界面扩散对激光熔覆WC-NiCrMoAl合金磁性影响的机理研究

发布时间：2017-08-26 09:26

  本文关键词：界面扩散对激光熔覆WC-NiCrMoAl合金磁性影响的机理研究

  更多相关文章： 激光熔覆 WC-NiCrMoAl 第一原理 磁性能 态密度

【摘要】：在石油勘探,航空航天,磨具,机械化工等领域,无磁材料的应用日趋广泛。在这些领域中,材料在具备高强度,高硬度,耐磨性和耐蚀性等条件下还需要满足无磁性能。普通硬质合金虽然具有很高的强度和硬度等优良特性,但它们都是铁磁性材料。激光熔覆技术属于激光技术与新材料的交叉性学科,可在工件表面制备出耐磨、耐蚀的无磁材料。激光熔覆WC-NiCrMoAl无磁硬质合金与WC-Fe基无磁硬质合金相比较而言其具有更好的抗腐蚀性,能够提高部件的使用寿命。本文主要采用第一性原理对激光熔覆WC-NiCrMoAl复合涂层的无磁机理进行研究。为探讨激光熔覆无磁材料的冶金机制,实现激光熔覆镍基无磁硬质合金及工艺的优化,研究了在高能束激光作用下,碳化钨颗粒的熔解扩散与各合金元素的界面冶金反应、熔覆层与基体合金的界面熔体反应形成的各析出相及固溶体的磁性以及原子间的电子交互作用对磁性的影响规律。首先,在优选的工艺参数条件下制备出WC-NiCrMoAl复合涂层,利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)对激光熔覆涂层进行成分及物相分析。结果表明:在激光作用下,碳化钨颗粒分解并扩散与基体发生界面互熔反应,在颗粒的边缘形成一定量的η化合物,主要是Ni2W4C相和Ni3Mo3C,在碳化钨颗粒相中还含有W2C相。由于Mo、Al合金元素的加入,因此在涂层中析出了Ni3Al、Fe3Al、Al4C3等物相。而在涂层与无磁合金钢基体之间则因为在激光作用过程中熔池的对流性,使基体中大量的Fe元素进入到了涂层并与形成了Fe3Al、γ-Ni等。其次,利用振动样品磁强计(LakeShore7410)对熔覆层进行磁性能分析。结果表明:当WC含量较低,样品的磁滞回线的磁滞区很小,具有较好的无磁性能。随着WC含量的增加,当WC含量达到45%时,磁滞区变大,说明熔覆层中开始析出一定量的铁磁相或弱磁性相。最后,利用基于密度泛函理论的第一性原理,本文采用CASTEP程序包进行磁性计算。计算结果表明:WC、W2C、Al4C3、Mo2C、Ni2W4C为无磁相,Ni3Mo3C、Ni3Al具有弱磁性,Ni4C固溶体、Fe3Al也为磁性相。进一步对Fe、Cr原子替代Ni原子形成的Ni3MC(M=Fe、Cr)分别作磁性计算,计算时可处理成Fe、Cr替换Ni4C晶体结构中的Ni原子形成的Ni3FeC和Ni3CrC,经计算发现它们也都具有磁性,Ni4C磁矩为0.46μB,只是由于固溶元素的不同,其中Fe为铁磁性元素,Cr为反铁磁性元素,从而造成其周围原子的自旋态发生改变。对于粉末成分配比不同制备的涂层,磁性的不同可能是因为在涂层中各物相的比重不同。
【关键词】：激光熔覆 WC-NiCrMoAl 第一原理 磁性能 态密度
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.44
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 激光熔覆技术11-13
• 1.3 无磁硬质合金13-14
• 1.4 激光熔覆WC-NiCrMoAl硬质合金现状14-15
• 1.5 第一性原理概述15-19
• 1.5.1 密度泛函理论15-17
• 1.5.2 薛定谔方程17
• 1.5.3 绝热近似17-18
• 1.5.4 哈特利-福克近似18
• 1.5.5 交换关联相互作用18-19
• 1.6 本文研究目的和主要内容19-22
• 第二章 实验与理论方法22-28
• 2.1 实验材料22
• 2.2 实验仪器与设备22-23
• 2.2.1 激光熔覆实验22
• 2.2.2 激光器22
• 2.2.3 送粉系统22-23
• 2.3 组织结构与成分分析设备23-24
• 2.3.1 扫描电镜及能谱仪23-24
• 2.3.2 X射线衍射分析仪24
• 2.4 磁性能检测仪器24-25
• 2.5 CASTEP软件包及计算过程25-28
• 第三章 激光熔覆WC-NiCrMoAl复合涂层的微观组织结构研究28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 熔覆层组织结构分析28-30
• 3.3 熔覆层物相分析30-33
• 3.4 EDS分析33-41
• 3.5 小结41-42
• 第四章 激光熔覆WC-NiCrMoAl复合涂层的磁性能研究42-66
• 4.1 不同WC含量的熔覆层磁性能研究42-44
• 4.2 WC颗粒熔解扩散对熔覆层磁性影响研究44-53
• 4.2.1 WC和W_2C的电子结构计算和磁性分析44-45
• 4.2.2 Ni_2W_4C和Ni_3Mo_3C的电子结构计算和磁性分析45-49
• 4.2.3 Al_4C_3和Mo_2C的电子结构计算和磁性分析49-53
• 4.3 无磁钢基体与熔覆层的界面反应对熔覆层磁性影响研究53-60
• 4.3.1 Fe_0.64Ni_0.36的电子结构计算和磁性分析53-54
• 4.3.2 Ni_4C及Ni_3MC(M=Fe，，Cr)的磁性计算54-60
• 4.4 Al元素的添加对熔覆层磁性的影响研究60-64
• 4.5 小结64-66
• 结论66-68
• 参考文献68-74
• 攻读硕士学位期间所发表的学术成果74-76
• 致谢76

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