NbC颗粒复合镍基非晶涂层激光熔覆工艺及性能表征

发布时间：2017-10-20 21:22

  本文关键词：NbC颗粒复合镍基非晶涂层激光熔覆工艺及性能表征

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【摘要】：激光非晶化技术是用连续激光对待加工零部件表面进行均匀扫描,使零部件表面形成一定厚度的非晶组织,可大大提高其表面硬度、耐蚀及耐磨性能,在材料表面改性领域具有十分巨大的潜在应用价值,目前受到国内外学者的广泛重视,是表面工程技术领域研究的热点之一。本文采用大功率光纤激光器同轴送粉熔覆的方式,一步法在低碳钢表面获得非晶复合熔覆层,从而达到提高低碳钢表面硬度,改善其耐磨性的目的。主要研究内容包括:激光熔覆参数对熔覆层宏观成形及稀释率、微观组织、相结构及非晶体积含量的影响规律;熔覆层截面由表及里不同位置的组织形成机制;搭接熔覆层后道熔覆对前道熔覆层组织和性能的影响行为;熔覆层显微硬度和耐磨性能的测试与分析等。研究结果表明:采用一步激光熔覆法在低碳钢表面成功制备了由非晶相、NbC相和少量枝晶相组成的非晶复合涂层。激光功率会影响熔覆层和基体之间的稀释率,随激光功率的增大,熔覆层的稀释率逐渐增大,熔覆层中获得非晶相体积含量逐渐较少。随热输入的降低,熔覆层高度也随之降低,涂层中非晶含量逐渐增加,当热输入为50.0J/mm时,非晶所占的比例可达80.9%。借助维氏显微硬度仪、摩擦磨损试验机等测试方式对熔覆层的硬度及耐磨性进行测试。测试结果表明,熔覆层的截面由表及里硬度值逐渐下降,熔覆层靠近顶部的硬度值最高,并且随着热输入的降低,熔覆层的平均显微硬度逐渐增加。摩擦磨损试验结果表明,由于熔覆层的高硬度及增强相NbC的贡献,熔覆层的耐磨性与基体相比有了很大提高,熔覆层摩擦系数值最小且波动平缓,磨损量也最低。随着激光熔覆热输入降低,熔覆层磨损量逐渐降低,摩擦系数也呈减小趋势,波动幅度也逐渐降低,熔覆层的磨痕形貌也得出了相似的规律。采用ANSYS有限元软件,并利用其单元生死功能模拟了激光熔覆镍基非晶复合熔覆层制备过程的温度场分布,并获得了不同激光熔覆热输入条件和熔覆层不同位置的热循环曲线。结果表明,当热输入为50.0J/mm时熔覆层由表及里的峰值温度逐渐降低,熔覆层表面温度峰值为1578.53℃,另外,熔体冷却速率也由表及里逐渐下降,其表层冷却速率可达16086.5 K/s,远远大于本文采用的镍基非晶合金采用铜模快淬技术所需的临界冷却速率。随着激光熔覆热输入降低,熔覆层的峰值温度也逐渐降低,其冷却速率呈逐渐上升的趋势。观察分析了在热输入为50.0J/mm时激光熔覆熔覆层的组织分布,结果表明,从熔覆层与基体的界面到熔覆层的顶端,组织呈梯度分布。在基体/熔覆层界面,生成了平面晶,胞状晶和柱状树枝晶,随后发生柱状晶向等轴晶生长转变,在熔覆层中部主要由非晶相、NbC颗粒相以及等轴晶相组成。由于受到温度梯度(G)和凝固速率(R)的影响,随着G/R比值的增加,熔覆层组织的凝固特征由平面生长到胞状晶、柱状树枝晶及等轴晶。当冷却速率(G?R)超过了制备非晶复合熔覆层的临界冷却速率时,实现了对熔体的“冻结”作用,在激光熔覆过程中获得了非晶相。
【关键词】：激光熔覆 镍基 非晶复合熔覆层 微观组织 性能
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要2-4
• ABSTRACT4-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 国内外研究现状及发展12-20
• 1.2.1 大块非晶合金的研究现状及发展12-14
• 1.2.2 激光工艺制备非晶熔覆层国内外研究现状14-19
• 1.2.3 激光熔覆热过程数值模拟研究进展19-20
• 1.3 本文主要研究内容20-21
• 第2章 试验材料及方法21-26
• 2.1 试验材料21-22
• 2.1.1 熔覆粉末21
• 2.1.2 基体材料21-22
• 2.2 实验的设备及方法22-23
• 2.2.1 实验设备22-23
• 2.2.2 实验方法23
• 2.3 熔覆层组织及性能测试所用设备与方法23-26
• 2.3.1 熔覆层组织、成分以及相的观察和分析23-24
• 2.3.2 熔覆层的性能测试24-26
• 第3章 激光熔覆NI基非晶复合熔覆层成形及组织26-56
• 3.1 引言26
• 3.2 激光熔覆镍基非晶复合熔覆层的工艺参数优化26-30
• 3.3 激光功率对稀释率及对熔覆层组织和物相的影响30-42
• 3.3.1 激光功率对熔覆层稀释率的影响30-33
• 3.3.2 稀释率对熔覆层界面组织的影响33-34
• 3.3.3 不同的稀释率对熔覆层中间组织的影响34-35
• 3.3.4 不同稀释率下熔覆层元素分布35-38
• 3.3.5 不同稀释率下熔覆层物相的分析38-42
• 3.4 热输入变化对熔覆层组织的影响42-49
• 3.5 搭接熔覆层热影响区的组织及性能49-54
• 3.5.1 搭接熔覆层热影响区组织的研究49-53
• 3.5.2 搭接对激光熔覆层性能的影响53-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第4章 激光熔覆镍基非晶复合熔覆层性能表征56-63
• 4.1 显微硬度测试56-58
• 4.2 摩擦磨损测试58-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第5章 激光熔覆制备镍基非晶复合熔覆层的形成机制63-79
• 5.1 引言63
• 5.2 基于生死单元的激光熔覆温度场数值模拟63-74
• 5.2.1 实体模型的建立65
• 5.2.2 边界条件与加载热源65-66
• 5.2.3 材料属性66-67
• 5.2.4 网格的划分67-68
• 5.2.5 模拟计算结果68-74
• 5.3 熔覆层微观组织的形成机制74-77
• 5.4 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-86
• 发表的学术论文及申请的专利86-87
• 致谢87-88
• 中文详细摘要88-94

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本文编号：1069440