外场辅助激光熔覆制备TiB 2 +TiC增强Fe基复合涂层的研究
发布时间：2021-07-03 10:15
服役过程中与工件的频繁接触,以及压应力、热应力等应力的反复作用,使模具表面极易失效。模具表面的失效形式包括磨损、断裂及塑性变形等,大大影响了模具的服役寿命。通过激光熔覆技术改善模具材料表面性能,达到修复和强化失效模具的目的,是一条提高产品生产效率、降低企业生产成本的有效途径,具有重要的工程应用意义。本文采用原位生成法在5CrNiMo钢表面制备了陶瓷颗粒TiB2+TiC增强Fe基复合涂层,并在此基础上分别引入超声振动场和恒稳磁场辅助激光熔覆过程,以进一步提高熔覆层的耐磨性能。研究了在不同外场辅助条件下的熔覆层组织和性能的变化,分析了各外场在激光熔覆过程中的作用机理。通过激光工艺参数的优化,确定了用于后续试验的激光工艺参数为:激光功率1400W,扫描速度7mm/s,光斑直径4mm,预置粉末厚度1mm。在此激光工艺参条件下制备的熔覆层与基体呈冶金结合,整体性能良好。熔覆层的物相主要由α-Fe、Cr7C3、TiB2、TiC和Fe-Ni组成。通过原位反应生成的TiB2和TiC在熔覆层中弥散分布,有效改善熔覆层的硬度和耐磨性能。但激光熔覆快速熔凝的特点导致熔覆层内存有微小裂纹。超声振动场的引入并未...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?５ＣｒＮｉＭｏ钢的显微组织??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?５ＣｒＮｉＭｏ?ｓｔｅｅｌ??
山东大学硕士论文??２．２试验方法与设备??２．２．１撖光舰设备及舰层的制备??激光熔覆试验所用设备为ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００光纤激光加工系统（见图２．２）。光??纤激光加工系统包括控制系统、激光发生器、工业机器人及水冷机等。煜晨公司设??计的激光控制系统负责激光功率、脉冲频率等激光参数的调控及加工系统各部分??的开关。激光发射器为ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００高功率光纤激光器，其额定功率为１００００Ｗ。??通过ＫＵＫＡ工业机器人控制系统进行编程，可控制ＫＵＫＡ三维加工机器人按既定??的轨迹在工作空间中运动，且试验参数中的激光功率和扫描速度亦可在此控制系??统的编程功能中进行设定。??图２．２?ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００光纤撖光加工＾统??Ｆｉｇ．?２．２?ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００?ｆｉｂｅｒ?ｌａｓｅｒ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ??用角磨机对试验用钢板表面进行初步打磨，再将基板表面在２００目砂纸上研??磨并用丙酮清洗，晾干后再将复合合金粉末平铺在基板材料表面，平铺厚度约为??１ｍｍ。熔覆过程中，机器手臂按事先编程好的轨迹运动，使得激光束扫描预置涂层，??混合合金粉末受激光作用快速熔化，而后快速凝固形成熔覆层。为减少熔覆层的氧??化，在熔覆试验进行过程中用高纯氩（纯度＞９９．９％）对熔池进行保护，气流量为??１５Ｌ／ｍｉｎ〇??根据是否存在熔覆层在宽度方向上的搭接，将熔覆工艺分为单道熔覆工艺和??１６??
