（材料加工工程专业论文）激光熔覆陶瓷相颗粒增强fe基熔覆层的研究.pdf

illllllliflllllllij i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l u f y 17 9 3 3 8 7 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑生鱼：日期： 丝! ! ：l 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立丝导师签名：蚺日 期：生坐蛆 一 山东大学硕十学位沦文 目录 目录l 摘要i l i a b s t r a c t v 第l 章绪论。l i i 课题的研究背景l 1 2 激光熔覆技术简介。2 1 3 激光熔覆合金粉末4 1 3 1 自熔性合金粉末4 1 3 2 氧化物陶瓷粉末6 1 3 3 复合粉末6 1 4 颗粒增强铁基耐磨合金的研究现状7 1 5 硬质颗粒的选择与添加方法l l 1 6 本文的研究目的和主要内容1 3 1 6 1 研究目的。1 3 1 6 2 主要内容。l3 第2 章试验材料及方法15 2 1 试验材料l5 2 1 1 母材金属1 5 2 i 2 合金粉末l5 2 2 试验方法15 2 2 1 熔覆层的制备l5 2 2 2 组织和性能测试1 7 2 2 3 耐磨损性能测试。l8 第3 章激光熔覆 ：艺参数对熔覆层的影响1 9 3 1 熔覆功率对熔覆层的影响1 9 3 2 扫描速度对熔覆层的影响2 0 3 3 保护气体对熔覆层的影响2 0 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 3 4 预置粉末厚度对熔覆层的影响2 1 3 5 搭接率对多道搭接熔覆层的影响2 l 3 6 本章小结2 3 第4 章合金粉末对f e t i v - c 熔覆层组织和性能的影响2 4 4 1 熔覆层生成物的热力学分析2 4 4 2 钛铁、钒铁加入量的影响2 5 4 3 铬铁加入景的影响3 0 4 4 钼铁加入量的影响3 6 4 5 硼铁加入量的影响4 0 4 6 本章小结4 6 第5 章f e - t i v - m o c r - c 熔覆层的制备一4 8 5 1 铬铁加入量对f e t i v - m o c 合金系的影响4 8 5 1 1 熔覆层的x r d 分析4 8 5 1 2 熔覆层的显微形貌和能谱分析4 9 5 2 钼铁加入量对f e t i v - c r - c 合金系的影响5 3 5 2 1 熔覆层的显微硬度分布一5 3 5 2 2 熔覆层的耐磨性5 4 5 3 本章小结5 6 第6 章结论5 7 参考文献5 9 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 6 h 山东大学硕十学位论文 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 摘要 在冶金、矿山、建材、化工、煤炭等行业，磨损造成的损失占生产成本相当 大的比例，因而在工件表面熔覆一层耐磨层以提高其表面的耐磨性，具有巨大的 经济和社会效益。本文采用激光熔覆和原位自牛技术，在q 2 3 5 低碳钢母材表面 制备了t i c v c m 0 2 c 复合颗粒增强的f e 基耐磨熔覆层，利用光学显微镜、x 射 线衍射仪( x r d ) 、电子探针( e p m a ) 、扫描电镜( s e m ) 、显微硬度计以及滑 动磨损试验机等测试分析手段，系统研究了激光熔覆层的显微组织和性能。 研究了熔覆功率、扫描速度、预置粉末厚度、多道搭接率等对熔覆层表面成 形及性能的影响。研究结果表明，当激光熔覆工艺参数为熔覆功率2 5 0 0 w 、扫 描速度5 m m s 、光斑直径3 m m 、保护气体流量1 5 - 2 0 l m i n 、预置粉末厚度约 1 0 m m 、多道问搭接率约3 0 时，熔覆层具有较好的表面成形，同时能够实现大 面积熔覆。 研究了合金粉末的不同组分及加入量对熔覆层组织和性能的影响。钛铁、钒 铁、铜铁的加入，通过与石翠的原位合成反应，可以在熔覆层中生成大量的碳化 物颗粒，从而起到颗粒增强作用。但是，当这些合金粉末加入量超过一定量后， 增加了熔体的粘度而降低了熔体的流动性，使熔覆层成形变差，甚至出现裂纹。 硼铁的加入可以细化熔覆层的硬质相颗粒，且使基体组织由针状铁素体向珠光体 和高碳马氏体组织转变。铬铁的加入可以使铬与铁固溶形成固溶强化，提高了熔 覆层基体的硬度，但是，铬铁加入量超过一定量后，会导致基体中脆而硬的低温 莱氏体产生，进而增加了熔覆层的裂纹倾向。 采用钛铁( f e - t i 4 0 ) 、钒铁( f e v 5 0 ) 、硼铁( f e b 1 6 ) 、钼铁( f e m 0 6 0 ) 、 铬铁( f e - c r 7 0 ) 等粉末制备山t i c v c m 0 2 c 复合颗粒增强f e 基熔覆层，表面 成形较好，内部无夹渣、裂纹等缺陷，组织细密，硬质相分布均匀弥散。