（材料加工工程专业论文）tc4合金激光表面熔覆.pdf

西北工业大学硕士论文 t c 4 合 金 激 光 表 面 熔 覆丫心 殆 。 摘要 本文研究了t c 4 合金表面激光熔覆 wc - 1 2 c o , 4 5 c熔覆区的组织结构、显 微硬度、耐磨性、成分分布等。实验结果表明，激光熔覆区在组织结构上分为 熔覆层、熔化区和热影响区。激光熔覆使 w c -1 2 c o , 4 5 c等离子喷涂层的片状 组织特征消除，形成了连续致密的激光熔覆层:由于涂层中不同部位成分、温 度分布及冷却速度不同使初生相呈树枝状、块状、花瓣状、柱状及颗粒状等几 种形态: 实现了 涂层与 基体的冶金结合， 熔覆层最高 硬度可达 1 3 5 4 h v o 利用 s e m观察，以及显微硬度测试，研究了激光功率和涂层厚度对熔覆区 的显微硬度、熔覆层深度以及熔化区深度的影响。结果表明:在涂层厚度不变 时，随着激光功率的增加，熔覆区的显微硬度增加，熔覆层的深度减小，熔化 区的深度增加。 w c - 1 2 c 。 和4 5 c 熔覆区的变化规律相同。 通过耐磨性实 验， 分析了 不同涂 层材料与g c r 1 5 对滚后的磨损量。w c - 1 2 c o 等离子喷涂层经激光重熔后耐磨性至少提高了2倍: 4 5 c等离子喷涂层经激光重 熔后，耐磨性提高了2 . 5 倍。实验表明:w c - 1 2 c o 熔覆层的耐磨性高于 4 5 c熔覆 层。在涂层厚度不变时，随着激光功率的增加，熔覆层的耐磨性增加。 激光熔池中存在对流作用，熔池底部的基体元素向上流动，涂层中的合金 元素 c r , n i , c 。 等向下流动。激光功率不同，对流作用不同。激光功率较大， 熔池中合金元素的分布比较均匀。 关键词:激光熔覆 耐磨性: ;组织特征: 磨损率;熔池; 冶金结合;等离子喷涂;钦合金; 对流 。 一 1一 ab s t r a c t l a s e r c la d d in g s u r f a c e a l lo y e d t c 4 abs t r ac t i n t h i s p a p e r ,t h e s t r u c t u r e、 m i c r o h a r d n e s s、 f r i c t i o n r e s i s t e n c e a n d t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p o s i t i o n o f l a s e r c l a d z o n e o f wc - 1 2 c o , 4 5 c o n t c 4 w e r e i n v e s t i g a t e d . c r o s s - s e c t i o n o f t h e l a s e r c l a d z o n e s h o w e d t h r e e d i s t i n c t r e g i o n s w h i c h c o n s i s t e d o f c l a d l a y e r、m e l t z o n e a n d h e a t - a ff e c t i n g z o n e . t h e r e s u l t s h o w e d t h a t l a s e r c l a d d i n g l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f a c o n t i n u e a n d c o m p a c t c l a d l a y e r a n d t h e e l i m i n a t io n o f t h e l a m a l l a r s t r u c t u r a l c h a r a c t e r w h i c h o c c u r r e d i n p l asm a - s p r a y i n g wc - 1 2 c o , 4 5 c c o a t i n g s . t h e d i ff e r e n c e i n t h e c o m p o s i t i o n、 t e m p e r a t u r e a n d c o o l i n g s p e e d i n d i ff e r e n t a r e a s o f t h e c o a t i n g l e a d s t o t h e r e s u l t t h a t t h e r e a r e s e v e r a l k i n d s o f s t ru c t u r a l f e a t h e r s i n c l u d i n g d e n d r i t i c、 p o l g o n l u m p i s h、 p e t a l o i t i c , l a t h y a n d p a rt i c u l a t e . t h e me t a l