山东大学硕士论文??多道熔覆工艺，两种工艺各自获得的熔覆层示意图如图２．３所示。单道熔覆层的制??备主要用于熔覆层显微组织的观察、熔覆层硬度测试以及工艺参数优化过程中，观??察熔覆层在不同激光工艺参数下的表面成形。多道熔覆层的制备主要是为了选择??合适的搭接率，获得宏观成形较好的熔覆层，并用于制备物相分析及磨损测试试样。??搭接率过大时，会使相邻熔覆道重合度太大而产生明显突起，并导致熔覆层内部组??织粗大。搭接率过小则会导致各个熔道在结合处产生明显的沟道，不利于得到平整??的熔覆层，影响多道熔覆层的整体性能。??（ａ）?（ｂ）??ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｌａｙｅｒ?ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｌａｙｅｒ?ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ?ｚｏｎｅ????ＨＡＺ????ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??图２．３激光熔覆层截面：（ａ）单道；（ｂ）多道??Ｆｉｇ．?２．３?Ｌａｓｅｒ?ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｓｅｃｔｉｏｎ：?（ａ）?ｓｉｎｇｌｅ?ｔｒａｃｋ；?（ｂ）?ｍｕｌｔｉｐｌｅ?ｔｒａｃｋ??２．２．２组织及性能测试??（１）试样制备方法??通过ＤＫ７３３２Ｍ型电火花切割机切割熔覆试验获得的试样，根据不同组织和性??能测试所需试验要求的尺寸，在电火花切割机控制系统上编程，使得工作台按既定??轨迹运动，切割熔覆层横断面和纵断面。??Ｘ射线衍射试样：切割熔覆层的横断面和纵断面，获得试样尺寸为??１０ｍｍｘｌ〇ｍｍｘ８ｍｍ，用１２０目、２４０目、４００目的金相砂纸对熔覆层表面进行研磨??至表面光滑，再用无水乙醇清洗表面去除杂质。??金相试样：沿着熔覆层纵向进行切割获得试样，在热镶嵌机上镶嵌，而后在金??相砂纸上由粗到细的顺
【参考文献】：
期刊论文
[1]东南亚模具行业的现状及发展趋势[J]. 鲍琳琳,李美婷. 铸造. 2019(12)
[2]表面工程技术的应用及其研究现状[J]. 秦真波,吴忠,胡文彬. 中国有色金属学报. 2019(09)
[3]冲压模具表面电镀铬工艺研究及其应用[J]. 边超,王延慧,王磊,李广鹏. 中国设备工程. 2019(16)
[4]汽车模具用钢化学镀Ni-Fe-P合金镀层性能的研究[J]. 李建刚,曲金玉. 电镀与环保. 2019(04)
[5]中国模具制造业现状及发展趋势[J]. 周宝友. 模具制造. 2019(04)
[6]激光熔覆技术研究现状与发展[J]. 姜波,李金朋. 科技创新导报. 2018(32)
[7]Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti-6Al-4V ELI alloy on surface properties[J]. Sourabh Biswas,S.Habib Alavi,Bhishma Sedai,Frank D.Blum,Sandip P.Harimkar. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[8]激光熔覆NiCrBSi涂层的高温摩擦行为[J]. 余廷,陈杰,饶锡新,张子翔. 激光与光电子学进展. 2019(10)
[9]温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响[J]. 刘鹏良,孙文磊,黄勇. 激光技术. 2019(03)
[10]搭接率对激光重熔氧化锆涂层结构及热震性能的影响[J]. 张帅,董霞,王恪典,凡正杰,梅雪松,王汝家. 西安交通大学学报. 2018(10)
博士论文
[1]超声场对高强铝合金凝固过程的影响规律与作用机理研究[D]. 蒋日鹏.中南大学 2014
[2]H13钢表面激光熔覆TiC/Co基涂层及其高温磨损性能研究[D]. Pham Thi Hong Nga（范氏红娥）.昆明理工大学 2013
硕士论文
[1]超声振动辅助激光熔覆3540Fe/CeO2涂层工艺研究[D]. 张翔宇.青岛理工大学 2018
[2]表面热喷涂对提高H13钢高温耐磨性的研究[D]. 韩金成.燕山大学 2017
[3]超声振动辅助激光熔覆制备TiC/FeAl原位涂层研究[D]. 李洋.华东交通大学 2016
[4]稳恒磁场作用下激光熔覆铁基涂层的凝固机理及其微观组织[D]. 李庆玲.昆明理工大学 2016
[5]超声振动强化搅拌摩擦焊工艺及机理的研究[D]. 刘小超.山东大学 2015
[6]高铬铸钢表面激光熔覆陶瓷相增强Fe基熔覆层的研究[D]. 王振坤.山东大学 2014
[7]工艺参数对激光熔覆层影响的研究[D]. 陈川川.湖南大学 2013
[8]Ni基复合粉末激光熔覆层组织与性能的研究[D]. 李泽邦.山东大学 2013
[9]树枝晶前沿热电磁流体动力学效应的研究[D]. 王岩.辽宁工程技术大学 2009
[10]Fe-Ti-B4C体系SHS反应制备TiC-TiB2局部增强低Cr钢基复合材料[D]. 张志强.吉林大学 2006
本文编号：3262386
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１?５ＣｒＮｉＭｏ钢的显微组织??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?５ＣｒＮｉＭｏ?ｓｔｅｅｌ??