复合熔 覆层的耐磨损机制主要为显微切削和局部的疲劳脱落引起的粘着脱落。由丁熔覆 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 层具有较高的平均显微硬度( 110 2 5 h v o 3 ) ，使得熔覆层在磨损过程中难于发生 塑性变形，因而具有优异的耐磨损性能。在相同试验条件下，复合熔覆层的磨损 失重约为母材的1 2 0 ，即熔覆层的耐磨性约为q 2 3 5 母材的2 0 倍。 关键词：激光熔覆；t i c v c m 0 2 c 显微组织；耐磨损性能 i v 山东大学硕十学位沦文 r e s e a r c ho nl a s e rc l a d d i n gf e - b a s e dc o a t i n gr e i n f o r c e db y c e r a m i cp h a s e p a r t i c l e s i nt h ef i e l do fm e t a l l u r g y , d i g g i n g s ，b u i l d i n gm a t e r i a l s ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ， c o a lm i n ea n ds oo n ，t h ee c o n o m i cl o s sc a u s e db yw e a ro c c u p i e sah u g ep r o p o r t i o no f t h ep r o d u c t i o nc o s t t h e r e f o r e ，i th a sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st oo v e r l a ya l a yo fw e a r - r e s i s t a n tc o a t i n go ns u r f a c eo fw o r k p i e c ei no r d e rt oi n c r e a s ei t sw e a r r e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r ，f e - b a s e dc o a t i n g sr e i n f o r c e db yc o m p o s i t ec a r b i d e so f t i c - v c - m 0 2 cw e r ep r o d u c e db yu s eo fl a s e rc l a d d i n ga n di n - s i t us y n t h e s i st e c h n o l o g i e s o ns u r f a c eo fl o wc a r b o ns t e e lo fq 2 3 5s u b s t r a t e m o r e o v e r , m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h ec l a d d i n g c o a t i n g sw e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db ym e a n so f o p i t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，x r a y d i f f r a c t o m e t e r ( x r d ) ， e l e c t r o n p r o b e m i c r o a n a l y s e r ( e p m a ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，m i c r o - h a r d n e s st e s t e r a n dd r ys li d i n gw e a rt e s t e r t h ei n f l u e n c e so fl a s e rc l a d d i n gp o w e r , s c a n n i n gs p e e d ，t h i c k n e s so fp r e - p l a c e d p o w d e r , o v e r l a p p i n gr a t i oo fm u l t i p a s sl a y e r sa n ds oo nw e r er e s e a r c h e do nt h e c o a t i n g s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h ec o a t i n g sw e r ep r o v i d e