l u r g i c a l c o m b i n i n g i n t e r f a c e b e t w e e n t h e c l a d d i n g l a y e r a n d ma t r i x i s a c h i e v e d . t h e m a x i m u m o f t h e m i c r o h a r d n e s s o f wc - 1 2 c o , 4 5 c l a y e r s c l a d d e d b y l a s e r c o m e s u p t o 1 3 5 4 h v . t h e i n fl u e n c e o f l a s e r p o w e r a n d c o a t i n g t h i c k n e s s o n t h e m i c r o h a r d n e s s o f t h e c la d z o n e , o n t h e t h i c k n e s s o f c l a d - l a y e r a n d t h e d e p t h o f me lt z o n e w e r e s t u d i e d u s i n g s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m) a n d m i c r o h a r d n e s s t e s t i n g t e c h n i q u e s . t h e r e s u l t s h o w e d t h a t g i v e n t h e wc - 1 2 c o c o a t i n g t h i c k n e s s c o n s t a n t ， t h e m i c r o h a r d n e s s o f c l a d z o n e i n c r e ase s w h i l e t h e d e p t h o f c l a d - l a y e r d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e m e n t o f l a s e r p o w e r . t h e s a me i s t h e c a s e w i t h 4 5 c. t h e t e s t o f f r i c t i o n r e s i s t e n c e o f b o t h k i n d s o f c l a d - l a y e r s w a s c o n d u c t e d o n g c r 1 5 g r i n d i n g w h e e l . t h e r e s u l t s h o w e d t h a t t h e f r i c t i o n r e s i s t e n c e o f wc - 1 2 c o c l a d - l a y e r i n c r e as e d b y 2 t i m e s o r mo r e c o m p a r e d w i t h t h a t o f t h e c o r r e s p o n d i n g p l a s m a s p r a y i n g c o a t i n g ， w h i l e t h e f r i c t i o n in s i s t e n c e o f 4 5 c c l a d - l a y e r i n c r e a s e d b y 2 . 5 t i m e s c o m p a r e d w i t h t h a t o f t h e c o r r e s p o n d i n g p l a s m a s p r a y i n g c o a t i n g .a n d t h e f r i c t i o n r e s i s t e n c e o f wc - 1 2 c o c l a d - l a y e r i s h i g h e r t h a n t h a t o f 4 5 c c l a d - l a y e r . i n a d d i t i o n， g i v e n t h e c o a t i n g t h i c k n e s s c o n s t a n t ， t h e f r i c t i o n r e s i s t e n c e o f b o t h k i n d s o f c l a d - l a y e r s i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e m e n t o f l ase r p o w e r . t h e r e i s a p r o c e s s o f c o n v e c