激光熔覆Fe基非晶合金涂层制备工艺及温度场模拟研究
发布时间：2021-04-06 16:20
Fe基非晶合金具有独特的长程无序点阵结构,表现出硬度高和优良的耐磨抗腐蚀性,在工业中被广泛应用于航空航天关键零部件、煤矿石油开采重要结构件、轮船相关动力零件、以及各类零件的模具制造过程,以提高服役性能。激光熔覆作为一种新兴的材料表面处理及高效制备技术,在航空航天、车辆制造、能源等方面具有有较多应用。本文采用常规及超高速两种线速度下的激光熔覆技术成功制备了Fe基非晶涂层,并对涂层进行了工艺性分析、显微组织分析、相组成分析,并同时计算了不同线速度下涂层的非晶含量。最后,通过数值模拟手段分析不同工艺下熔池特征温度参数的变化规律,并结合温度场计算结果分析涂层组织形成原理。本文首先采用热差分析法验证了实验用Fe Cr Mo BC粉末的非晶形成能力,通过计算得到Fe基非晶粉末的玻璃化转变温度gT约为622℃,晶化温度xT约为647℃,过冷却液相区宽度xΔT约为25℃。结合Kissinger公式计算了非晶材料的晶化激活能约为218.7KJ/mol。常规激光熔覆工艺下随激光功率的增加单道涂层的厚度、宽度、稀释率等宏观特征也变大,过大的稀释率会导致熔池成分的非晶形成能力（GFA）下降,涂层无法保持非晶态...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同温度下非晶涂层的磨痕形貌
障?的1.6×10-4A/cm2，形成的钝化膜修复能力也越强。高涵[22]等人采用活性高速燃气火焰喷涂技术制备了Fe基非晶涂层，并对不同工艺下涂层的耐磨性进行了分析。研究表明，涂层组织主要为非晶态结构非晶含量约为91.3%，同时还存在少许晶化相Cr2B、M23(C,B)6、α-Fe等。干磨测试中易在裂纹、孔隙等缺陷位置诱发疲劳剥层磨损，同时还存在一定的氧化磨损，摩擦系数为0.6。在高频摩擦过程中界面层氧化、层状结构加速脱落，磨损深度约为14.7μm。同时在涂层内应力作用下，片层因裂纹萌生而脱落，最终发生疲劳磨损，如图1-2所示。图1-2磨损机制示意图汪唯[23]研究了不同体系粉末下超音速火焰喷涂Fe基非晶涂层的结构及性能，研究表明：通过在非晶粉末表面包覆抗氧化粉末，可有效降低涂层的氧化程度，使得涂层氧含量从8.66（at）%下降至2.53（at）%，同时提高涂层的强度与韧性，其结合强度可达35MPa，断裂韧性4.8MPa·m1/2。由于脆性氧化物的减少，降低了涂层的裂纹倾向，耐磨性能也得到提高，摩擦系数为0.28相比纯非晶粉末降低了34%。同时涂层具有更强的抗氧化性，氧化增重1.3%，仅为纯非晶涂层的1/4。赵仁亮[24]研究了FeCrNiMoBSi体系超音速火焰喷涂涂层的结构与性能，研究表明：当添加5%的Ni元素时，涂层的非晶形成能力最强，可达42.6%，且与基体结合强度最高为43.3MPa，此时涂层的硬度可达到893HV，孔隙率较低为2.8%。但过量添加Ni元素会破坏Fe-Si固溶体体系，使得非晶含量降低，硬度和耐腐蚀性能也随之下降。王钦佳[25]等人采用超音速火焰喷涂工艺制备了Fe基非晶涂层并获得了优化的工艺参数，结果显示：涂层呈片状或带状结构，与基体结合致密，结合强度超过55MPa。（2）电弧喷涂电弧喷涂是利用电弧能量熔化涂层材料，并采
术采用惰性气体做保护气，因此涂层含氧量较低，同时等离子电弧与常规电弧相比其喷射速度、喷射温度都更高，制备的涂层致密性也更强[29]。AshishSingh[30]等学者采用等离子喷涂的方式实现了Fe基非晶涂层在Al基体表面的制备，并对其硬度及耐磨性进行了分析。结果表明，在非晶合金的结晶温度以下加工，采用合适的工艺等离子喷涂可制备出400μm以上厚度的Fe48Cr15Mo14Y2C15B6非晶涂层。随着喷涂温度的增加，涂层中Al基体的含量呈不断增大的趋势，其原因可能是Al的强塑性流动导致其不断渗透到非晶粉末中，如图1-3所示。在后续是的摩擦磨损实验中，可以发现碎屑对涂层不断作用的疲劳磨损是其主要的磨损机制，摩擦系数较低的主要原因可能是基体浸润使得涂层中存在较软的相，不仅使涂层磨损得更快，还会提供一定的润滑作用。图1-3喷涂温度分别为575℃(a-c)和590℃(d-f)下界面上元素的分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷涂距离对Fe基非晶涂层孔隙影响的研究[J]. 何新宝,吴念初,张锁德,杨红旺. 材料科学与工艺. 2020(01)