dw i t he x c e l l e n ts u r f a c e f o r m a t i o na n df a b r i c a b i l i t yw i t hl a r g ea r e a sw h e nt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ea t l a s e rc l a d d i n gp o w e ro f2 5 0 0 w , s c a n n i n gs p e e do f5 m m s ，f l o wr a t eo fs h i e l d i n gg a s o f15 - 2 0 l r a i n ，t h i c k n e s so fp r e - p l a c e dp o w d e ro fa b o u t1 0 m ma n do v e r l a p p i n gr a t i o o fa b o u t3 0 t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tc o n s t i t u e n t sa n dt h e i rc o n t e n t si nt h ea l l o yp o w d e r s w e r ea l s os t u d i e do nt h ec o a t i n g s p l e n t yo fc a r b i d ep a r t i c l e sw e r eg e n e r a t e dw i t h a d d i t i o no fa l l o yp o w d e r sa sf e r r o t i t a n i u m ，f e r r o v a n a d i u m ，f e r r o m o l y b d e n u m ，w h i c h p l a y e dai m p o r t a n tr o l ei nw e a r - r e s i s t a n tc o a t i n gb yp a r t i c l es t r e n g t h e n i n g h o w e v e r , w h e nt h ec o n t e n tw a sb e y o n dad e f i n i t es t o r eo fq u a n t i t y , t h em e l tm i g h th a v eh i g h e r v i s c o s i t ya n dw o r s em o b i l i t y , t h e nt e r r i b l es u r f a c ef o r m a t i o na n dh i g hc r a c ks e n s i t i v i t y v 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 a p p e a r e di nt h ec o a t i n g f e r r o b o r o na d d i t i o nm i g h tr e f i n et h es i z eo fc e r a m i cp a r t i c l e s , w h i c hc h a n g e dm i c r o s t r u c t u r eo fm a t r i xf r o ma c i c u l a rf e r r i t et op e a r l i t ea n dh i g h c a r b o nm a r t e n s i t e f e r r o c h r o m i u ma d d i t i o nc o u l dm a k ec rs o l u t ew i t hf et of o r ma p o s i t i v ee f f e c to fs o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g w h e nf e r r o c h r o m i u mc o n t e n tw a sb e y o n da d e f i n i t es t o r eo fq u a n t i t y , f r a g i l ea n dh a r dl e d e b u r i t e ，w h i c hi n c r e a s e dt h ec r a c k s e n s i t i v i t yo f t h ec o a t i n g ，e m e r g e di nt h ec o a t i n g t h r o u g hc l a d d i n ga l l o yp o w d e r sc o n s i s t e do ff e r r o t i t