t i o n a t t h e b o t t o m o f t h e me l t i n g p o n d , w h e r e t h e a l lo y e l e me n t s fl o w s u p w a r d s , a n d t h e a l lo y e l e m e n t , c r ， n i , c o e t c . i n c o a t i n g l a y e r , fl o w s d o w n . t h e e f f e c t o f c o n v e c t io n d i ff e r s w i t h t h e l a s e r p o w e r . t h e a l l o y e l e m e n t s in t h e me l t i n g p o n d d i s t r i b u t e m o r e e q u a b l y w h e n t h e l a s e r p o w e r i s s t r o n g e r . ab s t r a c t k e y wo r d s : l a s e r c l a d d i n g ; s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ; m e t a l l u r g i c a l c o m b i n in g ; p l a s m a s p r a i n g ; t i t a n i u m a l l o y s ; w e a r r e s i s t a n c e ; r a t e a b r a s i o n . m e l t in g p o n d ; c o n v e c t i o n . 1 1 1 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 . 1前言 金属材料许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性、耐冲蚀性、抗氧 化性等都取决于金属材料表面的物理、 化学性质。 传统表面改性技术，如各种 喷涂层、渗层、镀层等，由于较差的层间结合力以及受平衡溶解度小，以及固 态扩散性差的限制， 应用效果很不理想。 大功率 激光器和宽带扫描装置的出现， 为材料表面改性提供了一种新的有效手段。 在各类激光束处理中，激光熔覆是经济效益较高的一种新的涂层表面改性 技术。 它可以在低性能 廉价钢材上制备出高性能贵重的合金钢表面，以降低材 料成本，节约贵重的稀有金属材料，降低能源消耗，提高金属零件的使用寿命。 该技术 研究始于 7 0 年代初.1 9 7 4 年， 美国a v c o 公司的e v e r t实 验室 和 m e t c o 公司进行了 长期的 试验，并于1 9 7 8 年 先后报道了它们的研究成果。 之后，日、 英、法、 意、德等发达国家也相应开展了这方面的 研究工作。 我国对此研究始 于8 0 年代初， 近年来研究工作 十分活跃。由于这一新技术具有巨 大的 发展潜力 并能产生较大的经济效益，因此， 世界上各工业先进国家对激光熔覆的研究及 应用都给予了极大的重视。 在实验的 准备工作中，本文作者统计了国内 外自 9 0年代以 来一些主要刊 物上发表的有关激光熔覆的文献资料，熔覆材料主要集中 在镍基、铬基合金粉 末，也包括一些 w c粉末，金属陶瓷粉末等;基体材料多为碳钢，t c 4合金激光 熔覆的材料多为金属陶瓷合金，镍基碳化钨:而对 t c 4合金表面激光熔覆 w c - 1 2 c o , 4 5 c 研究的报道很少。 本文 就是 通过对t c 4 合金表面激光熔覆w c - 1 2 c o , m e t c o 4 5 c ( 以 下简称4 5 0 合金粉末的机理和工艺参数进行分析，选取不同的熔覆工艺和参数，采用不同 的预制涂层的方法，来研究熔覆层的组织、显微硬度、成分含量、熔覆层的耐 磨性能等。通过两种涂层材料激光熔覆层耐磨性的分析，从中得出简单可行的 工艺和理想的耐磨层，为今后的应用奠定良好的基础，填补这方面的空白. 1 . 2 主要研究内 容 1 .激光熔覆层的显微组织观察。 2 .熔覆层成分分析。 3 . 熔覆层显微硬度分析。 4 . 熔覆层耐磨性试验。 5 . 不同的熔覆材料、不同厚度、不同预制涂层方法进行激光熔覆的工艺 研究。 第二章文献综述 2 . 1 激光的基本原理与特点 激 光 的 全 称为“ 受 激 辐 射光 放 大” ( l i g h t a m p l i f i c a t i o n b y s t i m u l a t e d e m i s s i o n o f r a d i a t i o n ) ， 是6 0 年 代 发 展 起 来的 一 种 新 型 光 源。 它 广泛 应 用 于自然科学、工程技术乃至社会生活的各个领域，是本世纪人类获得的最重大 科技成果之一。 2 . 1 . 1 激光产生的 条件 激光是通过受激辐射来实现光放大的。 