Fe-Ni-Co系低膨胀合金熔覆涂层的制备及组织性能研究

发布时间：2020-10-26 12:03

　　 熔覆技术作为表面工程技术的重要组成部分,因其可制备出机械性能优异的涂层而成为机械零部件防护及修复的重要手段之一,但熔覆由于其自身的特点使得涂层制备后易萌生裂纹。低膨胀合金涂层依靠其独特的低膨胀性,能够降低涂层内部裂纹的产生倾向,有效缓解内部裂纹对零部件机械性能造成的不良影响。本文在基材316L不锈钢上采用等离子熔覆与激光熔覆技术制备了Fe-Ni-Co系低膨胀合金涂层,研究不同熔覆工艺参数对低膨胀合金涂层的组织与性能的影响,并进行了工艺参数的优化。分别采用固溶时效处理和铌的合金化,对Fe-Ni-Co系低膨胀合金涂层的低膨胀性能和机械性能进行改善。利用OM、XRD、SEM和EDS对涂层的显微组织和物相结构采取分析,并进行了热膨胀系数和居里温度点的表征以及硬度、摩擦磨损来分析比较涂层的机械性能。实验结果表明,等离子熔覆制备Fe-Ni-Co系低膨胀合金涂层的最佳工艺参数为工作电流110A和扫描速度3mm/s。熔覆涂层的显微组织主要由树枝晶、柱状晶和等轴晶组成,主要物相为fcc结构的γ固溶体和γ'析出相。工艺优化后的熔覆涂层的热膨胀系数为7.20×10~(-6)/℃,比常规的铁基和镍基合金的熔覆层的膨胀系数低,在室温至居里温度点257.489℃之间具有良好的低膨胀性能,且该熔覆工艺下制备的涂层的机械性能为最佳。对工艺优化后制备的熔覆层采取不同制度的固溶时效处理,发现1050℃×60min(水冷)+600℃×3h(水冷)的热处理能使熔覆层组织更加均匀,γ'相尺寸更小,分布更为弥散,涂层的机械性能得到一定的强化。该固溶时效处理下的涂层的居里温度点提升了167.373℃,即在更大的温度区间内保持着低膨胀性能。激光熔覆涂层中添加不同含量Nb后,显微组织中等轴晶的数量比未加铌时要更多,且组织更为细小。XRD结果显示,析出相主要为γ固溶体和NbC相。涂层的机械性能随着Nb含量的增加而呈现出先增大后减小的趋向。3%Nb含量涂层的等轴晶组织最细小,碳化铌尺寸和分布最适宜,其局部温度区间内的热膨胀系数得到进一步的降低,机械性能也达到最佳。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

速凝固使熔覆材料在基材表面形成具有良好冶金结合的涂层，是一种具有的金属表面工程技术。艺原理：离子熔覆是以熔覆腔体为正极，钨极为负极，产生的回路电流将腔体内的分氩原子的电子被激发成等离子体产生非转移弧，此时基材作为正极与钨路，该回路在电源的激发下形成转移弧，与此同时，冷却水进入喷嘴处，冷却的环境下进行压缩，形成能量密度大为增加的等离子体，该等离子体覆时的热源[11]。等离子熔覆时，合金粉末通过送粉装置送入基材已熔化的速加热形成熔池，熔池在等离子束的冲击和不同区域的温度梯度的影响下基材表面与熔融合金粉末混合搅拌、充分反应并扩散。在等离子弧、表面体的共同作用下，熔池在基材表面迅速铺展开来，当离开高能量的等离材和大气环境的温度比熔池温度更低，在空气和基材的双重冷却作用下，冷却并凝固形成与基材表面呈冶金结合的熔覆层[12-14]，图 1.1 是等离子熔原理。

