（材料加工工程专业论文）高性能激光成型专用铁基合金的研制.pdf

山东大学硕士学何论文 摘要 激光熔覆及快速成型是利用激光能量分别在工件表面形成高性能改进层和 直接成型零件的独特力n - r _ 方法，是灵活、安全、高效的生产方式。激光熔覆及快 速成型采用的材料主要沿用传统的喷涂系列合金，已不能满足生产实际的需要， 因此研制新型激光熔覆及快速成型专用铁基合金粉末势在必行。 本文通过试验得到一系列高性能激光熔覆及快速成型专用铁基粉末，不仅解 决了熔覆层及成型件的裂纹、气孔等问题，还大幅度提高了其各项性能，包括抗 拉强度、耐磨性、硬度等，满足了实际生产应用的需要。 通过对f e c r c o w c b y 2 0 3 合金粉末在低碳钢表面进行激光熔覆，获得了高c 、 b 含量的无裂纹熔覆层。熔覆层组织由马氏体、残余奥氏体枝晶和枝晶间碳化物 组成；硬度比熔覆基体提高3 倍多，且硬度最高值不在表层，而在距离表面0 3m i i l 处；耐磨性相对基体提高接近2 倍。 不同c o 含量的激光熔覆铁基合金熔覆层中，组织均由f e 0 6 4 n i o 3 6 枝晶基体和 ( f e ，c r ) 7 ( c ，b ) 3 枝晶间增强相组成：含c 0 3 w t 的涂层的枝晶间区域面积分数、界 面附近的微观硬度及界面结合强度比其他两种涂层分别提高了约5 、5 5h v 和3 0 m p a ；界面断裂形貌显示出明显的撕裂状，为韧性断裂。 激光铁基合金成型薄板的组织由多层具有相同特点的结构组成，每层组织由 相互平行且与基板垂直的枝晶及枝晶间化合物组成。c o 可以起到固溶强化的作 用，随c o 含量的增加，熔层的硬度、剪切强度及拉伸强度均增大，c o 含量为4 w t 时拉伸强度最大，达至1 7 7 2 3m p a 。热处理后，枝晶中的固溶强化作用减弱，各 试样的硬度及强度均下降。在1 0 5 0 淬火+ 6 0 0 回火热处理后成型件组织得到 细化，有新相析出。各试样的硬度及强度较3 0 0 回火后均有所提高。 y 2 0 ，加入后使得铁基成型件的显微组织更加细小，针片状的碳化物变为圆 滑的短棒状。当y 2 0 3 含量为0 7 w t 时，熔层的硬度达到最大值9 5 1h v ，熔层的 耐磨性最好。激光熔覆铁基合金的成型性在f e 含量小于9 5 w t 时较好，f e 含量高 于9 5 w t 后越来越差。熔覆层的磨损机制以磨粒磨损为主，其耐磨性也是随着 f e 含量的增加而越来越差。 关键词：激光熔覆；快速成型；裂纹；抗拉强度；耐磨性；硬度 摘要 a b s t r a c t l a s e r c l a d d i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n g i s f l e x i b l e ，s e c u r ea n de f f i c i e n t m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p e do nt h eb a s i so fh i g hl a s e rp o w e r m o s to fl a s e rc l a d d i n ga n dl a s e rr a p i df o r m i n gm a t e r i a l sa r ea st h es a m eo f c o n v e n t i o n a la p p l i e dt e c h n i q u e s i no r d e rt oe x p l o r et h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o nv a l u eo f l a s e rs u r f a c es t r e n g t h e n i n g ，n e wk i n do fc l a d d i n gm a t e r i a ln e e d st ob ed e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , w ed e v e l o p e das e r i e so fh i g hp e r f o r m a n c ef e - b a s e da l l o y su s e d f o rl a s e rr a p i dp r o t o t y p i n g ，w h i c hn o to n l ye l i m i n a t e dt h ec r a c ka n dp o r e ，b u ta l s o i m p r o v e dt h ep r o p e r t i e s ，s u c ha st e n s i l es t r e n g t h ，w e a l r e s i s t a n c ea n dh a r d n e s s l a s e rc l a d d i n gl a y e rw i t h o u tc r a c k st h a tc o n t a i n sh i g hc a r b o na n db o r o nw a s o b t a i n e db yl a