一个光子 b y 射入一个原子体系以后， 引起原子体系的受激辐射，在离开原子体系时变成了两个或多个特征完全相同 的光子， 这些光子组成相干光束， 就是激光。 激光的 产生需要克服两个矛盾: 受激辐射与受激吸收的 矛盾:受 激辐射与 自 发辐射的 矛盾。 只有这样才能使受激辐射在激光器工作 过程中占 主导地位。 这两个矛盾的克服是通过粒子数反转与光学谐振腔来实现的【u 2 . 1 . 2激光器 自 从 1 9 6 0年梅曼 ( t . h . m a i n m a n ) 制成第一台红宝石激光器，1 9 6 0年， a . j a v a n 等人制成氦氖激光器，1 9 6 2 年 r . h . h a l l 等人制成半导体 ( 砷化稼)激 光器以 来， 激光器种类越来越多。 截至目 前，已 发现上万 种可用来制造激光器 的材料介质。按工作介质不同，激光器可分为四大类:气体激光器、固体激光 器、半导体 激光器、 染料激光器。 按工作方 式不同 可分为两类:连续式的、 脉 冲式的。 气体激光器的工作介质是放电管中的气体原子、分子、离子或金属蒸汽。 目前常用的是 c 0 2 激光器。 它的优点是输出功率大 ( 可达几十千瓦) 、 效率高 ( 理 论值为 4 0 % ， 一般可达 1 0 - 2 0 % ) 、能长时间的 连续工作。光的波长为 1 0 . 6 1 , m , 属于中红外 线范围，肉 眼看不见。 任何固态激光器的基本结构包括三部分: ( 1 ) 工作物质;( 2 )光学谐振腔;( 3 )激励能源。 2 . 1 . 3激光的 特性 火冷fel t 冷却 水 出 u m 多w* 幼气 店 什 袭反则镜 图2 一1 c 0 2 激光器原理图 激光器的原理图如图2 - 1 2 1所示， 与普通光源相比， 激光具 有一系列无与伦 比的特点。 方向性好 、亮度高 激光束的发散角很小，约为 1 0 - r a d ， 这使得激光器发出的能量可高 度集中 在很细的光束中，可以认为输出光束基本上是平行的。 高功率激光器的亮度可达 1 0 w / c m . s r z ， 是太阳亮度的几百亿倍。( 注:在 法线方向上单位立体角范围内传输出去的辐射功率称为光源的亮度) ，中等亮度 的激光汇聚后，在焦点附近能产生几千度乃至几万度的高温，足以熔化甚至气 化对激光有一定吸收能力的各种金属和非金属材料。如果再用调制技术使激光 束能量在时间上也高度集中，就可获得极高的静脉冲功率密度。 这是近年来一 个新的研究方向一激光冲击强化的物理基础cs 单色性好 普通原子光谱中单色性最好的 k r e 波长 6 0 5 . 7 n m的谱线宽度为x = 0 . 0 0 0 4 7 m m ， 其相干长度只 有 7 8 c m ; 而氦氖激光器波长6 3 2 . 8 n m 的谱线宽 度可 小至 i v=， 其相干 长度可 达几十公里。 空间相干性好 普通光源是彼此独立的发光原子发出的，其相干性很差。而激光器断面输 出的是步调一致的光束，在其波前上各点之间有固定的位相关系。激光的三种 特殊性能是 相互联系的。 虽然金属热处理对单色相干性要求不高， 但只有相干 的光在它传播过程中才能保持平行， 才能把光波能量传送到远处， 通过聚焦使 它汇聚 在极小的区域内， 得到高的能量密度。激光的这些特性在金属材料表面 改性中显示了其独特的作用. 2 . 2 激光表面改性的分类、 特点基激光表面熔覆在国内 外的应用 2 . 2 . 1激光表面改性分类 激光表面处理的方法种 类很多创 ， 按应用特点 大致可分为 三类: 表 面相 变 硬 化 处理 ( l a s e r t r a n s f o r m a t i o n h a r d e n i n g ) ， 也 就是 通 常 所说的 激光热处理或激光淬火，硬化层通常小于 l m m a 激光表面熔覆处理 ( l a s e r s u r f a c e c l a d d i n g ) ，硬化层通常为 0 . 1 - 3 m m o 这种方法是先将熔覆材料采用一定的工艺预置在基体表面，然后用激光辐 射并快速凝固，以在基体上形成致密的冶金熔覆合金层。它的优点是凝固时初 生碳化物、硼化物、硅化物细小，且均匀分布在过饱和固溶体基体中;没有合 金元素偏析;工件不会受热变形;只有很小的热影响区。 激光表面合金化 ( l a s e r s u r f a c e a l l o y i n g ) 一般层厚为0 . 1 - 4 m m e 激光表面合金化与激光熔覆的机理有点相似，不同的是，激光表面合金化 是将所需合金粉末与基体充分融合， 稀释度较大，它是利用快速加热和快速冷 却制造特殊的亚稳合金，赋予基体表面以特殊的性能，制成理想的表面合金。 而激光熔覆时基体微熔而涂层全熔，避免了 熔化基体对涂层的 稀释， 激光熔覆 时要求尽可能减少 基体元素对涂层的稀释， 基体一旦熔融， 熔池中强烈的对流 作用会使涂层稀释。不同的涂层材料稀释度不同，高熔点涂层的稀释度较高， 低熔点涂层的稀释度较低， 一般宜将稀释度保持在 1 0 % 以下， 如果能量密度太大， 涂层和熔化的基体就会严重混合，失去熔覆的意义，称为表面合金化。 