钢表面涂层搅拌摩擦加工作用机制和组织性能研究

发布时间：2017-07-13 15:05

  本文关键词：钢表面涂层搅拌摩擦加工作用机制和组织性能研究

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【摘要】：搅拌摩擦加工过程中特有的热力耦合作用能够用于改善热喷涂涂层组织、提高涂层综合性能,为扩大热喷涂涂层应用范围、提高热喷涂涂层服役期限提供了解决方法,从试验阶段走向工业生产将具有不可估量的经济效益。本文采用搅拌摩擦加工方法制备了钢基镍铬铝复合层、高速钢复合层,运用OM、SEM、EDS、HVS等手段来进行分析测试,验证了FSP强化涂层复合层的可行性,研究了FSP使显微组织、界面结构发生改变的作用机制,分析了工艺参数对复合层显微组织的影响、涂层与基体元素发生快速互扩散行为,发现了FSP后复合层显微硬度显著提高、结合强度提高的规律,总结了FSP强化复合层的作用机理。通过试验、检测、分析、总结得到了以下结论:(1)原始热喷涂涂层与基体的结合界面,镍铬铝涂层是机械结合与冶金结合的综合作用,高速钢涂层则主要是机械结合;经过FSP后,二者界面都可以消除形成致密复合层,但镍铬铝复合层中是元素扩散和再结晶形成的固相扩散焊合,而高速钢复合层是半塑形涂层与部分细化基体混合塑性流动焊合。FSP后复合层的洋葱环形貌是软化程度不同的塑性涂层材料按先后顺序相互叠加在相邻位置留下的轨迹线。(2)横向对比结果:搅拌头转速w提高可以使细晶区面积扩大、热影响区面积扩大;水平进给速度v处于一定“门槛值”之内时,增大水平进给速度导致热输入量减少;搅拌道次n增加可以使复合层致密度提高、均匀化面积增加;根据涂层厚度,增加下压改变量?h能使锻压力增大、增加复合层厚度。塑性变形量F的大小直接影响作用区微观结构形貌:虽然未得到F与四种参数在数学量上的关系式,但是研究发现,F与w成正比,F与v成反比,F与n成正比,F与?h成正比。(3)纵向对比结果:FSP过程加工区按照受塑性变形、热影响区域可分为:FSZ、TMAZ、HAZ。按照FSP后微观结构变化划分:镍铬铝复合层从涂层表面到基体深处依次为BZ、RLZ、FRZ、ECZ,最为理想试样影响区厚度约为260?m,本组试验最佳工艺参数为?rwmin/600,?mmvmin/16,n?4次,??h3;此工艺参数下高速钢复合层则分为涂层基体混合区、细晶区、晶粒变形区,影响区厚度将近300?m。FSP后涂层与基体元素发生了快速互扩散现象,原始涂层与基体界面处有元素富集现象,FSP后镍铬铝复合层和高速钢复合层的涂层、基体显微硬度都有显著提高,结合强度相比于各自对比样提高3倍左右。(4)FSP使组织发生改变的作用机制:在力场和累计塑性变形的联合作用下,位错不断运动并增殖,出现了明显的胞状组织和位错的塞积,同时热机械作用使动态再结晶温度下降,动态成核在晶界上发生,逐步将原始粗大晶粒吃掉,形成纳米级晶粒,两种复合层都发生了动态再结晶,只是动态再结晶程度不同。使复合层得到强化的作用机制机制是四方面的综合作用:一是FSP能消除原始涂层缺陷,二是细晶强化,三是加工硬化强于加工软化的作用,四是元素扩散带来的合金强化作用。将FSP加工过程受力行为分解为水平方向和竖直方向的理想力学模型,从力学角度解释了塑性流动作用机理。
【关键词】：塑性变形 动态再结晶 组织性能 强化机制
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 引言11-22
• 1.1 热喷涂技术11-14
• 1.1.1 热喷涂技术的特点与分类12-13
• 1.1.2 热喷涂涂层的特点13-14
• 1.2 搅拌摩擦加工技术14-20
• 1.2.1 FSP用于材料微观结构改性的研究现状15-17
• 1.2.2 FSP用于制备超塑性合金材料的研究现状17-18
• 1.2.3 FSP用于制备金属基复合材料的研究现状18-20
• 1.3 课题介绍及研究内容20-22
• 第2章 研究路线、实验设计及检测手段22-31
• 2.1 待喷涂涂层粉末材料22-23
• 2.2 研究路线23-24
• 2.3 火焰热喷涂制备涂层24-25
• 2.3.1 基体表面预处理24
• 2.3.2 氧乙炔火焰粉末喷涂制备涂层24-25
• 2.4 搅拌摩擦加工设备25-26
• 2.5 搅拌头的设计26-28
• 2.6 FSP试验设计28-29
• 2.7 金相制备、微观组织与性能表征方法29-31
• 第3章 镍铬铝复合层组织、界面结构变化和元素扩散31-51
• 3.1 镍铬铝涂层经FSP后宏观形貌分析31-33
• 3.2 钢基镍铬铝复合层显微组织变化规律33-38
• 3.2.1 涂层微观组织变化34-36
• 3.2.2 基体微观组织变化36-38
• 3.3 界面结构变化及元素扩散规律38-42
• 3.4 FSP工艺参数对复合层微观组织的影响42-47
• 3.4.1 搅拌头转速w对FSP复合层组织的影响42-43
• 3.4.2 水平进给速度v对FSP复合层组织的影响43-45
• 3.4.3 搅拌道次n对FSP复合层组织的影响45-46
• 3.4.4 竖直下压改变量 Dh对FSP复合层组织的影响46-47
• 3.5 镍铬铝复合层组织变化作用机制分析47-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 高速钢复合层组织、界面变化及其机制分析51-62
• 4.1 高速钢涂层经FSP后的宏观形貌51-52
• 4.2 FSP后镍铬铝与高速钢复合层微观组织变化的异同52-55
• 4.3 高速钢复合层界面变化及元素扩散规律55-60
• 4.4 高速钢复合层组织变化作用机制研究60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 FSP后显微硬度、结合强度及其强化机制62-76
• 5.1 显微硬度试验62
• 5.2 镍铬铝复合层各区域显微硬度变化规律62-65
• 5.3 高速钢复合层各区域显微硬度变化规律65-66
• 5.4 镍铬铝复合层和高速钢复合层结合强度测试66-68
• 5.5 复合层强度提高的作用机制研究68-72
• 5.5.1 改善涂层缺陷69
• 5.5.2 细晶强化作用69-70
• 5.5.3 加工硬化、加工软化的综合作用70
• 5.5.4 元素互扩散的合金强化作用70-72
• 5.6 FSP过程中力学模型72-75
• 5.7 本章小结75-76
• 第6章 结论76-78
• 参考文献78-85
• 致谢85-86
• 附录86

【参考文献】

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本文编号：537339