s e rc l a d d i n go ff e c r c o w c b y 2 0 3p o w d e r s t h em i c r o s t r u c t u r eo fl a s e r c l a d d i n gc o n s i s t so fm a r t e n s i t ea n dr e s i d u a la u s t e n i t ed e n d r i t i ca n di n t e r d e n d r i t i c c a r b i d e s t h em i c r o h a r d n e s so fl a s e rc l a d d i n gi n c r e a s e so v e r3t i m e sh i g h e rt h a nt h a t o fs u b s t r a t e t h em a x i m u mo fm i c r o h a r d n e s si sn o ta tt h es u r f a c e ，b u ti sl o c a t e di n0 3 r n n lf r o mt h es u r f a c e t h ew e a rr e s i s t a n c eo fc l a d d i n gi sa p p r o x i m a t e l y2t i m e sh i g h e r t h a nt h a to fs u b s t r a t e t h ec o a t i n g sc o n s i s t i n go ff e 0 6 4 n i o 3 6d e n d r i t e sa sm a t r i xa n d ( f e ，c r ) 7 ( c ，b ) 3 i n t e r d e n d r i t i cc o m p o u n d sa sr e i n f o r c e m e n tw e r ef a b r i c a t e db yl a s e rc l a d d i n gu s i n g f e - b a s e dp o w d e r sw i t hd i f f e r e n tc oc o n t e n t s c o m p a r e dw i t ht h ec o a t i n g sc o n t a i n i n g lw t a n d5 w t c oc o n t e n t s t h ec o a t i n gc o n t a i n i n g3 w t c oi n c r e a s e sb y 5 i n t h ea r e af r a c t i o no fi n t e r d e n d r i t i cr e g i o n s ，- 5 5 h vi nt h em i c r o h a r d n e s sn e a r b yt h e i n t e r f a c ea n d 3 0 m p ai nt h ei n t e r f a c i a lb o n ds t r e n g t h t h ei n t e r f a c ef r a c t u r e m o r p h o l o g ye x h i b i t st h et e a ra p p e a r a n c e ，w h i c hc a nb ec h a r a c t e r i z e da st h ed u c t i l e f r a c t u r e t h es t r u c t u r eo ft h i np l a t ei sc o m p o s e do fm u l t i l a y e rs t r u c t u r ew i t ht h es a m e f e a t u r e s ，i nw h i c he v e r yl a y e rs t r u c t u r ec o n s i s t so fp a r a l l e ld e n d r i t et h a ti s p e r p e n d i c u l a rt ot h eb a s ep l a t ea n dt h ei n t e r d e n d r i t i cc o m p o u n d t h et e n s i l es t r e n g t h o fc l a d d i n gc a nr e a c hu pt ot h em a x i m u mv a l u e so f7 7 2 3m p aw i t h4 w t c o c o n t e n ta sar e s u l to fc op r o m o t i n gt h eg r o w t ho fd e n d r i t ea n dt h er e f i n e m e n to ft h e i n t e r d e n d r i t i cc o m p o u n d h o w e v e r , h a r d n e s sa n ds h e a f i n gs t r e n g t ho ft h ep l a t e sa r e d e c r e a s e da f t e rh e a tt r e a t m e n td u et ot h ed e c r e a s eo fs o l u t i o ne l e m e n tc o n t e n t a l t e r n a t i v e l y , t h eh a r d n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ep l a t e sa r eh i g h e rt h a nt h o s eo f3 0 0 。