西能工业大学硕士论文 此外，还出现其它一些应用， 如激光上光 ( l a s e r g l o s s i n g ) ，即 利用激光 加热工件表面，使其冷却速度达 1 0 8 0 c / s 以上，获得非晶态表层，层深一般为 1 一 1 0 ， m左右。 利用脉冲高功率激光束产生的力学效应来使材料表面达到改性 ( 力学效应 包括光压效应、激光超声波效应等) ，也在近年来的文献报道中经常出现。值得 注意的是一些利用激光束处理和其它方法相结合的激光复合层的出现，这些方 法的研究应用， 使得 激光表面改性有了 更大的应用前景t s 2 . 2 . 2激光熔覆的 特点 与火焰喷涂、等离子以 及爆喷枪喷涂相比 较， 激光熔覆具 有以下的 特点: 在熔覆效果方面: a : 激光熔覆可能在低熔点工件上熔覆一层高 硬度的合 金熔覆 层，其硬度得 到 很大的 提高， 4 5 # 钢表 面 激光 熔覆 w c - c 。金 属陶瓷 ， 其 显微 硬度 最高 可达 1 7 9 4 h v e . , ， 比等离子喷涂层硬度提高很多 ( 等离子喷 涂层的硬度为7 8 4 h v 。 ) 【叭t c 4 合金表面激光熔覆n i c r b s i - t i c 后， 其熔覆 层的平均硬度为9 8 0 h v 伙同时， 熔覆 层的耐磨性得到较大的改 善，激光熔覆层的耐磨性的改善归结于近表面区硬度 的增加、 熔覆层所具有的细晶组织和存在大量的耐磨成分8 , , a b b a s和 w e s t 在e n 3 6 钢表面激光熔覆s i c 和s t e l l i t e 6 复 合涂层，结果认为，熔覆层的耐磨 性的增加不是由于涂层中未熔 s i c粒子的存在，而是由于 s i c粒子溶解使得钻 基合金内 碳原子的 富集， 导致m 2 3 和m , c碳 化物数量的增加; 而m o l i a n 和h u a l u n 在t c 4 合金表面激光熔覆了b n 和b n - n i c r c o a l y 复合涂层，分析表明 涂层中 存 在t i n , t i b 2 等多种物相， 熔覆层耐磨 性的改善主要取决于熔覆层的高硬度和低 的 磨擦因数。 激光熔覆层的 耐磨性比等离子喷涂层的耐磨性大约提高了3 4 % 1 . b :低成本材料可通过材料表面激光熔覆，简化工艺，易于精确控制表面质 量，控制稀释。 c : 可局部 熔覆，具有良 好的 熔界，微观结构细致，热影响区小，熔解能均 匀。 d :小面积扫描式加热，变形小，降低成本，节约包裹材料，减少废品。 e :由于能量是光束照射传给零件，属于无接触加热，零件不会受到污染。 工艺操作方面: a : 可实现数控自 动化控制，处理结果重复性好。 b :激光熔覆时不需要喷水或采取其它使零件冷却的办法。 c :处理条件易于操作，根据要求在真空或在特殊气氛下进行，此时只需要 将工件置于透明窗罩内进行。 d :激光束焦深大 ( 可达士7 5 m m ) ，即使工件凹凸度较大，也可通过激光处 理获得均匀的熔覆层。 e : 对入射角要求不严， 一般只要光束入射角小于 4 5 0，光能量的吸收仍然 较高。 f :激光熔覆过程中，不产生烟、雾等有害气体或物质，对激光的防护也很 容易，劳动环境好。 表 2 - 1 几种热喷涂方法和激光熔覆层的特性比较 e z 项 日 火焰喷涂 电弧 喷涂 等离子 喷涂 爆炸喷涂 超音速 喷涂 激光熔覆 热源0 z + c z h a电能 电能 a r , h z , h e 0 z + ch ,0 r + ch s 激光 a r 喷涂 材料 金属、合 金、 高分子 lk 尽 合金 金属、合 金、陶瓷 金属、合 金、部分陶 瓷 金属、合 金、部分陶 瓷 几乎全部 金属、合金 及陶瓷 最高 温度 2 7 6 0 - 3 2 6 07 4 0 0 大约 1 6 0 0 0 5 0 0 0 2 5 5 0 - 2 9 2 4 加热速率 1 0 5 - 1 0 / s 粒子速度 / m . 5 ， 1 5 0 - 2 0 0 1 5 0 - 2 0 03 0 0 - 3 5 07 2 09 8 6 喷涂材料 形态 线、粉线粉粉 粉粉 基体 材料 几乎全部 固体材料 几乎全部 固体材料 几乎全部 固体材料 主要固体 金属 几乎全部 固体材料 主要固体 金属 基体温度 / 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 0 1 0 2 0 5 0 气孔率 % 6 6 5 1 0 ， 即 此 时的热应力为拉应力，对控制熔覆层开裂不利。 而当熔覆层热膨胀系数小于基材时， a 0 - o , h 0 ， 即 此时热应力为压应力，即此时热应力为压应力， 将可以 减小熔覆层的开裂敏感性。 另外从 ( 1 ) 式还可以看出，熔覆层的热膨胀系 数越小 ( 小于基材的热膨胀 系数时) ， 由此产生的残余应力就越大， 也就越有益于减小熔覆层的开裂敏感性。 可见，减小熔覆层的热膨胀系数时减小熔覆层开裂敏感性的一有效途径。尽管 如此，熔覆层的热膨胀系数也并非越小越好，它必须有一定的范围，超出此范 围时，易在基材表面形成残余拉应力，甚至造成基材开裂。