影响区的晶粒生长方式、涂层耐磨耐蚀等综合性能的研究更加深入[16-19]。中国矿业大学的陶庆[20]等人在 Fe 基合金中添加 Co-WC，采用等离子熔覆技术Q235 钢的基体上进行 Fe 基/Co-WC 耐磨涂层的熔覆。涂层组织主要为 γ-Fe 固溶体以(Cr,Fe)xC6和 Fe3W3C 等析出相。随着 Co-WC 含量的增加，熔覆层的组织由柱状晶向枝晶转变，并且晶粒不断地发生细化。张丽娜[21]等人在 A3 钢表面采用等离子熔覆制了一层与基体呈良好地冶金结合的、性能良好的非晶纳米晶复合涂层，该涂层在保持硬度的同时还具有优异的耐蚀性。周泽华[22]等人利用正交设计方法设计了反应等离子覆试验方案，并进行工艺优化，得到了 WC 增强铁基合金涂层，涂层的截面硬度最高1120HV。Lu Bingwen[23]等人采用同步送粉的熔覆方式，对未加 Nb 和加 Nb 的 Co50 熔性合金粉末分别进行等离子熔覆，对比结果发现添加铌元素后，熔覆层中部的树枝组织变得更加细小，其金相显微结构如图 1.2 所示。表明 Nb 能够提高熔覆层的再结温度，起到细化晶粒、沉淀强化等作用。ASCM D’Oliveira[24]等人在 AISI304 钢表面采用等离子熔覆钴基合金粉末，并在 1050℃左右进行高温循环测试，以获得耐高温性优于激光熔覆层的等离子熔覆层。（a） （b）

图 1.3 激光熔覆填料方式示意图[27]（a）预置粉末法；（b）同步送粉法研究现状：自上世纪 80 年代开始，激光熔覆技术已经得到国外研究人员的极大重视，比较集中在欧美、东亚、澳洲[29]。目前在改善基材的耐蚀、耐热、耐磨、抗氧化性等性能方面上，激光熔覆技术已经取得了显著的进步，已经成为了材料表面工程领域的前沿技术。Zhang 等人[30]利用激光熔覆技术，采用预置粉末法在中碳钢表面熔覆 FeCSiB 合金粉末，制备出增强相金属基复合材料。Lee.H.K[31]等人做了正交实验，研究激光工艺参数对钴基合金粉末沉积效率的影响，结果显示，送粉位置、角度、速率对粉末的沉积有多重影响，并总结出熔覆钴基合金粉末的最佳工艺参数。S.Niederhauser 等人[32]采用激光熔覆在钢材表面制备 Co-Cr 涂层，提高了抗拉强度以及改善了硬度等机械性能。Anjos等人[33]通过调整激光功率、送粉速率、扫描速度等工艺参数，在普通碳钢表面激光熔覆奥氏体不锈钢，得到了形貌平整、耐蚀性优异的熔覆层。
【参考文献】

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2 严大考;张洁溪;唐明奇;张瑞珠;;等离子熔覆技术的研究进展[J];热加工工艺;2015年04期

3 成阳;董刚;陈国喜;邓琦林;;铌对镍基合金激光熔敷层组织和显微硬度的影响[J];机械工程材料;2014年09期

4 霍登平;张青绒;李春阳;徐峻;杨朋;;晶粒尺寸对超低膨胀合金组织稳定性及相变特性的影响[J];金属功能材料;2014年02期

5 李志欣;王春旭;刘宪民;项金钟;;微量Nb元素对DT300钢奥氏体晶粒长大的影响[J];热加工工艺;2012年22期

6 丁莹;周泽华;王泽华;江少群;刘立群;;等离子熔覆技术的研究现状及展望[J];陶瓷学报;2012年03期

7 曾维华;刘洪喜;王传琦;张晓伟;蒋业华;;工艺参数对不锈钢表面激光熔覆Ni基涂层组织及耐腐蚀性能的影响[J];材料工程;2012年08期

8 杨帆;徐锦锋;朱爱军;高军;;添加Nb元素对耐热不锈钢组织和硬度的影响[J];铸造技术;2011年11期

9 顾建强;骆芳;姚建华;;激光熔覆过程残余应力的数值模拟[J];激光与光电子学进展;2010年10期

10 杨晓华;陈伟庆;郝占全;;Ti对Fe-Ni膨胀合金凝固组织的影响[J];材料工程;2010年09期

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4 杨正;合金元素对FeNiCo合金热膨胀性能影响研究[D];北京有色金属研究总院;2013年

5 周山栋;Q235钢表面等离子熔覆制备Fe-Al金属间化合物涂层的性能研究[D];西华大学;2012年

6 李正栋;新型抗氧化型低膨胀高温合金的成分探索及其性能研究[D];北京航空材料研究院;2003年

本文编号：2856972