c f f 东大学硕士学位论文 t e m p e r , w h i c hi sa t t r i b u t e dt ot h er e f i n e m e n to fs t r u c t u r ea n dn e wp h a s ep r e c i p i t a t i o n f r o mt h es t r u c t u r ei nt h ep l a t ea f t e r10 5 0 cq u e n c h i n gp l u s6 0 0 。ct e m p e r i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n gc o n t a i n i n g 圪0 3i sf i n e r , a n dt h en e e d l e l i k e c a r b i d ei ss u b s t i t u t e df o rt h es m o o t hr o do n e w h e nc o n t a i n i n g0 7 w t y 2 0 3 t h e m i c r o h a r d n e s so fc o a t i n gi st h eh i g h e s to fa l l ( 9 51h v ) ，a n dt h ew e a rr e s i s t a n c ei sa l s o b e s t t h em o l d a b i l i t yo fl a s e rc l a d d i n gf e b a s e da l l o yi sw o r s ew h e nt h ei r o nc o n t e n t i sa b o v e9 5 w t t h ew e a rp r i n c i p l eo fl a s e rc l a d d i n gi sg r a i na b r a s i o n a n dt h ew e a r r e s i s t a n c ei sa l s ow o r s ea si r o nc o n t e n ti sh i g h e r k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；l a s e rr a p i dp r o t o t y p i n g ；c r a c k ；t e n s i l es t r e n g t h ；w e a r r e s i s t a n c e ；h a r d n e s s 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己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，均己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：盏蘧丑螽 日期：婴2 ：皇。22 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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：盏蠡鑫l 导师签名 日期：趔2 1 颦 本文创新和主要贡献 本文创新和主要贡献 本文主要研制了一系列激光熔覆及快速成型专用铁基合金粉末，这些粉末成 型后无裂纹、气孔，成型性良好，且具有较高的使用性能，能够满足实际生产应 用。其中铁基合金粉末( f e 4 7 n i 3 5 c r l l c 0 5 8 2 s i l 5 c 0 3 ) 熔覆层具有较好的韧性， 结合强度高达3 0 6m p a ；铁基合金粉末( f e 4 7 8 n i 2 8 5 c r l5 c 0 3 8 1 6 s i 2 8 c 0 4 ) 成型 后得到1 4 0 m i n x l o m m x 3 m m 的成型薄壁墙，其表面光滑平整，具有较高的硬度 及强度，拉伸强度最大为7 7 2 3m p a 。 i v l l l 东大学硕士学位论文 暑舅曼曼量皇! 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼蔓皇曼曼皇曼皇! 曼曼曼曼鼍i ii 一一i - - - - i i ii 曼 1 1 激光表面处理 第一章绪论 激光表面处理技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代。