山东大学硕士论文??２．２试验方法与设备??２．２．１撖光舰设备及舰层的制备??激光熔覆试验所用设备为ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００光纤激光加工系统（见图２．２）。光??纤激光加工系统包括控制系统、激光发生器、工业机器人及水冷机等。煜晨公司设??计的激光控制系统负责激光功率、脉冲频率等激光参数的调控及加工系统各部分??的开关。激光发射器为ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００高功率光纤激光器，其额定功率为１００００Ｗ。??通过ＫＵＫＡ工业机器人控制系统进行编程，可控制ＫＵＫＡ三维加工机器人按既定??的轨迹在工作空间中运动，且试验参数中的激光功率和扫描速度亦可在此控制系??统的编程功能中进行设定。??图２．２?ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００光纤撖光加工＾统??Ｆｉｇ．?２．２?ＩＰＧ－ＹＬＳ－１００００?ｆｉｂｅｒ?ｌａｓｅｒ?ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ?ｓｙｓｔｅｍ??用角磨机对试验用钢板表面进行初步打磨，再将基板表面在２００目砂纸上研??磨并用丙酮清洗，晾干后再将复合合金粉末平铺在基板材料表面，平铺厚度约为??１ｍｍ。熔覆过程中，机器手臂按事先编程好的轨迹运动，使得激光束扫描预置涂层，??混合合金粉末受激光作用快速熔化，而后快速凝固形成熔覆层。为减少熔覆层的氧??化，在熔覆试验进行过程中用高纯氩（纯度＞９９．９％）对熔池进行保护，气流量为??１５Ｌ／ｍｉｎ〇??根据是否存在熔覆层在宽度方向上的搭接，将熔覆工艺分为单道熔覆工艺和??１６??
山东大学硕士论文??多道熔覆工艺，两种工艺各自获得的熔覆层示意图如图２．３所示。单道熔覆层的制??备主要用于熔覆层显微组织的观察、熔覆层硬度测试以及工艺参数优化过程中，观??察熔覆层在不同激光工艺参数下的表面成形。多道熔覆层的制备主要是为了选择??合适的搭接率，获得宏观成形较好的熔覆层，并用于制备物相分析及磨损测试试样。??搭接率过大时，会使相邻熔覆道重合度太大而产生明显突起，并导致熔覆层内部组??织粗大。搭接率过小则会导致各个熔道在结合处产生明显的沟道，不利于得到平整??的熔覆层，影响多道熔覆层的整体性能。??（ａ）?（ｂ）??ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｌａｙｅｒ?ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｌａｙｅｒ?ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ?ｚｏｎｅ????ＨＡＺ????ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??图２．３激光熔覆层截面：（ａ）单道；（ｂ）多道??Ｆｉｇ．?２．３?Ｌａｓｅｒ?ｃｌａｄｄｉｎｇ?ｓｅｃｔｉｏｎ：?（ａ）?ｓｉｎｇｌｅ?ｔｒａｃｋ；?（ｂ）?ｍｕｌｔｉｐｌｅ?ｔｒａｃｋ??２．２．２组织及性能测试??（１）试样制备方法??通过ＤＫ７３３２Ｍ型电火花切割机切割熔覆试验获得的试样，根据不同组织和性??能测试所需试验要求的尺寸，在电火花切割机控制系统上编程，使得工作台按既定??轨迹运动，切割熔覆层横断面和纵断面。??Ｘ射线衍射试样：切割熔覆层的横断面和纵断面，获得试样尺寸为??１０ｍｍｘｌ〇ｍｍｘ８ｍｍ，用１２０目、２４０目、４００目的金相砂纸对熔覆层表面进行研磨??至表面光滑，再用无水乙醇清洗表面去除杂质。??金相试样：沿着熔覆层纵向进行切割获得试样，在热镶嵌机上镶嵌，而后在金??相砂纸上由粗到细的顺
