激光熔覆Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层及其组织与性能研究

发布时间：2018-03-08 03:06

本文选题：激光熔覆　切入点：Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层　出处：《大连海事大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着船机修造领域新材料、新技术、新工艺的不断发展,先进制造技术为载运工具构件使用寿命的提高、磨损及腐蚀件的修复提供了新的可能性。为了提高金属表面的耐蚀性和耐磨性,本文采用激光熔覆技术在45钢表面制备了304不锈钢涂层和304不锈钢/A1203复合涂层,并对其工艺及组织与性能进行了研究。研究结果表明,这种复合涂层存在较大的残余应力,易导致涂层的开裂敏感性增大。为降低或消除涂层残余应力,本文运用Fe-Mn-Si形状记忆合金中γ→ε马氏体相变释放残余应力原理,设计了一种Fe17Mn5SilOCr5Ni形状记忆合金成分,采用激光熔覆技术在304不锈钢表面成功地制备了具有低残余应力和较好的抗开裂敏感性的形状记忆合金涂层,并在以下几个方面开展了研究工作。当光斑直径为3mm、扫描速度为600～1000 mm/min、激光功率为2-3 kW、搭接率为50%时,所制备的304不锈钢涂层表面平整,耐蚀性较好。在此基础上,将Al2O3(含量分别为5wt. %、10wt.%、15wt.%)粉末添加到304不锈钢涂层中,制备了304不锈钢/A12O3复合涂层。结果表明,复合涂层内部基体组织由奥氏体和铁素体双相组成,涂层自熔池底部到表面分别由平面晶、胞状晶、树枝晶以及等轴晶组成。热影响区由细小马氏体和细小铁素体组成；相对于304不锈钢涂层,复合涂层显微硬度高,耐磨性好,耐蚀性略逊于304不锈钢涂层,但远优于45钢基材；随着A1203硬质颗粒添加量的增加,涂层表面平整度降低,硬度有所提高,耐磨性及耐蚀性无明显变化。研究结果还表明,复合涂层具有较大的残余应力,造成涂层的开裂敏感性增大。Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层的制备工艺表明,激光熔覆过程中,粉末材料中的Mn和Si元素烧损量较大,导致其在涂层中的含量大大降低,而304不锈钢基材中的部分Cr和Ni原子会进入熔覆层,导致其在涂层中的含量增加。试验选定Mn:Si:Cr:Ni:Fe =32:9:4:3:Bal. (wt.%)混合粉末成分配比,采用光斑直径3mm、功率2 kW、扫描速度600mm/min、搭接率50%的激光熔覆工艺,可成功地在大气环境中制备具有形状记忆效应的Fe17Mn5Si10Cr5Ni合金涂层。Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层自熔池底部到表面分别由平面晶、胞状晶、树枝晶以及等轴晶组成；记忆合金涂层由Y奥氏体相和ε马氏体相组成,经1000℃×1 h固溶后,涂层只存在粗大的γ奥氏体相。往复摩擦试验及接触疲劳试验表明：与304不锈钢基材相比,记忆合金涂层具有更好的耐磨性和接触疲劳特性,Fe-Mn-Si记忆合金涂层在摩擦应力作用下发生的γ→ε马氏体相变及其产生的相变变形,可抑制滑移变形和位错的形成与扩展,是导致其具有较高的接触疲劳强度和耐磨性的主要原因。残余应力诱发的γ→ε马氏体相变及其相变变形可松弛熔覆层中的残余应力,进而减小记忆合金涂层的开裂敏感性及工件的变形。与304不锈钢相比,Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层应力松弛率较高。当预变形量增大时,涂层应力松弛率减小,停载时间为0～5 min时,应力松弛率随着时间的增加急剧上升,当停载超过5 min后,应力松弛率增速变缓；在拉伸及停载过程中,记忆合金涂层发生了γ→ε马氏体相变,后期出现了不可逆的ε→α'或γ→α'相变。记忆合金涂层随着停载时间的增加,其形状回复率均先增后减,在停载时间为10 min时达到最大,且随着预变形量的增加,涂层最大形状回复率降低。
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【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG174.4

【参考文献】