在7 0 年代研制出大功率激 光器后，激光表面处理技术开始得到实际应用，并在近十年内得到迅速发展。激 光表面处理技术，是在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力 学性能、冶金性能和物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一 系列性能，以满足各种不同的使用要求。实践证明，激光表面处理技术已因其本 身固有的优点而成为发展迅速、卓有前途的表面处理方法。 激光是一种相位一致，波长一定，方向性极强的电磁波，激光束由一系列反 射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光，从而可以获得极高的功率密度。 激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能 量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化 和冲击作用。随着大功率激光器出现，以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激 光技术进入金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发 展。激光表现出良好的聚焦特性聚焦后的激光在焦点附件可以达到 1 0 1 7 1 0 1 2 w c i l l 。2 以上的能量密度，产生数千度乃至上万度的高温，这就使得激光 可以熔化和汽化任何材料，从而实现各种 h i t 卜4 】。 激光表面改性是利用高能量激光照射工件时对工件表面快速的加热，将光能 转变为热能，进行表面处理的独特加工方法。该工艺的特点是能够有选择地处理 局部表面，可以在不改变材料整体性能的情况下在局部表面得到所需要的性能， 它是激光加工领域中的重要组成部分。激光表面改性用高能量激光束为热源加热 工件，使工件表面在高功率密度( 达到1 0 3 1 0 4 w c m 2 ) 激光的照射下扫描，工件表 面吸收激光照射的能量，光能转变为热能，表面迅速( 作用时间仅在1 0 1 0 0 s 之 内) 被加热到相变温度以上、熔化温度以下，此时工件温度仍处于室温。当光束 移开或光束的能量减少时，能量又迅速以1 0 7 1 0 8 。c s 的冷却速度向金属内部传 导，使加热部分迅速冷却，此过程非常快，致使金属内部保持冷态，从而获得表 第一章绪论 面改性效果，实现不需要额外冷却介质就可以实现相变硬化，达到激光自冷表面 改性。当激光束照射到材料表面的时候，如果材料表面局部区域温度超过材料的 熔化温度，则该区域将会被熔化而成为液体，相应的熔化区域被称为熔池。在激 光材料表面改性过程中，激光熔池形成与否主要取决于激光的强度和照射的时 间。可见，激光表面改性是最简单的表面改性，即用激光对着表面改性部位扫一 遍即可完成【5 8 】。 激光表面处理是采用大功率密度的激光束、以非接触性的方式加热材料表 面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法。它在材料加 工中具有许多优点是其它表面处理技术所难以比拟的【9 1 1 】： ( 1 )能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化。 ( 2 ) 能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后工件变形小。 ( 3 ) 处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线。 ( 4 ) 激光表面改性的效果比普通方法更显著、速度快、效率高、成本低。 激光表面处理是高能密度表面处理技术中的一种最主要的手段，它具有其它 同类技术不能或不易实现的特点，其目的是通过改变表面层的成分和微观结构， 从而改善表面性能。激光表面处理的主要特点： ( 1 ) 安全、清洁、无污染。 ( 2 ) 可快速、局部加热材料并实现局部急热、急冷，获得特殊的表层组 织结构与性能。 ( 3 ) 易于加工高熔点材料、耐热材料、高硬度材料等。 ( 4 ) 可在大气、真空及各种气氛中进行加工。 ( 5 ) 可使用大体上相同的激光设备，通过改变激光波长及其它参数进行 不同的工艺处理。 ( 6 ) 是一种非接触性加工方法，适合自动化生产且生产率高、工件变形 小、可精确控制质量。 从工艺方面来看，激光表面处理主要有激光相变硬化、激光熔融及激光表面 冲击三类，其中，激光熔融具体可分为激光表面熔凝、激光表面合金化和激光表 面熔覆等。本文主要研究激光表面熔覆。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 激光熔覆技术 1 2 1 激光熔覆原理及特点 激光熔覆是材料表面熔融强化技术的一种重要方法，它是利用高能密度激光 束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速熔化，在基体表面形成与基体具 有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程，是集激光加热熔化、熔池中物 质交互作用及快速凝固成型等多学科交叉的一门新技术。