a n i u m ，f e r r o v a n a d i u m ， f e r r o b o r o n ，f e r r o m o l y b d e n u m ，f e r r o c h r o m i u m a n ds o o n ，c o m p o s i t ec o a t i n g r e i n f o r c e db yh a r dp a r t i c l e so ft i c - v c m 0 2 cw a sp r e p a r e d c o m p o s i t ec o a t i n gw i t h e x c e ll e n ts u r f a c ef o r m a t i o nw a s s l a g - f r e ea n dc r a c k f r e e f u r t h e r m o r e ，i tw a sp r o v i d e d w i t hc o m p a c tm i c r o s t r u c t u r ea n dw a sw i t hau n i f o r md i s t r i b u t i o no fh a r dc e r a m i c p a r t i c l e s t h ea b r a s i o nm e c h a n i s mo fc o m p o s i t ec o a t i n gw a sm i c r o - c u t t i n ga n dl o c a l a d h e s i v ew e a rc a u s e db yf a t i g u ea b s c i s s i o n c o m p o s i t ec o a t i n go w n e dh i g hm i c r o h a r d n e s s ( 110 2 5 h v o3 ) a n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nw a sh a r dt oo c c u ri ni t ，t h e r e f o r e ，t h e c o a t i n gw a sp r o v i d e dw i t hq u i t ep e r f e c tw e a rp r o p e r t i e s u n d e rt h es a m e w e a r c o n d i t i o n ，t h ew e i g h tl o s so fc o m p o s i t ec o a t i n gw a so n l ya b o u t1 2 0o ft h a to fq 2 3 5 s u b s t r a t e k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；t i c - v c m 0 2 cc a r b i d e s ；m i c r o s t r u c t u r e ；w e a rp r o p e r t i e s v l 山东大学硕十学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 磨损是一种普遍存在的现象，凡两个相互接触并有相对运动的表而都会产生 磨损。磨损是机械零件失效的主要形式之一，根据不完伞统计，能源的! 3 - i 2 消耗于摩擦与磨损，对材料来说，约8 0 的零件失效是磨损引起的。在冶金、矿 山、建材、化工、煤炭等行业，磨损占生产成本相当大的比例，如矿山在碎矿、 磨矿过程巾所消耗的磨损材料约占选矿成本的一半。而且，世界各国每年因腐蚀 和磨损所造成的经济损失约占其国民经济总产值的2 - 4 嘣1 l 。 早在卜世纪8 0 年代后期，美国商业部就将表而工程技术列入影响2 l 世纪人 类生活的七人关键技术之一，与计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技 术、信息技术和先进制造技术并列。近年来，我国也非常晕视表面工程技术的发 展、创新和应用。表面工程作为现代制造技术的一个重要组成部分，可以针对产 品典型的服役条件，研究材料表面失效机制的特征，设计新的表面，然后选择相 应的表面预加工、表面涂覆、表面改性等单一或复合技术，实现基体、界面与表 面三者之间的优化组合，并在产品制造或工程实施中付诸实现。因此，先进的表 面工程技术应该是集研究、设计、制造、维护为一体的系统工程。不断改革创新 的表面技术，还将对表面微细7 j n t 技术、表面合成新材料技术及其他高新技术领 域的发展发挥重要的作用【2 】。 按照表面工程技术的特点1 3 4 1 ，可将其分为：( 1 ) 表面涂镀技术。利用外加 熔覆层或镀层的性能使基材表而性能优化，基材基本上不参与涂、镀层的反应。 如涂料涂装、热浸镀、热喷镀、电镀、化学镀和气相沉积等。