[2]不同工艺制备铁基非晶复合涂层组织与性能研究[J]. 顾玉芬,刘琛珩,李广,石玗,侯国清. 电焊机. 2019(05)
[3]激光熔覆718合金工艺参数优化的数值模拟研究[J]. 李亚敏,咬登治,范福杰. 应用激光. 2018(06)
[4]Fe基和Al基非晶涂层制备及耐蚀性能研究[J]. 靳磊,周海滨,黄早早,张婷,支歆. 稀有金属. 2019(12)
[5]电弧喷涂铁基非晶涂层的制备及其冲蚀磨损性能研究[J]. 顾鹏,孙瑜,纪秀林. 材料保护. 2018(05)
[6]电弧喷涂铁基非晶合金涂层的组织与摩擦磨损性能研究[J]. 颜月梅,魏先顺,江浩然,应承希,沈军. 热加工工艺. 2018(08)
[7]超音速火焰喷涂Fe基非晶合金涂层材料的摩擦磨损性能研究[J]. 高涵,魏先顺,梁丹丹,江浩然,应承希,沈军. 表面技术. 2018(02)
[8]HVOF热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的微观结构和摩擦磨损性能研究[J]. H.H.Yao,Z.Zhou,K.Z.Tang,Z.Tan,G.H.Wang,D.Y.He,王玉. 热喷涂技术. 2017(04)
[9]石油化工设备在湿硫化氢环境中的腐蚀与防护[J]. 孙胜. 中国石油石化. 2017(07)
[10]激光熔覆工艺参数及微合金元素对Fe基非晶复合涂层显微硬度的影响[J]. 侯纪新,章顺虎,蒋小舟,陈长军,王晓南. 应用激光. 2015(04)
博士论文
[1]超音速火焰喷涂制备铁基非晶合金及其复合材料的结构与性能研究[D]. 汪唯.华中科技大学 2017
[2]Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的特种焊接行为[D]. 王刚.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]铁基非晶合金涂层制备及性能研究[D]. 赵仁亮.山东建筑大学 2019
[2]锆基非晶纳米晶涂层制备及性能研究[D]. 蔡保贤.南京航空航天大学 2018
[3]激光熔覆非晶涂层温度场和流场数值模拟[D]. 李豪.中国石油大学(华东) 2017
[4]Fe基非晶涂层的制备及其耐磨防腐性能研究[D]. 马浩然.上海大学 2016
[5]不同Mo含量的铁基非晶复合涂层的制备与性能研究[D]. 蒋润森.华北电力大学(北京) 2016
[6]中国钢材消费量的驱动力解析及情景分析[D]. 陈杉.东北大学 2015
[7]AISI316激光熔覆成形过程数值模拟研究[D]. 马立杰.北京理工大学 2015
[8]Fe-Cr-Mo高温高阻尼合金的研究[D]. 李和文.四川大学 2003
本文编号：3121738
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同温度下非晶涂层的磨痕形貌
障?的1.6×10-4A/cm2，形成的钝化膜修复能力也越强。高涵[22]等人采用活性高速燃气火焰喷涂技术制备了Fe基非晶涂层，并对不同工艺下涂层的耐磨性进行了分析。研究表明，涂层组织主要为非晶态结构非晶含量约为91.3%，同时还存在少许晶化相Cr2B、M23(C,B)6、α-Fe等。干磨测试中易在裂纹、孔隙等缺陷位置诱发疲劳剥层磨损，同时还存在一定的氧化磨损，摩擦系数为0.6。在高频摩擦过程中界面层氧化、层状结构加速脱落，磨损深度约为14.7μm。同时在涂层内应力作用下，片层因裂纹萌生而脱落，最终发生疲劳磨损，如图1-2所示。图1-2磨损机制示意图汪唯[23]研究了不同体系粉末下超音速火焰喷涂Fe基非晶涂层的结构及性能，研究表明：通过在非晶粉末表面包覆抗氧化粉末，可有效降低涂层的氧化程度，使得涂层氧含量从8.66（at）%下降至2.53（at）%，同时提高涂层的强度与韧性，其结合强度可达35MPa，断裂韧性4.8MPa·m1/2。由于脆性氧化物的减少，降低了涂层的裂纹倾向，耐磨性能也得到提高，摩擦系数为0.28相比纯非晶粉末降低了34%。同时涂层具有更强的抗氧化性，氧化增重1.3%，仅为纯非晶涂层的1/4。赵仁亮[24]研究了FeCrNiMoBSi体系超音速火焰喷涂涂层的结构与性能，研究表明：当添加5%的Ni元素时，涂层的非晶形成能力最强，可达42.6%，且与基体结合强度最高为43.3MPa，此时涂层的硬度可达到893HV，孔隙率较低为2.8%。但过量添加Ni元素会破坏Fe-Si固溶体体系，使得非晶含量降低，硬度和耐腐蚀性能也随之下降。王钦佳[25]等人采用超音速火焰喷涂工艺制备了Fe基非晶涂层并获得了优化的工艺参数，结果显示：涂层呈片状或带状结构，与基体结合致密，结合强度超过55MPa。（2）电弧喷涂电弧喷涂是利用电弧能量熔化涂层材料，并采