同其他表面强化技术相 比，它具有以下优点【1 2 - 1 8 】： 冷却速度快( 高达1 0 6 刚s ) ，组织具有快速凝固的典型特征； 热输入和畸变较小，涂层稀释率低( 一般小于5 ) ，与基体呈冶金结合； 粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金； 能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比； 光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆； 工艺过程易于实现自动化。 1 2 2 激光熔覆方法 根据合金供应方式的不同，激光熔覆工艺可以分为两种( 如图1 1 所示) ， 即合金预置法和合金同步送料法。 1 合金预置法 合金预置法是指将待熔覆的合金材料通过某种方式( 如粘接、喷涂、电镀、 预置丝材或板材等方法) 预先覆盖在基体表面，然后采用激光束在合金预置层表 面扫描，合金预置层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热传导将表 面热量向内部传递，使整个合金预置层及一部分基体熔化，激光束离开后熔化的 金属快速凝固而在基体表面形成冶金结合的合金熔覆层。预置涂层式激光熔覆的 主要工艺流程为：基体熔覆表面预处理、预置涂层材料、预热、激光熔化、后热 处理。 合金材料可以是粉末，也可以是丝材或板材。 2 合金同步送料法 合金同步送料法是指采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将合金材料直 第一章绪论 接送入激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔化，然 后冷却结晶形成合金熔覆层，亦称一步法。合金同步送料法工艺过程简单，合金 材料利用率高，可控性好，可以熔覆甚至直接成型复杂三维形状的部件，是熔覆 技术工业应用的首选方法。目前专门应用于该项技术的送粉设备有自重式送粉 器、刮板式送粉器、刮吸式送粉器、毛细管送粉器等【1 9 之0 1 。对于熔覆面积比较大 的零件可采用同步送粉法，其送粉量可以调节，同步送粉器可以连续工作，因而 熔覆效率高，适用于实际生产中大批零件的表面激光熔覆。同步送粉式激光熔覆 的主要工艺流程为：基体熔覆表面预处理、送料激光熔化、后热处理。 合金同步送料法所使用的合金材料也可以是粉末、丝材或板材。 直接将粉末送入激光熔池法多采用气体作为载体，所以这种方法也称气相送 粉法。送粉可以采用两种方式：一种是正向气流送粉法，即工件运动方向与合金 粉末气流的运动方向的夹角大于9 0 0 ；另一种是逆向送粉法，即工件运动方向与 合金粉末气流的运动方向的夹角小于9 0 0 。 4 ( a ) 预置式 山东大学硕十学f 7 ：论文 激光器 1 2 3 激光熔覆材料 ( b ) 同步式 图1 1 激光熔覆方式 f i g 1 1t h em e t h o d so fl a s e rc l a d d i n g 激光熔覆的合金材料主要包括自熔性合金材料、碳化物弥散强化复合材料和 陶瓷材料等【2 1 1 。熔覆材料的状态一般有粉末状、丝状、膏状等。另外还可将金 属板材、粉末冶金制品、钢带和焊条等作为熔覆材料，其中合金粉末在激光熔覆 技术中应用最为广泛【2 2 1 。 自熔性合金粉末可分为镍基自熔合金粉末、钴基自熔合金粉末和铁基自熔合 金粉末，其主要特点是含有硼和硅，具有自脱氧和造渣能力，即自熔性【2 3 - 2 5 。自 熔性合金粉末的硬度与合金含硼量和含碳量有关，硬度随硼、碳含量的增加而提 高，这是由于硼和碳与合金中的镍、铬等元素形成硬度极高的硼化物和碳化物的 数量增加所致。 铁基合金粉末适于要求局部耐磨且容易变形的零件，其基材一般采用铸铁和 低碳钢；镍基合金适于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的激光 功率密度要比熔覆铁基合金的略高；钴基合金涂层适于要求耐磨、耐蚀和抗热疲 劳的零件。 碳化物复合粉末由碳化物硬质相与金属或合金粘结相组成，主要有( c o ， n i ) w c 和( n i c r ，n i 2 c r a l ) c r 3 c 2 等系列。这类粉木中的粘结相能在一定程度上使 第一章绪论 曼i i i 一 i f i i 曼曼曼蔓鼍皇曼曼皇暑鲁曼曼曼舅曼曼皇曼曼 碳化物免受氧化和分解。碳化物复合粉末作为硬质耐磨材料，具有很高的硬度和 良好的耐磨性，其中( c o ，n i ) w c 系适应于低温( r、ocdlcojuuj 3 8 第p n q 市c o 对铁荩激光熔层的微观纲织及，阡能的影响 c oc o n t e n t w t 图4 6c o 含量对基体与熔层之间的界面结合强度的影响 f i g 4 6t h ee f f e c to fc oc o n t e n t so nt h ei n t e r f a c i a lb o n ds t r e n g t hb e t w e e nt h ec o a t i n g sa n dt h e s u b s t r a t e s 0 0 0o 2 5o 5 0o 7 51 o o1 2 51 5 0 1 7 52 0 02 2 5 d i s p l a c e m e n t m m 图4 7 一条结合强度的测试曲线 f i g 4 7a c u r v eo ft h eb o n ds t r e n g t ht e s t 仍正芝c_i=ic-i_dcoq ：蛮銮兰翟圭兰兰鲨吝 u m 。