( 2 ) 表面扩渗技术 将原子或离子渗入基体材料的表面，改变基体表面的化学成分，从而达到改变其 性能的目的。如化学热处理、化学转化膜、阳极氧化和表而合金化等。( 3 ) 表而 处理技术。通过加热或机械处理等方法，在不改变材料主要化学成分的情况下， 使其结构发生变化，从而改变其性能。如表面淬火、激光晕熔和激光熔覆等。 表而涂镀技术具有设备投资少、生产费用低、原材料的利用牢高、工艺实施 具有连续性、易于实现自动化生产等优势，但是目前依然存在着沉积速率低，生 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 产周期长的缺点。通过提高表面层的抗腐蚀、抗氧化、抗粘着、抗咬合、减摩、 降摩、耐热等性能，表面扩渗技术虽然能够节约贵重金属，降低生产成本，但是 多数表面扩渗工艺较复杂，处理周期长，对设备要求较高。相比上述两种表面工 程技术，表面处理技术由于具有灵活性好、适应性强、可处理大的工件与深孔、 可用于流水线生产等优势，正逐步成为材料表面强化技术的研究方向。 表面处理技术是利用各种物理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得 特殊的成分、组织和性能，以提高其表面的耐热、耐蚀、耐磨等性能，延长其使 用寿命的一种方法。其最大的特点是在不改变基体材料成分的前提下，通过某种 工艺手段赋予材料表面不同于基体的组织结构和化学组成，从而达到既保留基体 力学性能又获取材料的特殊表面性能的目的，以满足工程上提出的技术、经济、 外观等要求。通过表面处理技术，可以节约贵重金属、降低牛产成本、延长产品 的使用寿命1 5 6 j ，从而满足人民生活和工业生产的需要，提高产品在国内外市场 上的竞争力。 激光熔覆技术，是把所设计配制的合金粉末，经激光束熔化，成为熔覆层的 主体合金【7 l 。作为一种典型的表面处理技术，激光熔覆技术具有较为广泛的应用 前景，在普通碳钢表面堆焊一层颗粒增强铁基熔覆层，可以大幅度提高表面的耐 磨损性能。在实际生产中，激光熔覆技术可用于延长各种易磨损部件的使用寿命， 还可以用于磨损部件的修复工作1 8 l ，因而，此类耐磨熔覆层的制备技术具有重要 的经济价值和工程应用l j 景。 1 2 激光熔覆技术简介 激光熔覆技术，就是采用高能激光束在金属基体农血熔覆一层薄的硬度高、 热稳定性好、与基体形成良好冶金结合的复合熔覆层的工艺1 9 j 。熔覆材料可以是 金属和合金，还可以是非金属，也可以是化合物及其混合物，这是其他表面技术 难以实现的。在熔覆过程中，熔覆层与母材表面通过熔合结合在起。激光熔覆 的方式与激光合金化相似，与常规的表而熔覆工艺相比，激光熔覆具有熔覆层成 分几乎不受基体成分的干扰和影响、熔覆层厚度可以准确控制、熔覆层与基体的 结合为牢靠的冶金结合、稀释度小、加热变形和热作用区也很小、整个过程容易 实现在线自动控制等特点1 1 0 - 1 2 1 。激光熔覆的目的在于提高工件表而的耐蚀、耐磨、 2 山东大学硕十学位论文 耐热及其他功能。 激光熔覆工艺参数主要包括激光熔覆功率、光斑直径、激光束扫描速度、多 道搭接率、加工表面的置粉方式以及保护方式等。上述工艺参数对熔覆层的表面 成形、显微组织和性能起关键作用。z h o u 等t , s l 乖u 用快速激光感应复合熔覆的方 法制备了w c 增强镍基熔覆层，分析了激光工艺参数( 激光比能量、粉末密度、 母材的预热温度和类型等) 对熔覆层显微组织和性能的影响。研究表明：激光比 能景、熔覆层高度、接触角与粉末密度呈线性关系，因为根据单道熔覆层的几何 特性，可以预设激光工艺参数的数值。同时，复合熔覆层的稀释率随着激光比能 量和母材的预热温度的增加而增大，却随着粉末密度的增加而减小。复合熔覆层 的稀释率与母材的类型也有着较大的关系，主要取决于母材的热物理性能。 激光熔覆过程是一个远离平衡态的快冷快热的复杂物理、化学冶金过程。按 照往加工表而置粉方式的不同，激光熔覆工艺可以分成两类1 1 4 ，1 5 1 ：一类是激光处 理前供给添加材料，另一类是激光处理过程巾供给添加材料，它们的示意图如图 1 1 。第一类称为预置粉末法，可以用于粘结、火焰喷涂和等离子喷涂等。第二 类称为i 一步送粉法。预置粉末法是先将粉末与粘结剂( 如稀的水玻璃溶液、漆片 酒精溶液等) 混合后涂在母材表面，干燥后进行激光熔覆试验；同步送粉法则是 在激光束照射到母材表面的同时以侧向或垂直方向送粉，粉末熔化后母材微熔， 冷却后得到熔覆层。 ( a ) 预置粉末法( b ) 同步送粉法 图1 1 激光熔覆! i ：艺的两种类型 f i g i it w ok i n d so fl a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u e s ( a ) p r e p l a c e dp o w d e rm e t h o d ( b ) s y n c h r o n o u sp o w d e rf e e dm e t h o d 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 1 3 激光熔覆合金粉末 激光熔覆合金粉末的设计在满足所需表面改性技术要求的同时，还要考虑到 熔覆层与基材线膨胀系数及导热性的匹配、熔覆层与基材熔点的匹配和熔覆材料 对基材的润湿性，还要考虑到合金粉末在熔化过程中的造渣造气以及合金粉末的 熔点高低，一般熔点越低，熔池流动性越好，越有利于得到平整光滑的熔覆层。 