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大块金属玻璃表面激光熔覆非晶粉体复合层组织和性能研究

李东洋  
【摘要】:激光熔覆作为一种表面强化技术,对材料表面改性方面起着尤为重要的作用。激光熔覆技术的优势为在现有的廉价材料表面获得微结构,从而改变其组织结构,提高其性能,使其具有良好的应用前景。采用强度高、硬度高、玻璃形成能力强以及机械性能优异的Zr_(46)Cu_(46)Al_8大块金属玻璃作为基体材料,同时采用Zr_(46)Cu_(46)Al_8非晶粉体作为熔覆材料,开展激光重熔对Zr_(46)Cu_(46)Al_8熔覆层的组织结构、热力学稳定性、显微硬度以及耐磨性的研究,为促进大块金属玻璃激光改性的工业应用奠定理论基础。采用铜模真空吸铸法制备Zr_(46)Cu_(46)Al_8大块金属玻璃,采用高能球磨法制备Zr_(46)Cu_(46)Al_8非晶粉体,通过正交实验法设计不同的实验参数,使用Nd-YAG激光器通过调整基体开槽深度、激光器电流大小以及激光扫描速率,在大气环境中进行激光重熔。利用XRD、SEM分析样品熔覆层不同区域的微观组织结构,用DSC研究大块金属玻璃、非晶粉体的晶化动力学以及熔覆层的热力学稳定性,用维氏显微硬度仪测量熔覆样品不同区域的显微硬度值,用摩擦磨损测试仪测试样品的摩擦系数,得到主要结论如下:(1)Zr_(46)Cu_(46)Al_8块体金属玻璃的玻璃转变和晶化过程为一级晶化行为,且具有明显的动力学效应。不同球磨工艺对制备非晶粉体直接影响的效果大小为:球磨转速球磨时间球料比。(2)相同条件下,块体金属玻璃的晶化放热峰更尖锐更集中更强烈,且块体金属玻璃的T_g、T_x和T_p分别为712.9、778.6和786.5K普遍高于非晶粉体627.7、695.3和775.9K。Zr_(46)Cu_(46)Al_8块体金属玻璃和非晶粉体的ΔT_x分别约为65.6K和67.5K,皆具有较强的玻璃形成能力。(3)由KISSINGER方法和OZAWA方法计算得到的Zr_(46)Cu_(46)Al_8块体金属玻璃的表观激活能E_g、E_x和E_p平均值分别为260.5 kJ/mol、307.8 kJ/mol和295.9kJ/mol均高于非晶粉体平均值对应为157.1kJ/mol、148.5kJ/mol和112.4kJ/mol。(4)Zr_(46)Cu_(46)Al_8合金粉以及非晶粉激光熔覆出现的晶相大致相同主要为Al_2Zr、AlCu、ZrCu以及AlCu_2Zr相,但熔覆参数对熔覆层的组织结有较大的影响。在激光参数在熔覆层层开槽深度0.3mm、激光扫描速度250mm/min、激光电流为200A时,只有极弱的Al_2Zr相以及ZrCu相晶态衍射峰出现,此时熔覆层内只有少量的晶态结构。(5)熔覆层开槽深度为0.35mm、扫描速度为500mm/min以及激光电流为140A时,Zr_(46)Cu_(46)Al_8非晶粉和大块金属玻璃基体实现极为良好的冶金结合。(6)Zr_(46)Cu_(46)Al_8合金粉激光熔覆层的热力学稳定性受激光熔覆参数影响较大,不同参数时样品DSC曲线具有较大的差别,而Zr_(46)Cu_(46)Al_8非晶粉体熔覆层的热力学稳定性受激光熔覆参数影响较小,不同参数下样品DSC曲线区别不大,热力学参数值变化范围极小。(7)Zr_(46)Cu_(46)Al_8合金粉体和非晶粉体熔覆区各样品的平均硬度分别约为659.7、610.2HV,普遍高于于基体硬度526.4HV,热影响区平均硬度分别约为496.8、471.7HV均比基体硬度值低。(8)摩擦滑速从300-500mm/min,基体摩擦系数从0.19增加到0.22。滑速为300mm/min时,Zr_(46)Cu_(46)Al_8合金粉与非晶粉体熔覆层摩擦系数分别约为0.22和0.17。滑速为400mm/min时,Zr_(46)Cu_(46)Al_8合金粉与非晶粉体熔覆层摩擦系数分别约为0.57和0.24。滑速为500mm/min时,Zr_(46)Cu_(46)Al_8非晶粉体熔覆层摩擦系数为0.18.


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