高锰钢上等离子熔覆镍基合金数值模拟与组织性能分析

发布时间：2017-12-05 15:36

  本文关键词：高锰钢上等离子熔覆镍基合金数值模拟与组织性能分析

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【摘要】：耐磨高锰钢因其特殊的加工硬化性能常用于制造抗冲击磨损的耐磨件,被广泛应用于采矿等行业,其在低应力与未能加工硬化时耐磨性较差,常规硬颗粒强化的铁基涂层虽能显著改善高锰钢在低应力下的耐磨性,但在高应力和磨粒磨损下有容易开裂失效等不足。本论文提出等离子熔覆镍基合金的表面强化技术是提高高锰钢性能和寿命的较佳方法之一。等离子熔覆加工是个极速加热快速冷却的过程,在高锰钢表面熔覆镍基合金是一个非平衡凝固过程,工艺控制不当则容易引发过大的应力导致涂层开裂等问题,同时很难用实验的方法测量到加工过程的温度场和应力场规律。本文通过利用ANSYS软件对高锰钢表面等离子熔覆镍基合金的工艺过程的数值模拟与实验分析相结合的方法,探究等离子熔覆过程中的温度场和应力场分布规律,优化出熔覆工艺参数,探明镍基合金涂层的组织和相组成形成条件、硬度、摩擦磨损等性能以及裂纹产生的机理,以期为高锰钢表面等离子熔覆耐磨强韧性较佳的镍基合金涂层的制备与应用提供试验和理论基础。采用ANSYS有限元分析软件,结合实际加工情况建立了送粉式等离子熔覆镍基合金的物理模型,分析了不同工艺参数和基体预热温度对等离子熔覆过程温度场的影响。.研究发现：等离子熔覆工艺参数对温度场中节点最高温度、熔池尺寸、稀释率均有影响,基体预热温度也会对温度场分布和裂纹形成造成影响,较优工艺参数为：功率P=2.0kw,扫描速度V=150mm/min,弧半径R=4mm,预热温度T=250℃。探讨了等离子熔覆温度场分布规律、节点温度-时间历程、温度梯度变化及基体预热温度对温度场的影响。研究发现：节点急速升温后快速冷却,熔覆层两端节点最高温度值高于中间节点,表现出端部效应。熔覆过程产生极大的温度梯度,可达105℃/m的数量级,同时熔池凝固过程冷却速率变化可达4000℃/s,易形成细小的组织。基体预热可提高熔覆层节点最高温度,随着预热温度提高,节点温度梯度和冷却速率呈下降趋势。基于温度场模拟结果进行等离子熔覆应力场分析,研究发现：应力场分布表明熔池底部熔覆层与基体结合处应力值最大,是裂纹的高发区。熔覆层中残余应力以热应力为主,试样冷却后熔覆层残余应力值为235MPA,沿等离子弧扫描方向受拉应力,最大拉应力值为225MPA,Y、Z两个方向的合力为压应力,同时熔覆加工的塑性应变在沿扫描方向为最大正值,材料产生塑性伸长变形,因此在冷却过程中易发生横向裂纹。探讨基体温度对应力场的影响,对20℃、150℃、250℃三种不同基体温度得的熔覆层中的裂纹进行微观组织分析和断口形貌研究。研究发现：基体预热不同温度下应力分布差异明显,预热250℃时熔覆层和周围区域应力集中现象得到消除。实验观察发现基体温度为20℃时熔覆层表面出现粗大的宏观裂纹,预热到150℃后出现微观裂纹,当预热温度达到250℃时熔覆层没有裂纹。分析原因是因为随基体预热温度升高,温度梯度下降104℃/m同时冷却速率明显降低,减小了应力集中。通过实验测得熔池尺寸和熔覆层某节点残余应力值,分别与ANSYS模拟分析得到的熔池尺寸和该节点应力值相比较,从而验证所建模型的正确性。考察了熔覆层硬度、摩擦磨损性能,研究发现：熔覆层组织从上到下分别为细小等轴晶、树枝晶和胞状晶；凝固过程碳化物和金属间化合物析出的弥散分布的第二相强化；熔覆层的硬度为900HV左右,约为基体材料硬度的6倍；磨痕宽度和深度约为基体的1/3,基体磨损量是熔覆层的58倍之多,可知熔覆加工细化了晶粒、提高了试样的硬度、耐磨性能。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4

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本文编号：1255335