躲恶慧誓：嚣嚣嚣悠。衄 4 1 5 结台强度的测试曲线和断蠹暇虢分析 结合强度的测试曲线( 如图47 所示) 可以分为三个阶段：第一阶段出现弯 曲形状；第二阶段出现具有较大斜率的线性关系：第三阶段由于裂纹产生和熔层 的开裂形成的非线性关系【i ”。在第三阶段，随着压力的逐渐增大，开始产生塑 性变形。在压力达到最大时，熔层失效，但没有出现突然脱落的现象。这主要是 因为在试验中材料的断裂面抵抗压头的运动，从而产生较大的材料阻力。由于材 料具有很好的韧性，因此这种材料阻力在材料失效后仍然会存在。通过观察发现 试验断裂大部分发生在界面上。图4 8 显示了界面的断裂形貌，明显的撕裂形貌 可以证明界面断裂为韧性断裂。 第阴章c o 对铁基激光熔层的微观组织及件能的影响 4 2c o 对铁基激光成型板件显微组织与性能的影响 4 2 1 引言 随着近年来高功率激光在材料领域的应用不断扩大，使得采用快速成型方法 直接制备致密金属零件受到十分广泛的关注，许多研究人员正大力开发该技术 1 2 2 - 3 0 。激光熔覆f e 基粉末成本低且抗磨性能好，但熔层易开裂、易氧化、易产 生气孔。为了解决这些问题，许多研究工作已在这方面展_ 开【7 0 1 9 , 3 1 】。目前对铁基 激光快速成型粉末的研究尚不成熟，多以铁基激光熔覆粉末为基础进行试验。由 于铁基粉末所存在的缺点，因此至今f e 基粉末的成型性研究还较少。文献 3 2 】 采用激光快速成型技术制备了3 1 6 l 不锈钢薄壁墙，其组织为枝晶，且性能可满 足使用要求。 热处理可以消除成型件的内应力，减少脆性，提高韧性。文献 3 3 着重研究 后继热处理改善熔覆层显微硬度及耐冲蚀磨损性能的主要原因。而文献 3 4 1 在同 样的热处理条件下得出了与之不同的结果。s h k h a m e n e ha s l t 3 5 1 等在文献中报道 到热处理后因高温处理1 相的析出导致硬度提高而耐磨性下降。c o 是一种有益 的合金化元素，它的加入可以提高试样的热硬性、热疲劳性、强度、硬度和高温 强度【3 6 】。本章通过向自配的铁基粉末中添加c o 进行成型实验，并对成型后零件 进行后续热处理，研究了铁基成型件的显微组织及其性能的变化。 4 2 2 实验方法 激光快速成型实验的支撑基体为4 5 号钢，成型粉末为自配的铁基合金粉末， 具体粉末成分见表4 4 。成型件为1 4 0 m m x l o m m 3 m m 的薄板形状( 如图4 9 所 示) ，无裂纹、气孔，成型性良好。 成型试验采用了g l s 一6 型激光器并通过i s o i 型侧轴同步送粉器进行同步 送粉。激光功率为1 4 k w ，扫描速度为4 m m s ，激光光斑直径为3 m m ，电流为 4 4 a ，每层成型高度为o 3 m m 。对试样依次进行1 0 5 0 保温2 0 分钟水淬、3 0 0 保温3 个小时空冷回火或6 0 0 保温3 个小时空冷回火，每个热处理步骤后留一 样品进行后面的分析测试。 l j f 东大学硕十学位论文 在如图4 9 所示的薄板上用线切割切取垂直于基板的x 方向的片状剪切试样， 金相观察面为垂直于基板的y z 横断面。 图4 9 成型薄板金相观察及力学性能、成分取样部位示意图【3 5 】 f i g 4 9s c h e m a t i co f t h e t h i np l a t ea n dt h el o c a t i o no f m e c h a n i c ss a m p l ec u t 表4 4 激光快速成犁铁基粉末的化学成分( w t ) t a b l e4 4t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so ft h ef e - b a s e dp o w d e r su s e di nt h el a s e rp r o t o t y p i n g 4 2 3 显微组织及物相分析 激光成型薄板的组织由多层具有相同特点的结构组成，这种组织特点是在快 速成型过程中层层堆积形成的。每层组织由相互平行且与基板垂直的枝晶及枝晶 间化合物组成。由于连续进行熔层的堆积，使得每层的顶部( 重熔区) 都在未完 全冷却时又被新的熔层覆盖，顶部枝晶经过重新熔化凝固失去了原来的方向性 ( 如图4 1 0 ) 。 图4 1 l 为不同c o 含量的熔层的显微组织。从图中可以看出，c o 含量的变化并 未明显的影响熔层的凝固组织。表4 5 为1 1 4 试样热处理前后各组织的化学成分。 由表4 5 可知，c o 均匀分布在熔层组织中。文献 3 6 t 9 提出c o 可以降低合金堆垛 层错能，拉宽扩展位错的宽度，使位错攀移和交滑移更难进行，从而强化合金。 4 l 第四章c o 对铁基激光熔层的微观组织及性能的影响 其次具有抑制和延缓合金碳化物的析出、聚集和长大的作用，细化碳化物，使弥 散强化效果提高。