常用激光熔覆合金粉末主要可以分为：自熔性合金粉末、氧化物陶瓷粉末和复合 粉末1 1 6 - 1 8 。 1 3 1 自熔性合金粉末 自熔性合金粉末是指合金中加入了硼和硅等元素的熔覆用合金材料。这种合 金材料在熔覆过程中具有白脱氧性能和白造渣性能，即白熔性。丰要是因为合金 熔化时，硅与硼分别形成s i 0 2 、b 2 0 2 ，并在覆层表而形成覆膜，一方而防i 卜合 金巾的元素被氧化，另一方面又能与这些元素的氧化物形成硼硅酸熔渣，从而获 得氧化物含量低、气孔率小的覆层。该合金对基材有较大的适应性，可用于大部 分基材，包括各类碳钢、合金钢、含磷易切削钢、不锈钢和铸铁类材质。 激光熔覆自熔性合金主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金和w c ( 碳化物) 型自熔性合金等。此外，材料科研人员还研究开发了铜基合金、银基合金、非晶 态和准晶态熔覆层等l l 钆2 l l 。 ( 1 ) 钴基自熔性合金 激光熔覆钴基合金适用于要求耐磨、耐蚀以及抗热疲劳的零件。钴基合金润 湿性较好，其熔点比碳化物低，受热后c o 元素最先处于熔化状态，而在凝固时， 它最先与其他元素结合形成新的物相，对熔覆层的强化极为有利。钻基合金在成 分设计上，品种比较少，所用的合金元素主要是c r 、w 、f e 和n i 等，另外通过 添加b 、s i 可以形成自熔合金。 ( 2 ) 镍摹自熔性合金 镍基合金粉末以其良好的浸润性、耐蚀性、高温自润滑性，其机械性能优良， 在激光熔覆技术中应用较广，它适用于局部要求耐磨、耐热蚀及抗热疲劳的零件 镍基合金的激光熔覆原理是运用m o 、w 、c r 、c o 、f e 等元素进行奥氏体同 4 山东大学硕十学位论文 溶强化；运用a i 、t i 、n b 、t a 获得金属间化合物y 相沉淀强化；添加b 、z r 、c o 等元素实现品界强化。激光熔覆镍基合金粉末的合金元素选择也是基于以上几个 方面来进行的，但考虑到激光熔覆工艺的特点，合金元素的添加量有所差别。 n i c r s i b 作为应用最广泛的镍基合金之一，通过增加其成分中n i 的含量， 可使裂纹敏感性明显下降。原因在于n i 为强扩大奥氏体相区元素，增加合金中 n i 含量，会增加合金中韧性相的含量，进而使得熔覆层塑性增加：n i 含量的增 加还会降低熔覆层的线膨胀系数，从而降低熔覆层中的残余应力，减少裂纹和缺 陷的产生。 ( 3 ) 铁基自熔性合金 铁基合金作为激光熔覆材料始于2 0 世纪7 0 年代，适用于要求局部耐磨且容 易变形的部件，基材多为铸铁和低碳钢，其最大优点是成本低且耐磨性能好。一 般铁基合金的成本是镍基合金的1 4 1 5 ，是钴基合金的! 8 1 9 ，开发铁基合金 材料具有显著的经济效益。另外，目前需要大量进行修复及表面改性处理的工件 是铁基材料，采用铁基熔覆材料，熔覆层与基体具有良好的润湿性，可以有效解 决激光熔覆层剥落问题，l 司时降低了对稀释率的，虻格要求1 2 2 1 ，也有利于激光熔覆 工艺参数具有更大的选择范围。 铁基合金缺点也较多，比如熔点高，自熔性差，抗氧化性差，流动性不好， 熔覆层内气孔夹渣较多，这些缺点也限制了它的应用。在铁基合金激光熔覆过程 巾，s i 和b 的加入对熔覆层的表面成形和缺陷有显著影响。以母材为低碳钢为 例，当合金粉末中不含s i 和b 时，熔覆层组织中有大量的气孔夹渣、氧化严重、 表面基本不成形。合金粉末只加入s i 时，熔覆层组织由树枝晶和共晶碳硅化物 组成，但存在夹渣，随着硅含量增加，夹渣减少而碳化物明显增加。当合金粉末 只加入b 时，熔覆层组织由细小的树枝晶和共晶碳硼化物组成，夹渣相对较少， 且硼含最越多夹渣越少，合金碳化物和硼化物特征更明显，但局部可以观察到裂 纹。当合金粉末中同时加入s i 和b 时，夹渣含量介于只加s i 和只加b 之间，且 有较多的合金碳化物，熔覆层的表面成形明显改善，界面形成良好的冶金结合。 铁基合金激光熔覆设计时，合金粉中的脱氧造渣元素s i 和b 是必不可少的，否 则不能保证熔覆层的成形。其中，s j 更利于铁摹合金激光熔覆层表面成形，研究 表明，s j 和b 含量增加均有利于改善熔覆层的表而成形。s i 和b 都可以提高铁 5 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 基激光熔覆层的硬度，其中含b 的熔覆层可形成铁硼共晶和硼碳化合物，b 对熔 覆层的强化作用比s i 要大。铁基激光熔覆合金粉末巾，只加入s i 时熔覆层易产 生较多的夹渣，但只加入b 则增加熔覆层的脆性而使熔覆层产生裂纹。