激光熔覆高耐蚀耐磨纳米晶涂层的制备与性能研究

发布时间：2017-10-14 02:35

  本文关键词：激光熔覆高耐蚀耐磨纳米晶涂层的制备与性能研究

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【摘要】：本文针对工业生产中的两种重要零部件--盾构机刀具和螺旋桨叶片进行研究。首先利用激光熔覆技术,将Fe-Co-Si-B、Fe-Co-Ni-Si-B、Fe-Mo-Ni-Si-B三个涂层体系熔覆在中碳钢表面,然后再采用激光重熔工艺对熔覆层进行处理并成功获得非晶-纳米晶复合涂层。通过宏观观察、显微组织分析、物相分析、硬度、耐腐蚀性、耐磨损性能等一系列分析测试,得出性能最优的涂层体系;然后利用其优异的耐磨损和抗腐蚀性能,在盾构机刀具表面制备出Fe-Mo-Ni-Si-B涂层,并研究其组织和性能。为了提高螺旋桨叶片在海水中的耐蚀能力,在其基体材料镍铝青铜(NAB)表面制备出Ni-Cr-Cu涂层,通过改变激光扫描速度,研究不同热输入对涂层组织和性能的影响,并得出耐蚀性最佳的激光工艺参数。利用激光熔覆与重熔技术在中碳钢表面成功制备出与基体呈良好冶金结合的Fe-Co-Si-B、Fe-Co-Ni-Si-B和Fe-Mo-Ni-Si-B三种涂层,并系统研究了涂层的组织与性能。激光重熔之后,涂层的组织进一步得到细化,获得纳米晶组织,非晶所占的比例也得到增加。涂层的显微硬度约为45钢的4~5倍。经过激光重熔之后的重熔层硬度更高,都约达到1000HV0.2左右,其中Fe-Mo-Ni-Si-B这个涂层体系重熔层的显微硬度是最高的,可达1120HV0.2。极化曲线和阻抗谱分析表明,与45钢基体相比,合金体系的自腐蚀电位都正向移动了400m V~500m V,涂层的腐蚀倾向大大减小。重熔处理前后的涂层相比,重熔后的涂层腐蚀电流密度更小,表明重熔层的抗蚀性更优。其中Fe-Mo-Ni-Si-B重熔层的耐蚀性最好,自腐蚀电位为-248.44 m V,自腐蚀电流密度为1.2763×10-6 Amps/cm2。Fe-Mo-Ni-Si-B涂层的磨损试验结果表明:激光熔覆和重熔处理后的涂层与基体相比,耐磨性能得到了极大的提高,尤其是激光重熔后的试样,磨损性能与基体相比,提高了5倍左右。由物相分析和硬度分析可知,熔覆层和重熔层中含有大量的硬质晶体相且晶粒较为细小,故涂层的耐磨损性能与基体相比有很大提高。取国产、进口两种不同的盾构机刀片进行失效分析研究,结果表明:盾构机刀具在硬岩石中工作时,磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损,而且进口刀片的耐磨损性更优。根据刀具的磨损失效形式,结合刀具的工作环境,建议使用耐磨损、抗疲劳的冷作模具钢LD。通过激光熔覆技术在盾构机刀具表面制备出Fe-Mo-Ni-Si-B涂层,所获得的涂层能与基体结合良好且性能优异。激光单道熔覆涂层和多道搭接熔覆层的自腐蚀电位与基体相比分别正移了40m V、101m V,自腐蚀电流密度也有所下降,其中多道搭接熔覆层的Icorr最小,是9.7466×10-8 Amps/cm2,与刀具材料相比约提高了两个数量级。激光熔覆之后所得涂层的显微硬度约为基体的2~3倍,其中多道搭接涂层的硬度最高,可达1200HV0.2。且涂层能够显著提高刀具的耐磨损性能,多道搭接涂层的磨损失重约为基体的1/5。螺旋桨叶片材料镍铝青铜表面激光熔覆Ni-Cr-Cu涂层,在不同的激光扫描速度下,涂层与基体都能呈良好的冶金结合。涂层的物相包含镍、铜和铬的固溶体,其中还弥散分布着一些为熔化的颗粒。不同激光扫描速度下涂层的腐蚀电位跟基体对比,都正向提高;自腐蚀电流密度都不同程度地减小,表明涂层的抗蚀性与基体相比有较大改善。试验过程中,工艺参数选择4000W,500mm/min,所得的涂层腐蚀电位最高,可达28.026 m V;此时,涂层的自腐蚀电流密度最小,是6.3119×10-7 A/cm2,与基体对比,提高了两个数量级。
【关键词】：激光熔覆 电化学腐蚀 抗磨性 硬度 显微组织
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-29
• 1.1 表面工程10-11
• 1.2 激光熔覆技术11-14
• 1.3 激光熔覆层的性能14-18
• 1.4 激光重熔技术18-19
• 1.5 激光熔覆制备非晶纳米晶复合涂层19-24
• 1.6 盾构机刀圈及螺旋桨叶片常见失效形式24-26
• 1.7 本课题的研究意义及主要内容26-28
• 1.8 本课题的研究路线28-29
• 2 激光熔覆与重熔制备非晶纳米晶复合涂层29-49
• 2.1 引言29
• 2.2 试验设备及测试方法29-33
• 2.3 基体材料及涂层体系33-35
• 2.4 激光熔覆及重熔对涂层显微组织的影响35-37
• 2.5 激光熔覆及重熔对涂层相结构的影响37-39
• 2.6 激光熔覆及重熔对涂层显微硬度的影响39-42
• 2.7 激光熔覆及重熔对涂层耐腐蚀性能的影响42-45
• 2.8 激光熔覆及重熔对Fe-Mo-Ni-Si-B涂层摩擦磨损性能的影响45-47
• 2.9 本章小结47-49
• 3 Fe-Mo-Ni-Si-B非晶纳米晶耐磨涂层在刀圈基体的制备49-68
• 3.1 引言49
• 3.2 国产、进口两种盾构机刀片的失效分析49-55
• 3.3 刀圈基体表面Fe-Mo-Ni-Si-B非晶纳米晶复合涂层的制备55-66
• 3.4 本章小结66-68
• 4 镍铝青铜表面激光熔覆Ni-Cr-Cu涂层性能研究68-80
• 4.1 引言68
• 4.2 基体和Ni-Cr-Cu涂层体系的成分68-70
• 4.3 镍铝青铜基体和Ni-Cr-Cu涂层的相结构70-71
• 4.4 基体和Ni-Cr-Cu涂层的组织形貌71-74
• 4.5 基体和Ni-Cr-Cu涂层电化学性能74-77
• 4.6 基体和Ni-Cr-Cu涂层电化学腐蚀形貌77-78
• 4.7 本章总结78-80
• 5 全文总结80-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-89
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文目录89

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本文编号：1028527