术采用惰性气体做保护气，因此涂层含氧量较低，同时等离子电弧与常规电弧相比其喷射速度、喷射温度都更高，制备的涂层致密性也更强[29]。AshishSingh[30]等学者采用等离子喷涂的方式实现了Fe基非晶涂层在Al基体表面的制备，并对其硬度及耐磨性进行了分析。结果表明，在非晶合金的结晶温度以下加工，采用合适的工艺等离子喷涂可制备出400μm以上厚度的Fe48Cr15Mo14Y2C15B6非晶涂层。随着喷涂温度的增加，涂层中Al基体的含量呈不断增大的趋势，其原因可能是Al的强塑性流动导致其不断渗透到非晶粉末中，如图1-3所示。在后续是的摩擦磨损实验中，可以发现碎屑对涂层不断作用的疲劳磨损是其主要的磨损机制，摩擦系数较低的主要原因可能是基体浸润使得涂层中存在较软的相，不仅使涂层磨损得更快，还会提供一定的润滑作用。图1-3喷涂温度分别为575℃(a-c)和590℃(d-f)下界面上元素的分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷涂距离对Fe基非晶涂层孔隙影响的研究[J]. 何新宝,吴念初,张锁德,杨红旺. 材料科学与工艺. 2020(01)
[2]不同工艺制备铁基非晶复合涂层组织与性能研究[J]. 顾玉芬,刘琛珩,李广,石玗,侯国清. 电焊机. 2019(05)
[3]激光熔覆718合金工艺参数优化的数值模拟研究[J]. 李亚敏,咬登治,范福杰. 应用激光. 2018(06)
[4]Fe基和Al基非晶涂层制备及耐蚀性能研究[J]. 靳磊,周海滨,黄早早,张婷,支歆. 稀有金属. 2019(12)
[5]电弧喷涂铁基非晶涂层的制备及其冲蚀磨损性能研究[J]. 顾鹏,孙瑜,纪秀林. 材料保护. 2018(05)
[6]电弧喷涂铁基非晶合金涂层的组织与摩擦磨损性能研究[J]. 颜月梅,魏先顺,江浩然,应承希,沈军. 热加工工艺. 2018(08)
[7]超音速火焰喷涂Fe基非晶合金涂层材料的摩擦磨损性能研究[J]. 高涵,魏先顺,梁丹丹,江浩然,应承希,沈军. 表面技术. 2018(02)
[8]HVOF热喷涂制备Fe基非晶合金涂层的微观结构和摩擦磨损性能研究[J]. H.H.Yao,Z.Zhou,K.Z.Tang,Z.Tan,G.H.Wang,D.Y.He,王玉. 热喷涂技术. 2017(04)
[9]石油化工设备在湿硫化氢环境中的腐蚀与防护[J]. 孙胜. 中国石油石化. 2017(07)
[10]激光熔覆工艺参数及微合金元素对Fe基非晶复合涂层显微硬度的影响[J]. 侯纪新,章顺虎,蒋小舟,陈长军,王晓南. 应用激光. 2015(04)
博士论文
[1]超音速火焰喷涂制备铁基非晶合金及其复合材料的结构与性能研究[D]. 汪唯.华中科技大学 2017
[2]Ti40Zr25Ni3Cu12Be20块体非晶合金的特种焊接行为[D]. 王刚.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]铁基非晶合金涂层制备及性能研究[D]. 赵仁亮.山东建筑大学 2019
[2]锆基非晶纳米晶涂层制备及性能研究[D]. 蔡保贤.南京航空航天大学 2018
[3]激光熔覆非晶涂层温度场和流场数值模拟[D]. 李豪.中国石油大学(华东) 2017
[4]Fe基非晶涂层的制备及其耐磨防腐性能研究[D]. 马浩然.上海大学 2016
[5]不同Mo含量的铁基非晶复合涂层的制备与性能研究[D]. 蒋润森.华北电力大学(北京) 2016
[6]中国钢材消费量的驱动力解析及情景分析[D]. 陈杉.东北大学 2015
[7]AISI316激光熔覆成形过程数值模拟研究[D]. 马立杰.北京理工大学 2015
[8]Fe-Cr-Mo高温高阻尼合金的研究[D]. 李和文.四川大学 2003
本文编号：3121738
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