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送粉激光熔覆陶瓷掺杂复合涂层技术及涂层成形机理研究

张三川  
【摘要】: 激光熔覆是利用高能量激光束熔化涂层材料和一薄层基体,形成一个无气孔、无裂纹并能和基体形成良好冶金结合的表面涂层,它已成为现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一,并在“21世纪的再制造工程”中有着广阔的应用前景。 激光熔覆技术主要包括两大方面:一是熔覆涂层材料体系的设计,二是熔覆工艺规范的制定。在材料体系中,激光熔覆陶瓷掺杂自熔合金涂层的研究一直是金属材料表面强化与改性领域的前沿热点之一。通过对激光熔覆过程的快速熔化、快速凝固特性和熔覆改性涂层的应用属性研究,认为熔覆材料体系设计实质上是一个基于摩擦学系统的耐磨损设计问题,因此首次提出了基于摩擦学系统的激光熔覆耐磨复合材料的设计原则与方法,从而从方法学上解决了激光熔覆耐磨材料体系的选择设计上一直存在的盲目性问题。 基于这个原则与方法,并结合最具生产适应性的同步送粉激光熔覆模式,设计了以Ni包WC为掺杂相增强Ni基自熔合金的通行模式的材料组合;同时在激光熔覆涂层裂纹控制问题上,首次提出和设计了ZrO_2为强韧掺杂相的材料体系。此后,对Ni包WC掺杂Ni60自熔合金、ZrO_2掺杂Ni60自熔合金两类材料分别设计和实施了58种和36种工艺规范,同时对熔覆层表面质量良好的工艺规范与组分材料进行了搭接熔覆试验。通过对熔覆层的表面质量、显微组织、显微硬度及其分布的比较,得出了不同材料体系下的较优的激光熔覆工艺技术规范。然后,利用环-块摩擦磨损试验机对两类材料的耐磨损性能进行了研究和评价,试验表明:掺杂陶瓷相的存在阻碍了划痕在复合涂层表面的产生,而呈现出非连续的磨痕;含WC的涂层属硬相承载耐磨型,含ZrO_2的属剥离型磨损。 采用了XRD、SEM、EDS等现代表面分析技术对熔覆层的相、微区与元素分布等的分析,结果表明:对于碳化钨掺杂的熔覆层存在均匀分布的弥散组织,而块状碳化钨表面是WC和W_2C的共晶组织;对于氧化锆掺杂的熔覆层,ZrO_2陶瓷颗粒团表面有Cr元素的富集,形成了Cr包ZrO_2的结晶形式,氧化锆陶瓷的晶型为单斜晶而不是快速凝固下应形成的四方晶,因而实现了在熔覆层中相变增韧的设计目标;在以Ni自熔合金为主相的熔覆层界面可以得到Fe-Ni、Fe-Cr固溶体过渡层,可显著提高熔覆层与基材的冶金 结合强度。 综合试验与分析结果,首次建立了 WC陶瓷颗粒和 Z,0,陶瓷颗粒 N i 60自熔合金的激 光熔覆层成形的物理模型。该物理模型指出:l)对于密度大的掺杂相,要获得均匀分 布(横截面)的颗粒弥散组织结构,应输入给熔池尽可能高的的激光能量,使熔池的流动 性得到较大的提高,从而通过熔池流体的流化效应使较重颗粒在熔体凝固前实现均匀化 分布:2)对于密度小的掺杂相,要获得均匀分布(横截面)的颗粒弥散组织结构,应输 入给熔池尽可能低的的激光能量,使熔池的流动性得到较差,从通过增加熔池熔体的粘 度使颗粒上浮的速率大为下降,从而在熔体凝固前实现均匀化分布。


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