另外c o 还有延缓亚结构回复、提高回火稳定性的作用。当c o 含量从1 w t 增加到3 w t 时，初生枝晶的数量逐渐增加，而枝晶问化合物细小 熔层显微组织细化。c o 含量为4 w t 时，熔层组织与c o 含量为2 w t 时相似。 图4 1 2 为1 1 - 4 热处理前后显微组织图。热处理后成型件组织得到细化，尤其 是在6 0 0 回火后，且枝晶间共晶明显增多。这主要由于在热处理回火时，原子 活动较活跃，促进了碳化物、硅化物及硼化物的形成与生长，如( f e 2 s i 、f e b 、 c r a s i 、c r t c 3 ) ，这些化合物在析出后同时又分布在枝晶表面，阻碍了枝晶的进 一步长大。 图41 0 激光成型件的显微组织 f i 9 4 1 0 t h e m i c r c b a u c m r e o f t h e i 蝌g u t o 诤o a g 省銮銮：要圭：篓耋三 圈41 1 不同c o 含量的熔层显徽组织图。a 、d bc 、d 分别表示c d 含量为1 w t 、2 吨、3 w t ， 4 w t 。 f i 9 4 1 1 1 k 珂s 呐咖嘲o f t h e s a 唧1 幅c o n t a l n i n g l w t 蛳h t f b ) ，3 w 1 a n d 4 w l ，c o 。，。意篙粼港怒基墓警异耋毒黧封k 。 c o f e 、n i 、c f 可以无限固溶，产生晶格畸变，构成稳定的( t f a , n i c r , c o ) 枝晶固溶体，且s 涧腺固溶于枝晶中，对基体产生同溶强化的作用。热处理后， 枝晶中的s i 、c r # 量有所降低( 表t 5 ) ，对枝晶的固溶强化作用减弱。枝晶间的 s i 、f e 含量增加，说明热处理后枝晶间化合物增多。 图4 1 3 为热处理前后的x p , d 物相对比。由图4 1 3 和表4 5 可知，试样组织主要 由固溶有s i 、c r 、c o 的( y f e , n i ) 枝晶基体及枝晶间化舍物( 碳硼硅的化合物) 组 成。1 1 4 试样经1 0 5 0 淬火+ 6 0 0 回火热处理后出现新相f e 2 s i 、f e b ，且在5 0 。 附近衍射峰强度明显增大说明热处理后枝晶间化合物( 碳化物、硼化物、硅化 物) 的量增加。 耋晋耋2 翌鐾董鎏誊鳘星篁垡翌鲁釜墨兰壁兰墅罂 卧”1 懒耀黼的显畿器蒜燃戮瓣湫后曲湫庸 饿黧? 畿a f l 。e t “1 0 5 0 c q u e 4 a c h 8 e “r , 襄a f t “e r “3 0 0 “ c t “e m p e 糍r , a t i e f 6 0 0 “ c t e 6 m 黧p e r “n e a 咖删k c ：止 4 2 4c o 对试样性能的影响 表46 为不同c d 含量的试样的硬度、剪切强度及拉伸强度值( 1 1 1 、1 1 - 2 试样 的剪切强度测试值误差较大，因此没有列入表中) 。随c o 的加入及含量的增加， 硬度略微增加，剪切强度及拉伸强度增大较多。其中，1 1 - 4 试样的拉伸强度最高， 达虱j 7 7 23h 伊a 。主要因为随c o 含量的增加，熔层组织中枝晶间化合物含量最低， 且晶粒细小，枝晶中固溶元素较多。对枝晶基体起到较强的固溶强化作用。 山东大学硕十学位论文 、 乱 o 、- - 一 ) - 、 _ ，) c 耍 c 图4 1 31 1 _ 4 试样热处理前后的x r d 图 f i g4 13t h ex - r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r ao f11 - 4s a m p l e sb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e n t 表4 6 各试样热处理前的硬度及强度值 t a b l e4 6t h eh a r d n e s sa n ds h e a rs t r e n g t ho ft h es a m p l e sb e f o r eh e a tt r e a t m e n t 4 2 5 热处理对试样性能的影响 图4 1 4 、图4 1 5 分别为各试样在热处理前后的硬度与剪切强度值。由上述分 析可知，热处理后枝晶基体中固溶强化作用减弱，因此各试样的硬度及强度均下 降。尤其是在3 0 0 回火后，各试样的硬度及强度基本处于最低值。6 0 0 回火 后，由于组织致密细小，有新相析出，且枝晶间化合物的量增加，因此各试样的 硬度及强度较3 0 0 回火后均有所提高。 4 5 第阴章c o 对铁基激光熔层的微观绢织及性能的影响 4 3 小结 图4 1 4 各试样热处理前后的硬度 f i g4 1 4t h eh a r d n e s so ft h es a m p l e sb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e n t - _ 西 c a ) - - j c ，) l c d c c ， 图4 1 5 各试样热处理前后的剪切强度 f i g 4 15t h es h e a rs t r e n g t ho ft h es a m p l e sb e f o r ea n da f t e rh e a tt r e a t m e r l t ( 1 ) 激光熔覆铁基粉末的熔层组织由f e o 6 4 n i o 3 6 枝晶基体和( f e ，c r ) 7 ( c ，b ) 3 枝晶间增强相组成，c o 含量的增加没有明显的改变熔层的凝固组织。