该范围可用如下方 法来确定。假设激光熔覆层的应力主要来 自 于热应力。， 。 ，那么对熔覆层而言， 为防止其开裂，必须保证 a ， 、 0，( 2 ) 而对基材来说，考虑基材与熔覆层的应力平衡，为防止其开裂，必须保证 一 i 4一 一 0 。 。 a :( 3 ) 式中，。. ， 。 : 分别为熔覆层和基材的抗拉强度，综合 ( 2 ) , ( 3 )式可得 一。 z 。 , n a ，( 4 ) 将 ( 1 )式代入 ( 4 )式即可得熔覆层与基材的热膨胀系数之差值的合理范 0 2 x ( 1 一 v)/( e xt) a a， x 而对于镍基碳化钨金属陶瓷复合粉末而言， 方程求得，即 ( 1 - v)/( e xt) ( 5 ) 其膨胀系数可根据 k e m e r 经验 。一 “ 认 十 ” 艺 终丫 ，十 3) ”“(6) 、12、j 7.r 2叮、了、 其中k g 由 混合定律计算: k , = y k ; v , “ ， g ， 一 y g ; g ， 一 %1+ 尸 ， ) ( 9) a， 为材料中 i 组元的热膨胀系数;v 。 为材料中 工 组元的体积分数;g 。 为材 料中 1组元的剪切弹性模量;e ， 为材料中 工组元的杨氏弹性模量;u ; 为材料中 工 组 元 的 泊 松 比 ; k ;为 材 料 中 工 组 元 的 体 积 模 量 ， k ， 一 %1 - p y 由于碳化钨的热膨胀系数和泊松比都很小，同时杨氏弹性模量又大，因此， 随着复合粉末中碳化钨含量的增加，熔覆层热膨胀系数降低。计算结果表明， 当 碳化钨含量达到 v . 2 0 ( 3 5 w t - % ) 时，熔覆层的热膨胀系 数和基体材料相当， 此时熔覆层宏观热应力为零。 碳化钨含量继续增加时， 熔覆层甚至会出 现宏观 压应力 ( 由 于碳化钨与镍基自 熔合金膨胀系数的差异， 熔覆层粘结金属中仍存 在残余拉应力) 。 在不同的碳化钨含量下，残余应力与粘结金属韧性对熔覆层抗开裂性能的 影响程度是不同:当碳化钨含量较低时 ( 五 释 面 -盛 且盆1 i 卑 身 rn- i -j 1 , 图2 - 1 0 激光光束能量分布特征对于合金熔体的对流特征的影响 ( a )当激光光束的能量分布均匀:( b ) . ( c ) 激光光束的能量分布不均匀 一 21一 第三章实验内容及方法 第三章 实验内容及方法 3 . 1 实验目的及研究内 容 钦合金是一种新金属，具有密度小、比强度高、耐蚀性好等特点，它的应用 范围涉猎到各个工业领域当中，特别在航天航空工业中有着广泛的应用前景。 但钦合金存在着耐磨性低 ( 滑动磨损、磨料磨损、冲刷磨损、微动磨损、疲劳 磨损等)的致命缺点又严重地影响了钦合金的使用性能及应用范围，比如， t c 4 作为发动机风扇叶片及压气机叶片常因叶片本身部位遭受严重的冲刷磨损而失 效，叶片及压气机盘由于叶根及桦槽遭受微动磨损而发生早期疲劳断裂 川 。 利用先进的表面改性技术对钦合金进行表面改性， 是提高钦合金零部件耐磨 性最为有效而经济的方法。传统的表面化学热处理方法，如气体渗氮、离子氮 化、盐浴渗氮、渗碳、渗硼等，存在着处理周期长、渗层薄、组织控制难、需 对工件长期高温加热等缺点: 等离子喷涂技术 制备的喷涂层又存在涂层疏松、 表面粗糙、与基体结合强度差、涂层容易开裂和剥落的弱点;离子注入技术可 以 有效地提高钦合金的耐磨性，但其注入层最大厚度仅为微米级，且由 于在真 空条件下进行，工件尺寸也受到限制，因此，有必要开发研究先进的钦合金表 面改性技术。 激光表面改性技术作为一种无接触、无污染、高效、灵活的先进表面改性 技术，已广泛地应用于提高铁基合金及有色合金的耐磨性、耐蚀性等表面性能。 对于钦合 金激光 表面改性技术国内 外研究的并不多， 特别是对于 t c 4合金表面 耐磨涂层的 研究 更是比较少。本文选用 w c - 1 2 c o , m e t c o 4 5 c( 以 下简称 4 5 0 两种涂层材料， 利用等离子喷涂技术制备涂层， 然后采用激光熔覆工艺， 在t c 4 合金表面熔覆一层耐磨涂层，着重探讨和分析: 1 ) w c - 1 2 c o和 4 5 c激光熔覆区 ( 以下分别简称为 w c - 1 2 c o 熔覆区和 4 5 c熔 覆区)的组织结构。 2 ) w c - 1 2 c o 熔覆区和4 5 c 熔覆区的 显微硬度。 3 )激光功率对w c -1 2 c o , 4 5 c 熔覆层深度和熔化区 深度的影响; 4 )激光功率对 w c 一1 2 c o 熔覆区和 4 5 c 熔覆区成分的影响。 5 ) w c - 1 2 c o 喷涂层和4 5 c 喷涂层的耐磨性能。 6 ) w c - 1 2 c 。 熔覆层和4 5 c 熔覆层的耐磨性能。 3 . 2 激光熔覆实验材料及工艺 3 . 2 . 1基体材料 化学成分 成份 含量 ( % ) 表 3 一i t c 4 化学成分 v c 6 . 0 13 . 8 4余量 本文中所用试样材料为t c 4 ，其化学成分见表 3 -1 。试样为3 0 x2 2 x 8的 西北工业大学硕士论文 3 . 