送粉激光熔覆陶瓷掺杂复合涂层技术及涂层成形机理研究

送粉激光熔覆陶瓷掺杂复合涂层技术及涂层成形机理研究博士研究生 张 三 川 摘 要激光熔覆是现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一，在“21世纪的再制造工程”和“先进制造技术”中有着广阔的应用前景。首先作者综合评述了激光熔覆技术研究现状与发展趋势，对激光熔覆技术当前急需与未来发展等方面，提出了如下预测型结论： 1）激光熔覆过程数值模拟以及激光熔覆过程的超常物理场问题的研究，包括三维温度场模拟的进一步发展、激光熔覆组织的预测与控制模型、熔覆层的力学特性研究等，以进一步揭示激光与物质相互作用机理。 2）开展熔覆材料设计理论研究工作。研究激光熔覆合金设计的相关理论、建立设计模型与设计检验准则模型，为激光熔覆提供能适应快速凝固与摩擦学系统需求的熔覆合金材料体系，并促进具有良好适应性功能的激光熔覆技术的发展。 3）激光熔覆作为表面工程中的一种新型高技术，在“21世纪的再制造工程”发展中，开展激光熔覆再制造的相关技术与理论的研究将成为新的时代要求，并使该项技术由表面改性技术进一步发展成为集表面改性、维修、再制造于一体的具有绿色特征的表面技术。4）材料零件制造一体化是制造业发展的必然趋势，基于激光熔覆技术，结合三维打印成形或分层制造等快速成形技术和熔覆合金设计技术，研究和发展激光熔覆材料零件直接熔覆制造一体化技术。在较详细的研究分析激光熔覆现状后，首次较为系统地对激光熔覆材料体系的设计问题进行研究。其基本思想是：由于激光熔覆过程的动态冶金特征与熔覆涂层的应用属性分别是自激急冷的快速凝固和涂层的耐磨损性，因而熔覆材料设计中，首先应以满足应用需求为最低要求，同时以熔覆材料的快速凝固为约束条件，从而提出了基于摩擦学系统的激光熔覆耐磨复合材料的设计原则与方法，给出了熔覆耐磨材料设计的程序框图，在方法学上解决了激光熔覆耐磨材料体系的选择性组合设计上一直存在的盲目性问题。论文针对摩擦学中占重要地位的磨粒磨损类型失效，结合现有自熔合金的激光熔覆研究结果，设计了在同步送粉激光熔覆工艺条件下的耐磨熔覆涂层材料组分，并同时考虑了该项研究的可持续性。因此，设计了WC和ZrO2两种陶瓷颗粒分别为自熔合金（Ni基自熔合金）的掺杂相，形成陶瓷相以弥散形式均匀分布在自熔合金种，从而使熔覆层的相结构符合抗磨粒磨损的组织需求。试验研究中，对碳化钨、氧化锆陶瓷掺杂镍基自熔合金的两种体系材料分别设计和实施了58、36种工艺（含不同组份材料）的熔覆试验，首次系统地研究了送粉激光熔覆的工艺条件下的含陶瓷相熔覆材料与强激光的相互作用机制，取得了条件优化熔覆工艺规范。从熔覆层的相分布结果可以认为，送粉激光熔覆层显微硬度及其分布、熔覆层的组织状态的形成，主要取决于熔池的传质性能。对于以镍包碳化钨为掺杂相的熔覆涂层，熔池吸收能量较高时，能够使WC（未熔）固相粒子在熔覆层中得到较均匀地分布，从而得到具有WC颗粒增强的机械性能良好的熔覆层。对于以氧化锆为掺杂相的熔覆涂层，熔池吸收能量的高低会导致两种结果：若吸能高，熔池中的氧化锆相（氧化锆熔体与镍基自熔合金熔体是不互溶的）将上浮到熔覆层的表面区域，形成两种熔覆材料组元的分层熔覆涂层结构，也就是形成涂层表面区域是以氧化锆陶瓷为主相，间或分布有镍基合金相，而涂层中下部区域则以镍基合金为主相，并分布有一定量的氧化锆相；若吸能较低，可获得氧化锆相和镍基合金相相混杂的均匀的二元合金相结构。为考察陶瓷掺杂熔覆层的耐磨性能，对部分条件优化规范下送粉搭结激光熔覆涂层进行干摩擦环-块磨损性能试验与研究。结果表明：氧化锆掺杂的熔覆层的磨损形式为剥离型磨损，碳化钨掺杂的熔覆层的磨损机理可归于硬相承载；两种复合涂层材料相比较，含碳化钨的磨损失重量随时间的延长而变化较小，摩擦因数变化也较小，而含氧化锆的磨损失重量随时间的延长而变化较大，摩擦因数变化也较大。由于掺杂陶瓷相的存在阻碍了划痕在陶瓷增强复合涂层表面的产生，因而呈现出非连续的磨痕，实现了弥散陶瓷相的减磨作用。熔覆涂层的微观分析采用了诸如扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等现代分析技术，较全面地研究了涂层的相结构、组织微区、过渡界面等，结果是：WC掺杂镍基自熔合金（Ni60）的激光熔覆涂层中，碳化钨掺杂相主要有两种形式，即以大块状碳化钨（WC）和一些弥散在镍基自熔合金中的小量WC或W2(C、O)存在。由于熔覆过程中环境气氛的影响，在块状WC表面的部分区域覆盖了一层氧化分解产物W2(C、O)壳体；由于工艺规范的不同，获得了两种类型的ZrO2掺杂熔覆层相结构，一种是在大多数工艺条件下得到的有Cr包裹的无定形的ZrO2块状相，另一种是ZrO2形成细小颗粒并弥散于镍基自熔合金中，而熔覆层中出现由Fe和Cr的固溶体结构，这种固溶体在组织形态上为松针状；利用镍基自熔合金作为被掺杂的基础相，其熔覆层与基体材料界面间可以形成Fe和Ni及Fe和Cr的固溶体组织结构，对提高熔覆层与基材的冶金结合强度将是大有益处的。综合激光熔覆层的显微硬度分布与相组织结构、元素分布等的分析结果表明：陶瓷掺杂自熔合金的激光熔覆涂层的成形取决于熔池的流动性，而获得均匀分布熔覆层相组织的两个相关因素为：一个是掺杂陶瓷相对于主相材料的密度的大小，另一个是输入熔池的激光能量大小。为此，首次建立了两类材料的激光熔覆层成形物理模型，其主体思想是：若相对较小密度的陶瓷粒子作为掺杂相，为克服粒子的浮力，这要求输入熔池的激光能量应较低一些；反之，则应输入较多的能量，以提供给熔池更好的流动性。显然，对碳化钨陶瓷为掺杂相，应采用较高的激光能量，但对氧化锆陶瓷为掺杂相的，则应使用较低一些的激光能量。 对两种陶瓷掺杂的熔覆层的XDS分析还表明：熔覆层中的碳化钨主要有WC和W2C两种，由此可见熔覆层表层中的碳化钨为WC和W2C的共晶体；熔覆层中的氧化锆主体为单斜晶结构出