【参考文献】：
期刊论文
[1]东南亚模具行业的现状及发展趋势[J]. 鲍琳琳,李美婷. 铸造. 2019(12)
[2]表面工程技术的应用及其研究现状[J]. 秦真波,吴忠,胡文彬. 中国有色金属学报. 2019(09)
[3]冲压模具表面电镀铬工艺研究及其应用[J]. 边超,王延慧,王磊,李广鹏. 中国设备工程. 2019(16)
[4]汽车模具用钢化学镀Ni-Fe-P合金镀层性能的研究[J]. 李建刚,曲金玉. 电镀与环保. 2019(04)
[5]中国模具制造业现状及发展趋势[J]. 周宝友. 模具制造. 2019(04)
[6]激光熔覆技术研究现状与发展[J]. 姜波,李金朋. 科技创新导报. 2018(32)
[7]Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti-6Al-4V ELI alloy on surface properties[J]. Sourabh Biswas,S.Habib Alavi,Bhishma Sedai,Frank D.Blum,Sandip P.Harimkar. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[8]激光熔覆NiCrBSi涂层的高温摩擦行为[J]. 余廷,陈杰,饶锡新,张子翔. 激光与光电子学进展. 2019(10)
[9]温度梯度对激光熔覆层裂纹产生的影响[J]. 刘鹏良,孙文磊,黄勇. 激光技术. 2019(03)
[10]搭接率对激光重熔氧化锆涂层结构及热震性能的影响[J]. 张帅,董霞,王恪典,凡正杰,梅雪松,王汝家. 西安交通大学学报. 2018(10)
博士论文
[1]超声场对高强铝合金凝固过程的影响规律与作用机理研究[D]. 蒋日鹏.中南大学 2014
[2]H13钢表面激光熔覆TiC/Co基涂层及其高温磨损性能研究[D]. Pham Thi Hong Nga（范氏红娥）.昆明理工大学 2013
硕士论文
[1]超声振动辅助激光熔覆3540Fe/CeO2涂层工艺研究[D]. 张翔宇.青岛理工大学 2018
[2]表面热喷涂对提高H13钢高温耐磨性的研究[D]. 韩金成.燕山大学 2017
[3]超声振动辅助激光熔覆制备TiC/FeAl原位涂层研究[D]. 李洋.华东交通大学 2016
[4]稳恒磁场作用下激光熔覆铁基涂层的凝固机理及其微观组织[D]. 李庆玲.昆明理工大学 2016
[5]超声振动强化搅拌摩擦焊工艺及机理的研究[D]. 刘小超.山东大学 2015
[6]高铬铸钢表面激光熔覆陶瓷相增强Fe基熔覆层的研究[D]. 王振坤.山东大学 2014
[7]工艺参数对激光熔覆层影响的研究[D]. 陈川川.湖南大学 2013
[8]Ni基复合粉末激光熔覆层组织与性能的研究[D]. 李泽邦.山东大学 2013
[9]树枝晶前沿热电磁流体动力学效应的研究[D]. 王岩.辽宁工程技术大学 2009
[10]Fe-Ti-B4C体系SHS反应制备TiC-TiB2局部增强低Cr钢基复合材料[D]. 张志强.吉林大学 2006
本文编号：3262386
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