3金相组织的观察 试样的腐蚀 w c - 1 2 c o 熔覆层和4 5 c 熔覆 层组织均采用体积比 为用氢氟酸: 硝酸: 水二1 : l : 5的溶液腐蚀，时间为 1 5 -2 0 s ;如果单独要观察 w c - 1 2 c o 熔覆区的中w c 组 织， 用 n a o h ( 2 0 % ) 的水溶液和 k , f e ( c n ) ( 2 0 % ) 的水溶液按照体积比为 1 : 1 配制腐 蚀 液， 腐 蚀时 间 为1 一 1 5 s . 显微硬度的测试 激光熔覆区的显微硬度测试采用 h x - 1 0 0 0 显微硬度计， 单道熔覆试样沿层深 的硬度在熔覆区截面中心区测取，搭接熔覆的试样在搭接区测取。对于手工预 制涂层激光熔覆区的显微硬度测取点间距区 0 . l m m ; 等离子喷涂层激光熔覆区的 显 微硬度 测取点间距为0 . 0 5 m m ; 测试显 微硬度加载负荷为2 0 呢， 加载时间为1 5 s , 测量三次后取平均值。 熔覆层组织、成分的分析 实 验用a m r a y - 1 0 0 0 b , p h i l i s h x l - 2 0 x 扫描电 镜， l i n k i s i s , d x - 4 能谱仪 对激光熔覆层的组织形貌、微区成分进行了 观察、 分析 和测试。 3 . 4耐磨实验工艺参数 3 . 4 . 1 磨擦磨损试样的制备 1 . 磨损试样的制备 1 ) 将t c 4 合 金 加工 成 圆 环 状 ， 外 圆 直 径 为。 3 0 结 ， ， 圆 环 厚 度 为5 m， 内 孔直 径 为(d 1 6 u 0 a 。 2 )在加工好的t c 4 合金试样上采用等离子喷涂技术制备 w c - 1 2 c o 和 4 5 c两 种涂层材料， w c - 1 2 c o 喷涂层和4 5 c 喷涂层h o ， 分别为0 . 2 m, 0 . 3 5 m m , 0 . 5 m. 表3 一7耐磨试样激光熔覆工艺参数 第三章实验内容及方法 3 )对己制备的w c - 1 2 c o喷涂层和 4 5 c喷涂层的 t c 4 合金试样选择不同的激 光工艺参数，进行激光熔覆，制备耐磨层。激光工艺参数见表 3 - 7 0 4 )将 w c - 1 2 c o , 4 5 c 熔覆层的t c 4 合金试样和 w c - 1 2 c o , 4 5 c 喷涂层的t c 4 合 金 试 样 在 外圆 磨上 进行 加 工 成 统 一 尺 寸( d 3 0 . 1 洲 ， 。 2 . 对磨副的制备 将对磨试样g r 1 5 加工成圆 环状， 外圆 直径为(d 3 0 . 2 洲， ， 厚度为5 m m ， 内孔 直 径 为q d 1 6 舒 0s然 后 进 行热 处 理 ， 热 处 理 工 艺 为 淬 火 温 度8 5 0 0c ， 回 火 温 度1 8 0 ，硬度为h r c 6 0 。对热处理过的g c r l 5 对磨副在外圆磨上进行加工， 加工尺寸 统 一 为 。 3 0 . ， 洲 ， 。 3 . 4 . 2耐磨实验的测定 采用m m - 2 0 0 试验机进行无润滑干磨擦滚动磨损实验，所用载荷为 3 0 0 n ， 滚 动速度为4 0 转/ m i n ，循环次数的 记录以 分钟为单位。用感量为1 0 - 馆的t g 3 2 8 a 分析天平进行磨损失重测量。在秤重时，取三次秤重数值的平均值。 测量磨损量主要进行以下实验: w c - 1 2 c o 喷涂层和4 5 c 喷涂层分别与 对磨副g c r l 5 进行对磨试验， 测量其 磨损量。 w c - 1 2 c 。 熔覆层和4 5 c 熔覆层分别与g c r l 5 对磨副 进行对磨试验， 测量其 磨损量。 w c - 1 2 c 。 熔覆层与4 5 c 熔覆层进行对磨试验， 测量 其磨损量。 西北工业大学硕士论文 对于聚集法熔覆1 .; , 1 , 2 k w的 c o激光最大单道宽度只能达到 3 m m ;采用研制 的宽带扫描转镜，单道宽度可达 5 m m , 5 5 , :大而积激光熔覆需要多道搭接和多层 搭接 ， “ ， ，刁能满足熔覆层形貌、组织和性能的要求。 激光束搭接熔覆如图4 一1 5 所示。搭接熔覆层在总体上仍遵循着快速加热、 快速凝固的组织特征，但由于其熔覆过程加热的特殊性，又具有自己的显著特 点。搭接熔覆山于存在二次扫描过程 ，致使搭接熔覆层组织和性能呈现周期性 的变化，为研究方便，将搭接熔覆层分为 4个区域:单道熔覆层 ( a ) ，单道熔 化区 ( b ) ，相邻两道熔覆层结合区 ( c ) ，二次熔化区 ( d ) . 图 4 -1 5给出了热搭接条件下通过光学显微镜观察的显微组织，单道熔覆 层组织为树枝状和块状组织 ( 图a ) ; 单道熔化区的b 区域显微组织是枝晶 状组 织( 图 b ) . 可见， 在 w c - 1 2 c o 搭接熔覆的单道熔覆区， 熔覆区的组织结构与 4 . 2 . 1 中w c - 1 2 c 。 熔覆区的组织结构相似。c , d 共同组成的区域显微组织比 较复杂， 主要是由 熔化区的胞 状晶 ( 图c )和靠 近热影响区的树枝状晶体 ( 图d ) 组成。 