当s i 和 b 共同作用时，既可减少熔覆层中裂纹的敏感性，又可强化熔覆层【2 3 】。 1 3 2 氧化物陶瓷粉末 尽管金属陶瓷材料有着诸多优异的性能，受到人们的重视，但在应用中存在 的问题仍不容忽视。首先，陶瓷材料与基体金属的线胀系数、弹性模量及热导率 等性能差别较大，这些不匹配会造成熔覆层中出现裂纹和孔洞等缺陷，在使用中 将产生开裂、剥落损坏等现象。其次，由于激光辐照时，激光熔池中形成的高温， 基体熔体和颗粒间的相互作用以及颗粒加入引起熔池中能量参数的改变等，使熔 覆层成分和组织发生不同程度的变化导致颗粒的部分溶解，进而影响基体的物相 组成，使原设计的熔覆层基体和增强相不能充分发挥各自的优势l 叮造成烧损。因 而，目前对氧化物陶瓷粉末的研究较少。 1 3 3 复合粉末 在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重等苛刻的条件下，单纯的镍基、钴基、 铁基自熔性合金已不能满足使用要求，此时可在上述自熔性合金粉末中加入各种 高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷颗粒，制成了复合粉末。复合粉 末又可分为碳化物复合粉末和白粘结复合粉末。 碳化物复合粉末是由碳化物硬质相与金属或合金作为粘结相所组成的粉末 体系，可分为( c o 、n i ) w c 和州i c r 、n i c r a i ) c r 3 c 2 等系列。这类粉末巾的粘结 相能在一定程度上使碳化物免受氧化和分解，特别是经预合金化的碳化物复合粉 末，能获得具有硬质合金性能的熔覆层。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料，具 有较高的硬度和良好的耐磨性，其中( c o 、n i ) w c 系适用于低温( 9 8 ，保护气体流 量为1 0 2 0 l m i n 。 图2 1d l - h l - t 5 0 0 0 掣c 0 2 气体激光器 f i g 2 1d l - h l t 5 0 0 0c 0 2l a s e rm a c h i n e 激光熔覆层包括两种类型：单道熔覆层和多道搭接熔覆层，示意图见图2 2 制备单道熔覆层主要用于观察熔覆层的表而成形，各种元素的加入与加入量多少 对熔覆层显微组织的影响。制备多道搭接熔覆层则主要用于分析搭接率对熔覆层 表面成形和组织的影响，搭接率过小会导致熔覆层搭接刁i 上，搭接率过大会导致 相邻部位的过量搭接，引起组织粗大，凶而必须选择一个合适的搭接率。多道搭 接熔覆层还用于磨损试样的制备、比较单道熔覆层组织的变化。 1 6 山东大学硕十学位论文 。图2 2 单道和多道搭接熔覆层的截面示意图 f i g 2 2s e c t i o ns c h e m ao fo n e p a s sa n dm u l t i - p a s so v e r l a p p i n gl a y e r s 2 2 2 组织和性能测试 ( 1 ) 试样制备方法 根据不同试样要求，分别采用j 0 7 8 0 1 型电火花线切割机、e n c - 4 0 0 型c n c 划片切割机等，沿横断面或纵断面将熔覆层制备成所需尺寸和形状的试样。 x 射线衍射试样：沿熔覆层的纵向切割试样，试样大小约为1 0 r a m 1 0 m m 8 r a m ，先用砂轮机打磨平熔覆层表面，再将打磨后的熔覆层在4 0 0 目的金相砂 纸上研磨，直至表面平整，最后用丙酮擦拭掉表面的杂质。 金相试样：沿熔覆层纵向切取一个完整的熔覆层，镶嵌后，依次用4 0 0 目、 6 0 0 目、8 0 0 目和l0 0 0 日的金相砂纸研磨熔覆层截面，再用2 5 p m 粒度金刚石抛 光剂抛光，冲洗t 净后吹干并采用4 硝酸酒精溶液进行腐蚀。 s e m 及电了探针试样：类似于金相试样的制备，为了保证试样表而的洁净， 测试前预先用超声波设备进行清洗。只是在制备s e m 试样时，要对试样进行重 度腐蚀，以便更好地观察熔覆层的微区形貌：制备电子探针试样时，抛光后即可， 不需要腐蚀试样。 ( 2 ) 组织及微区形貌的观察与分析 x 射线衍射：熔覆层的物相组成分析采用日本理学电机d m a x r b 型x 射线 衍射仪( x i m ) ，衍射采用c u 的k a 射线( 扣o 1 5 4 0 6 0 n m ) ，加速电压为4 0 k v ， 电流为5 0 m a ，衍射范围为2 0 01 0 0 0 ，扫描速度为4 0 m i n ，步长0 0 2 0 。 光学显微镜：采用l e i c a m e f 4 m 型光学显微镜观察熔覆层表面到熔合区 的金相组织。 电子探针和扫描电镜：根据试验的不同需求，分别采用j x a 8 8 0 0 r 型电子 探针、j s m 6 4 8 0 l a 型扫描电镜以及h i t a c h is u 7 0 型热场场发射扫描电镜观察 1 7 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 熔覆层的微区形貌，并对熔覆层的典型区域进行了点成分、线扫描和面扫描的能 谱分析。 ( 3 ) 显微硬度测试 采用d h v - 1 0 0 0 型数显维氏硬度计测试了熔覆层的显微硬度，所用载荷为 2 9 4 n ，加载时间1 5 s 。沿最大熔深方向南熔覆层的表面至热影响区每隔o i m m 测试一次，进而分析熔覆层显微硬度的大小和分布趋势。 2 2 3 耐磨损性能测试 磨损试样的加工采用j 0 7 8 0 1 型电火花线切割机，加工好的试样尺寸包括两 种：一种是单道熔覆层，其尺寸为2 7 m m 1 0 m m x 3 m m ；另一种是多道搭接熔 覆层，尺寸为3 0 r a m 1 0 m m 7 m m 。用4 0 0 目的砂纸将熔覆层表面磨至平整。 磨损试验采用m m 2 0 0 0 型环块滑动磨损试验机，其试验装置示意图如图2 3 加载载荷为1 0 0 n ，磨轮转速为4 0 0 r m i n 。动磨轮为w 18 c r 4 v 调质钢材质，其外 径4 0 m m ，内径2 0 m m 。 1 3 磨损试样 磨轮 图2 3 环块磨损试验装配示意图 f i g 2 3a s s e m b l es c h e m a t i co fb l o c k - o n - r i n gw e a rt e s t 山东大学硕十学位论文 图2 4 磨损后的试样示意图 f i g 2 4s a m p l es c h e m aa f t e rt h ew e a rt e s t 图2 4 是熔覆层经过一定时间滑动磨损后的表面形貌，采用失重法来评价熔 覆层的耐磨损性能。在磨损试验过程中，每隔5 m i n 利用电子天平( 最小称重 d = o 1 m g ) 称量一次熔覆层的质量，总磨损时间为2 5 m i n 。 1 9 激光熔覆陶瓷相颗粒增强f e 基熔覆层的研究 第3 章激光熔覆工艺参数对熔覆层的影响 在激光熔覆过程中，工艺参数对熔覆层的表面成形与性能有较大影响，不同 的熔覆材料也要求有相应的工艺参数与之匹配。本章选用熔覆粉末组成包括：钛 铁加入3 0 w t 、钒铁加入l o w t 、石墨加入5 w t 、剩余为纯铁粉，着重研究 了熔覆功率、扫描速度、预置粉末厚度、多道搭接率等对熔覆层的影响，并制备 出了一组适用于本文所研究合金系的激光熔覆工艺参数。 3 1 熔覆功率对熔覆层的影响 试验使用的横流c 0 2 激光器能够达到的最小光斑直径约为3 m m ，功率密度 等于激光熔覆的功率除以光斑的面积，为了确保较高的功率密度以及不同工艺参 数所制备熔覆层的可比性，试验选用光斑直径为3 m m 。图3 1 ( a ) 是采用2 0 0 0 w 熔覆功率、5 m m s 扫描速度、1 o m m 预置粉末厚度制备的三道搭接熔覆层。由图 明显看出，熔覆层的表面成形并不好，其表面多为“瘤”状的疙瘩聚集在一起，没 有很好的铺展开。扫描速度不变，当增加熔覆功率到2 5 0 0 w 时( 图3 1 ( b ) ) ， 熔覆层的外表成彤得到很大改善，在保护气气流的作用下，表面呈现单向的波纹 状，且熔覆层连续性较好，熔池得到很好的铺展。再增加熔覆功率到3 0 0 0 w 时， 熔覆层成形较好，但由于功率密度过大会导致熔覆层稀释率增大，大量母材金属 进入熔池稀释了熔覆层，不利于熔覆层硬度的提高。 图3 1 不同功率卜的熔覆层表面成形( a ) 2 0 0 0 w ( b ) 2 5 0 0 w ( c ) 3 0 0 0 w f i g 3 1t h es u r f a c ef o r m a t i o no f l a s e rc l a d d i n gl a y e r sw i t hd i f f e r e n tp o w e r 山东大学硕十学位论文 3 2 扫描速度对熔覆层的影响 扫描速度反应了激光束与材料袭面的作用时间，它的大小对熔覆层农面成形 具有较大影响，过大或过小都不合适。在激光熔覆功率为2 5 0 0 w 的条件下，采 用2 m m s 、5 m m s 以及1 0 m m s 的扫描速度制备了三道熔覆层，如图3 2 所示 由图可以看出，扫描速度选用l0 m m s 时，熔覆层表面显得不连续，且两侧出现 较多的夹渣。当扫描速度选用2 m m s 与5 m m s 时，熔覆层具有较好的外观成形 这主要是由于扫描速度过大即选用1 0 m m s 时，减少了激光束在预置粉末某处的 停留时间，相当于缩短了激光束与材料表血的作用时间，合金粉末表面吸收不到 足够的热量，以至于没有能够完全的熔化，进而导致熔覆层表而成形不好。但扫 描速度选用过小时( v = 2 m m s ) ，由于增加激光束与材料表面的作用时间，合金 粉末能够从中吸取足够的热量而熔化，但是过多的热量会导致基材过度熔化，进 而增大了熔覆层与母材的稀释率，降低了熔覆层的使用性能。 图3 2 不同扫描速度卜的熔覆层表面成形( a ) 2 m m s ( b ) 5 m m s