铜基表面激光熔覆制备及仿生应用

发布时间：2017-10-19 11:44

  本文关键词：铜基表面激光熔覆制备及仿生应用

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【摘要】：铜及铜合金由于具有导电、导热等优异的性能，被广泛应用于生产和生活中，但对铜材也提出了更高的要求，比如在汽车同步器齿环、工程机械液压泵摩擦副和铜结晶器等方面，要求其具有很高的耐磨性和机械性能。在铜合金表面改性中，激光熔覆技术具有影响区窄、工件变形小、结合力强、效率高、无污染等优点，是本文依托的基本制备技术。由于铜合金热扩散快、对激光的吸收率很低，采用了Nd: YAG激光器，通过预置粉末的方法在铜合金表面进行激光熔覆。 仿生学研究发现蜣螂、穿山甲、蝼蛄等土壤动物在穿过沙石和土壤过程中具有优异的耐磨性，主要是因为动物体表具有形态非光滑、特殊的物理结构和化学组成等元素协同/耦合作用的特征。天然生物的优异耐磨性能和高效耐磨原理为铜合金的表面改性研究提供了新的思路。 本文基于仿生学理论，利用激光熔覆技术，在铜合金基材表面制备类似生物体表典型特征的仿生单元体。探讨激光参数对仿生单元体尺寸的影响，，获取最优的参数组合。通过改变熔覆材料的类型，在黄铜基体表面制备出具有不同化学组成的仿生单元体，研究表面具有单元体的仿生试样的耐磨性能和机械性能，经SEM、XRD等先进仪器的测试与后续分析，揭示铜合金仿生试样的耐磨机制和拉伸断裂机制。研究表明： 1）单元体无明显缺陷和孔洞，与基体材料形成冶金结合，熔覆质量达到预期要求。钴基单元体的硬度大约是基体硬度的3.3倍，而镍基和铁基单元体的硬度大约是基体硬度的5倍，三种单元体都明显提高了铜基体试样的硬度。 2）在激光加工参数中，脉宽是影响单元体宽度最主要的因素。对于镍基单元体，激光加工参数最优组合为电流170A、脉宽9ms、频率12Hz、离焦量3mm。仿生试样的单元体与基体的结合强度很高，在多层结构中熔覆层与熔覆层之间结合强度也很高。 3）仿生试样的平均摩擦系数与单元体的硬度测试结果所反映的材料耐磨性保持一致，镍基与铁基试样、钴基试样和光滑试样的摩擦系数依次增大；光滑试样的磨损量约为镍基和铁基仿生试样的4倍，大约是钴基仿生试样的1.5倍。仿生试样的耐磨性能明显好于光滑试样，其中镍基试样的耐磨性与铁基试样相近，钴基试样的耐磨性次之。 4）随着仿生单元体与试样拉伸方向所成角度θ值的减少，仿生试样所获得的抗拉强度增大，拉伸性能得到提高。
【关键词】：黄铜 仿生 激光熔覆 耐磨性 拉伸性能
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 研究目的及意义9-10
• 1.2 铜合金及其应用现状10-14
• 1.2.1 铜及铜合金的特性10-11
• 1.2.2 铜合金的分类11-12
• 1.2.3 铜合金的应用12-14
• 1.3 仿生激光制备技术14-17
• 1.3.1 仿生制备14-15
• 1.3.2 仿生激光制备15-17
• 1.4 铜基材料激光熔覆研究17-21
• 1.4.1 激光与铜合金材料的交互作用17-20
• 1.4.2 铜基材料的激光熔覆研究现状20-21
• 1.5 仿生激光熔覆技术与激光熔覆技术的区别21
• 1.6 研究内容21-23
• 第2章 试验材料和试验方法23-29
• 2.1 试验材料23-24
• 2.1.1 母体材料23
• 2.1.2 熔覆材料23-24
• 2.2 仿生单元体的制备24-25
• 2.3 样品表征25-27
• 2.3.1 微观分析和成分分析25-26
• 2.3.2 物相分析26-27
• 2.4 显微硬度测量27
• 2.5 磨损试验27
• 2.6 拉伸力学试验27-29
• 第3章 铜基表面激光熔覆制备研究29-41
• 3.1 激光熔覆过程中的反应行为29-31
• 3.1.1 热力学理论基础29-30
• 3.1.2 熔覆层反应体系的热力学计算30-31
• 3.2 显微分析31-35
• 3.2.1 组织形貌31-32
• 3.2.2 成分分析32-34
• 3.2.3 物相分析34-35
• 3.3 稀释率35-38
• 3.4 显微硬度38
• 3.5 本章小结38-41
• 第4章 激光熔覆制备的仿生研究41-55
• 4.1 激光工艺参数对单元体尺寸的影响41-45
• 4.1.1 正交试验方案设计41-42
• 4.1.2 正交试验结果分析42-45
• 4.2 仿生试样的形态设计45-47
• 4.3 仿生试样的结构设计47-48
• 4.4 仿生试样的制备48-53
• 4.4.1 单层结构试样的制备48-50
• 4.4.2 多层结构试样的制备50-53
• 4.5 本章小结53-55
• 第5章 仿生激光熔覆制备材料的功能评价55-71
• 5.1 仿生激光熔覆制备材料的耐磨性55-62
• 5.1.1 耐磨性能的评价方法55-57
• 5.1.2 磨损行为57-61
• 5.1.3 磨损机制分析61-62
• 5.2 仿生激光熔覆制备材料的拉伸力学性能62-69
• 5.2.1 拉伸性能指标62-63
• 5.2.2 拉伸力学行为63-69
• 5.2.3 机理分析69
• 5.3 本章小结69-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 后续工作与展望72-73
• 参考文献73-79
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果79-80
• 致谢80

【参考文献】

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本文编号：1060918