在搭接熔覆区的 基体二次 熔化区，出 现了较为粗大的组织特征 ( 图 c ) ， 枝晶的 生长方向基本上垂直于熔道壁，这主要是由于金属凝固时朝着垂直于熔道壁方 向的散热速度较快所致 f 川 。受熔道搭接和 “ 二次加热”效应的影响，搭接区内 的组织出现不均匀，在二次熔化区出现较多的胞状组织. 4 . 3激光熔覆区的显微硬度及其影响因素 4 . 3 . 1 w c - 1 2 c 。 熔覆区的 显微 硬度 - - * -p = 2 . o k w , h p s = 0 . 2 m m - ,w -p = i . 9 k w , h p s = 0 . 2 m m - - 6-p = 1 . 7 5 k w , h p s = 0 . 2 m m -h -p = o . o k w , h p s = o . 2 m m nnnu000q八u八曰 nnuo八u00q八u 6.组q乙086月1，一 主侧澎 0 . 0 5 0 . 1 5 0 . 2 5 0 . 3 5 0. 45 熔覆区深度( n im ) 5 5 0 . 6 5 0 . 7 5 图4 -1 6 w c - 1 2 c o 熔覆区显微硬度曲 线 图 4 -1 6中为 w c - 1 2 c o喷涂层的厚度 h p , =0 . 2 m m ， 激光功率 p分别为 o k w , 1 . 7 5 k w , 1 . 9 0 k w 和2 . o r 时w c - 1 2 c o 熔覆区的显微硬度分布曲线。虽然熔覆层 的 硬度曲 线随激光功率的改变有所不同， 但其分布的规律是一致的， 从硬度曲 线可以反映出激光熔覆区的三个组织区域: 激光熔覆层的显微硬度是最高的，熔 化区显微硬度次之，基体热影响区的硬度要比基体原始硬度高一些，整个硬度 曲 线的趋势是随 着距基体 距离的减小，显微硬度逐渐下降。比 较 w c - 1 2 c o熔覆 层和 w c - 1 2 c 。 喷涂层的显微硬度:w c - 1 2 c 。 熔覆层的最高显微硬度值为 1 3 5 4 h v , 而 w c - 1 2 c o 喷涂层显微硬度最高值为 7 8 4 h v ，即 w c - 1 2 c o 熔覆层具有比w c - 1 2 c o 第四章实验结果及分析 喷涂层高得多的硬度。w c - 1 2 c 。 熔覆区高硬度获得的主要是因为: w c - 1 2 c 。 熔覆 层中本身 含有大量硬度很高的弥散分布的w c 粒子; 钻和w c 形成的 共晶组织 亦有较高的强度; 熔覆层组织比较细致，消除了等离子喷涂中的气孔及裂纹; c o 熔化后与基休互熔 ， 固熔强化作用使熔覆层硬度有所提高: w c - 1 2 c o 熔覆 层硬度由表及里先升后降的原因是因为在熔覆层最表面获得的能量较多，温度 较高，导致 w c 的分解和烧损， w c颗粒亦趋粗大且较稀疏，故其硬度略低于熔覆 层内部:由于 熔覆层内部吸收的能量较低，_ 匕 述情况得到改善，w c颗粒密度比 较大、组织比较细小且分布均匀，所以硬度最高。热影响区的硬度由于相变强 化作用其硬度大约在4 0 0 - 4 7 0 h v 之间， 基体硬度约3 6 0 - 3 8 0 h v o 4 . 3 . 2 4 5 c 熔覆区的显微硬度 图4 - 1 7 为 涂 层 厚 度h p s 0 .5 m m ， 激 光 功 率 分 别 为1 .3 k w , 1 .5 5 k w, 1 .7 5 k w 和 1 . 9 k w 时 4 5 c熔覆区的显微硬度分布曲线。与 4 -1 7 图相似，4 5 c熔覆区的 显微硬度也分别对应激光熔覆区的三个组织区域:熔覆层显微硬度最高，熔化 区次之，热影响区的显微硬度比基体硬度要高。在任一种激光功率下 4 5 c熔覆 区的显微硬度都要高于 4 5 c喷涂层的显微硬度。4 5 c熔覆区的最高显微硬度为 1 3 0 0 h v , 而4 5 c喷涂层的显微硬度最高 值为7 1 2 h v 。可见4 5 c熔覆层的显微硬 度要高出4 5 c喷涂层显微硬度很多。 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 口 叫 卜 -p = 1 . 3 k w , h p s = 0 . 5 m m b -p = 1 . 5 5 k w , h p s - 0 . 5 m m - - a - p - 1 .17 5 k w , h p s = 0 . 5 m m -n -p = 1 . 9 k w , h p s = o . 5 m m -* - -p = o . o k w , h p s = 0 . 5 m m 2 5 0 . 3 5 0 . 4 5 0 . 5 5 0 . 6 5 熔植区深度 ( 咖) 4 5 c 熔覆区显微硬度 巨050l5 主侧裂 图 4 -1 7 4 . 3 . 3影响 熔覆区显微硬度的因 素 4 . 3 . 3 . 1激光功率对熔覆区显微硬度的影响 1 .激光功率对 w c - 1 2 c o 熔覆区显微硬度的影响 图4 -1 8 为 激光功率分别为2 . o k w , 2 . 1 0, 2