激光熔覆镍基复合涂层工艺和性能的试验研究

发布时间：2020-10-15 03:34

　　 激光熔覆是利用高能激光束在需要改性的金属表面生成符合用户要求的涂层技术,而生成涂层的质量状态直接取决于熔池。在本次研究中,研究锆强化NiCrBSi合金涂层的强化机理。添加锆的氧化物原位生成碳化物硬质颗粒,提高Ni基合金涂层的硬度和耐磨性;并进一步引入W-Zr材料体系进行激光熔覆,提高Ni基涂层的高温耐磨性能。研究中,利用光学显微镜(OM)、电子扫描显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)以及X射线衍射(X-ray)等研究涂层的显微组织、物相成分、颗粒分布规律。搭建激光熔覆光学检测系统获取熔池的相关信息,控制熔覆过程的稳定性。最终在铬锆铜基体上获得符合性能要求的强化合金涂层。利用盘销式摩擦实验测试涂层的常温和高温耐磨性,并分析磨损机理。研究中将二氧化锆和石墨按照反应摩尔比混合后,将之分别按照比例添加到Ni25、Ni45和Ni60中,成功制备了三类含有原位自生ZrC颗粒的ZrC/Ni25、ZrC/Ni45、ZrC/Ni60镍基复合涂层。在涂层中,C和ZrO_2反应生成ZrC。结果显示,原位生成ZrC不仅细化了组织结构,而且阻止了M_7C_3粗大碳化物和γ-Ni+M_(23)C_6继续生长,提高了组织的稳定性。ZrC绝大部分颗粒相都长大成独立颗粒,呈现为三角形、四边形或者长轴形,有些碰撞聚集在一起的则最终烧结在一起,形成更大尺寸的颗粒。基于原位自生ZrC强化Ni基合金涂层的理论基础和实验研究,将WC、ZrO_2的混合粉末按比例混合后加入到Ni60合金粉末中,利用原位生成的方法制备多碳化物强化的Ni60-WC-ZrO_2复合合金涂层。最终成功制备了以WC、ZrC、(W,Zr)C,M_(23)C_6等碳化物为强化相的Ni60-WC-ZrO_2复合合金涂层。其中碳化物的生成分为三个阶段:WC分解,与周边的ZrO_2反应生成ZrC,随后WC与ZrC相互扩散逐步生成(W,Zr)C。Zr元素起到了固溶强化的作用,提高了镍基体的抗塑性变形的能力;Zr同时又细化了组织结构,抑制了初生相以及共晶组织的进一步长大,相应涂层韧性得到改善。原位合成的ZrC作为硬质相弥散分布在基体中,具有一定的弥散强化作用,具有良好的抗切削能力,并且提高了涂层硬度,同时由于硬质颗粒的支撑,耐磨能力得到提升。ZrC/Ni25复合涂层从黏着磨损转变为磨粒磨损,体现了良好抗黏着能力和抗切削能力。ZrC/Ni45复合涂层则主要以犁削为主;ZrC/Ni60主要表现为磨粒磨损。由于Ni60合金涂层内部应力大,所以高温下的应力逐步释放,耐磨性要优于常温耐磨性;而ZrC/Ni60复合涂层的高温耐磨性优于Ni60合金涂层的磨损性能。Ni60-WC-ZrO_2熔覆涂层硬度提高非常明显,可达HV1000以上,耐磨性在高温和常温中也提升明显。相比较于Ni60涂层,内部的碳化物颗粒增加,晶粒组织细化显著,耐磨性显著提高。为了稳定在各种不同实验条件、不同材料和工况下的激光熔覆过程,搭建光学检测平台对熔池进行检测并进行信息提取,利用数值有限元方法对同样参数的熔覆过程进行模拟仿真,将最终检测平台获取的面积、宽度和长度以稀释率与数值模拟结果进行对比分析。通过设定不同速度、不同功率以及不同铺粉厚度下的激光熔覆实验,对熔池大小进行了检测,并与有限元模型进行了比对和分析,证明了检测系统和有限元仿真系统的可行性和有效性。最后,基于对强化涂层性能的研究和光学检测平台的应用,将这些复合合金涂层应用到铬锆铜的基体上。实验中通过电镀镍作为过渡层,将强化涂层制备到工件表面,最终获得了良好的常温和高温耐磨性,对比于传统电镀工艺,其耐磨性提高了约20倍。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4;TG665
【部分图文】：

图 1-2 激光熔覆材料添加方法:（a）预置涂层法 （b）同步送粉法 (c) 送丝法[Fig 1-2 Method of material addition (a) pre-placed (b) coaxial feeding (c) wire feedin图 1-3 同步送粉 a) 侧向送粉 b) 同轴送粉[3]Fig 1-3 The different feeding systems a) side and b) coaxial set-up激光熔覆材料体系中，具有抗腐蚀性、优良耐磨性的的自熔 Co 基、金被广泛使用。肯纳司太立（Kennametal-Stellite Inc.)公司生产 Co 基来生产一些耐磨的高硬表面。如 Co-Cr-Mo-W-C 合金改善涂层的高温

图 1-3 同步送粉 a) 侧向送粉 b) 同轴送粉[3]Fig 1-3 The different feeding systems a) side and b) coaxial set-up熔覆材料体系中，具有抗腐蚀性、优良耐磨性的的自熔 Co 基被广泛使用。肯纳司太立（Kennametal-Stellite Inc.)公司生产 C产一些耐磨的高硬表面。如 Co-Cr-Mo-W-C 合金改善涂层的合金用来生产具有耐磨、耐腐蚀的苛刻条件下的保护涂层，如Ni 基合金如 Colmonoy 公司(Wall Colmonoy Ltd.)的 Ni-Cr-B- 合金。相比较于 Ni 基和 Co 基合金，Fe 基合金则常用来生产耐蚀的奥氏体或者马氏体不锈钢的激光熔覆中。除了这些金属基瓷基粉末被用来提高涂层的机械性能，如 Ni-WC 体系等。一大多为粉末态和丝状，不同场合下也有棒状和板条类。自熔合金粉末以主体粉末为主，并在其中添加具有脱氧和自熔的混合合金粉末。因为 B、Si 具有脱氧并造渣的功能，因此而熔覆形成的熔池中，B、Si 首先与粉末中的 O 反应生成硼酸盐

图 1-4 (a) 叶片修复 (b) 叶片熔覆涂层1-4 Rebuild of the tip of a turbocharger blade[21]. Laser cladding of blades[22具修复技术也常用来在一些模具、刃具、量具上熔覆具有耐磨高硬因为磨损变形等因素引起的误差，例如合金粉末诸如 Ni-Cr- 基粉末常用来熔覆玻璃模具或者热作模具的耐磨涂层。除此之一些常用在极端工况服役的金属表面熔覆保护涂层以防腐蚀粒侵蚀等。典型工件如石油钻井、矿机掘进机的钻头[23]等。末常用来对钻掘工具表面的保护以此来对其服役寿命进行延杆修复阀座或者电厂等热力高温行业控制阀等零部件通常都在高温作。激光熔覆可以用来在阀座或者整个阀体上进行表面熔覆、高压的腐蚀环境下就可长时间服役，避免因为磨损、腐蚀
【参考文献】

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本文编号：2841628