3)组成,与铁基合金涂层相比,添加Cr3C2的熔覆层物相种类不变,但碳化物的数量显著增加。与基体35CrMo钢相比,激光熔覆层均具有很高的硬度,约为基体的1.5倍,且随Cr_3C_2加入量的增加表面硬度逐渐提高。 激光熔覆层的摩擦磨损性能是摩擦副系统的综合特性,具有极强的系统依赖性和复杂的时空特性。在相同的试验条件下,当对磨材料为45#钢淬火件时,铁基合金涂层的耐磨性比基体稍有提高,而添加10%Cr_3C_2和20%Cr_3C_2的熔覆层的耐磨性则分别为基体耐磨性的3倍和10倍;激光熔覆层的摩擦系数随着硬度的提高呈下降的趋势。当基体与添加20%Cr3C2的激光熔覆层在更为苛刻的试验条件下,对磨材料为石墨基粉末冶金摩擦片时,熔覆层的耐磨性约为基体的2倍;与45#钢淬火件/涂层摩擦副对比,添加20%Cr3C2的熔覆层与基体均具有更小的磨损失重和更低的摩擦系数。 在600℃高温条件下,铁基合金涂层和添加Cr_3C_2的铁基合金涂层的抗高温氧化性能均明显优于基体,其累计氧化增重及增重速率远远小于基体的增重及增重速率。铁基合金熔覆层具有较好的抗高温氧化性能,在于其表面氧化形成了FeCr2O4尖晶石氧化物,这一尖晶石氧化物结构致密、缺陷少,导电性能差,具有较好的抗氧化能力。添加Cr_3C_2的熔覆层由于Cr_3C_2发生高温分解而使熔池中Cr元素含量大大提高,导致在试样氧化表面可形成连续完整的Cr2O3氧化膜。因此其抗高温氧化性能与铁基合金熔覆层相比有所提高。 经过50次从600℃到室温的冷热循环,基体及铁基合金熔覆层表面均未观察到裂纹,这表明其抗热疲劳性能优异;而添加Cr_3C_2后的熔覆层在涂层内部产生裂纹,且随着Cr_3C_2含量的增加,裂纹萌生循环次数减小,裂纹变宽变深,热疲劳性能恶化。这主要是硬质相与基体粘结相的热膨胀系数差异造成的。 综合分析,在预制粉末厚度1mm,激光功率为3.5kW,扫描速度为150~300mm/min范围内,激光熔覆技术制备的铁基合金熔覆层成型良好,表面硬度高,具有优良的抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性以及较高的摩擦系数,建议应用于刹车盘表面改性。