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文檔簡介
1、激光熔覆金屬硅化物基復(fù)合層耐磨性能優(yōu)異,但是,沉積速率低和復(fù)合層易開裂阻礙了該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆是一種新興的涂層制備工藝,具有加工效率高和涂層殘余應(yīng)力低的優(yōu)點。本論文首次提出采用光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)制備金屬硅化物Cr13Ni5Si2基復(fù)合層,對復(fù)合熔覆加工效率、復(fù)合層成分-組織-性能隨工藝參數(shù)的演化規(guī)律、殘余應(yīng)力與開裂行為和復(fù)合層的磨損性能進行了系統(tǒng)研究。主要結(jié)果如下:
搭建了光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆平臺,
2、采用紅外測控溫系統(tǒng),對復(fù)合熔覆過程中基體的感應(yīng)加熱溫度進行控制,保證了大面積大厚度復(fù)合層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的均勻性,為有效實現(xiàn)激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
激光-感應(yīng)復(fù)合工藝試驗結(jié)果表明,光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆Cr13Ni5Si2基復(fù)合層成形良好,其極限沉積速率可達單純光纖激光熔覆的3.1倍,傳統(tǒng)CO2激光熔覆的3.8倍。主要原因在于,感應(yīng)加熱有效地提高了基體對激光能量的吸收率,并降低了熱傳導(dǎo)損失,使得激光能量能夠更
3、多地應(yīng)用于熔化合金粉末。當(dāng)激光功率為4.5 KW時,光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆的極限沉積速率可達74.6 g/min,激光能量利用率可達60%。有效地提高生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。
系統(tǒng)研究了不同工藝條件下激光-感應(yīng)復(fù)合層的成分、組織和性能演變規(guī)律,基于材料熱力學(xué)分析了復(fù)合層組織結(jié)構(gòu)的演變機理。激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆多道多層復(fù)合層時,復(fù)合層/基體界面、復(fù)合層不同道次搭接界面和復(fù)合層不同層間界面均結(jié)合良好,無冶金缺陷。對于大厚度復(fù)合層而
4、言,基體的稀釋作用主要集中在復(fù)合層的底部,復(fù)合層中上部的稀釋作用基本可以忽略不計。這種梯度成分結(jié)構(gòu)有利于改善復(fù)合層與基材的結(jié)合力,并在重載荷下得到應(yīng)用。
激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆Cr13Ni5Si2基復(fù)合材料有其特殊性,即其硬度的高低主要取決于初生相Cr13Ni5Si2的體積比,后者取決于復(fù)合層結(jié)晶的熱力學(xué)條件。隨著激光功率、感應(yīng)預(yù)熱溫度、掃描速率和送粉量的升高,復(fù)合層中Cr13Ni5Si2的體積比均先增加后減少。其中Cr13Ni5
5、Si2體積比最高的為80.6%,而最低只有44%,差異顯著。主要原因在于,工藝參數(shù)的變化影響激光熔池的結(jié)晶過冷度,并改變合金元素在金屬硅化物相和Ni-Cr合金固溶體相中的分配,從而導(dǎo)致復(fù)合層中Cr13Ni5Si2相的體積比發(fā)生變化。因此,通過合理控制工藝參數(shù),可以獲得多道多層大面積硬度均勻的Cr13Ni5Si2基熔覆層。
采用X射線衍射法測試了復(fù)合層的殘余應(yīng)力,并采用滲透探傷法檢測復(fù)合層的開裂行為;基于彈塑性理論,建立了復(fù)合層
6、殘余應(yīng)力演變模型。研究結(jié)果表明,由于激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)有效地降低了復(fù)合層的殘余應(yīng)力,因此成功解決了大面積、大厚度、高硬度金屬硅化物基復(fù)合層易開裂的難題。彈塑性力學(xué)分析表明,復(fù)合層與基體的熱膨脹系數(shù)和溫度差異是導(dǎo)致殘余應(yīng)力的主要原因。而復(fù)合層在低溫區(qū)間停留時間t8-5是影響殘余應(yīng)力釋放的主要因素。溫度差異越小,t8-5越大,殘余應(yīng)力越低。通過合理調(diào)整激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆工藝參數(shù),可以使得基體與復(fù)合層的溫差降低,t8-5提高,有利于降低殘
7、余應(yīng)力,避免復(fù)合層開裂。
采用激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)制備的金屬硅化物基復(fù)合層具有優(yōu)異的耐磨性能,其室溫滑動磨損性能是軸承鋼GCr15的5.76~103.75倍,高溫滑動磨損性能是不銹鋼1Cr18Ni9Ti的22.9~26.7倍。復(fù)合層的磨損取決于其組織結(jié)構(gòu),其中,金屬硅化物內(nèi)部疲勞裂紋擴展導(dǎo)致的剝落和Ni-Cr合金固溶體與對磨盤之間的粘附、焊合和撕裂是復(fù)合層磨損的主要機制。復(fù)合層硬度H越高,其抵抗粘附磨損的能力越強;復(fù)合層的彈
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