然而，c o o叱工一价cd_j仍c i f f 东大学硕七学位论文 含量为3 w t 熔层的枝晶间区域的面积分数和界面附近的显微硬度比含c 0 1 w t 和5 w t 的熔层分别高约5 和5 5 h v 。 c o 含量、界面附近的显微组织和显微硬度等因素共同影响界面结合强度。 c o 含量为3 w t 熔层的晃面结合强度比含c o l w t 和5 w t 的熔层高。 结合强度测试曲线可以分为三个阶段：最初阶段，线性阶段和非线性阶段。 界面断裂形貌显示出明显的撕裂状，为韧性断裂。 ( 2 ) 用自配的铁基粉末进行激光成型试验，得到尺寸为1 4 0 m m x l o m m x 3 m m 的铁基成型薄板。内部无裂纹、气孔，成型性良好。激光成型薄板的组织由多层 具有相同特点的结构组成。每层组织由相互平行且与基板垂直的枝晶及枝晶间化 合物组成，在两层中间的重熔区，枝晶经过重新熔化凝固后失去方向性。 c o 可以对试样起到固溶强化的作用，它的加入可以促进初生枝晶数量增加， 枝晶间化合物细化。因此，随c o 含量的增加，熔层的硬度、剪切强度及拉伸强 度均增大，c o 含量为4 w t 时拉伸强度最大，达至u 7 7 2 3m p a 。 热处理后，枝晶中的s i 、c 晗量有所降低，对枝晶的固溶强化作用减弱，各 试样的硬度及强度均下降。而1 0 5 0 淬火+ 6 0 0 回火后，由于组织致密细小， 有新相析出，且枝晶间化合物的量增加，各试样的硬度及强度较3 0 0 回火后均 有所提高。 4 7 篇四章c o 对铁基激光熔层的微观组织及性能的影响 参考文献 【1 y s t i a n ，c z c h e n ，d y w a n g ，q h h u o ，t q l c i l a s e rs u r f a c ea l l o y i n go fp u r et i t a n i u m w i t ht i l 、h 肛s i n im i x e dp o w d e r s 【j 】a p p l s u r f s c i ，2 0 0 5 ，2 5 0 ：2 2 3 2 2 7 【2 】l im i n g x i ，h ey i z h u ，s u ng u o x i o n g m i c r o s t r u c t u r ea n dw e a l - r e s i s t a n c eo fl a s e rc l a d c o b a l t - b a s e da l l o ym u l t i l a y e rc o a t i n g s 【j 】a p p l s u r f s c i ，2 0 0 4 ，2 3 0 ：2 0 1 2 0 6 【3 y s t i a n ，c z c h e r t ，l x c h e l a ，q h h u o m i c r o s t r u c t u r e sa n dw e a rp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e c o a t i n g sp r o d u c e db yl a s e ra l l o y i n go ft “a 卜w i t hg r a p h i t ea n ds i l i c o nm i x e dp o w d e r s j 】 m a t e r l e t t ，2 0 0 6 ，6 0 ：1 0 9 一1 1 3 【4 】x d l u ，h m w a n g h i g h - t e m p e r a t u r ep h a s es t a b i l i t ya n dt r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fl a s e rc l a d m 0 2 n i 3 s i n i s im e t a ls i l i c i d ec o a t i n g s 【j 】a c t am a t e r ，2 0 0 4 ，5 2 ：5 4 1 9 - 5 4 2 6 【5 】r i k a r dn o r l i n g ，a n n an a f a r i ，a n d e r sn y l u n d e r o s i o t t - - e o r r o s i o no fl e e a n dn i - b a s e dt u b e s a n dc o a t i n g si naf l u i d i z e db e dt e s tr i gd u r i n ge x p o s u r et oh c l - a n ds 0 2 - c o n t a i n i n ga t m o s p h e r e s 【j 】w e a r ，2 0 0 5 ，2 5 8 ：1 3 7 9 1 3 8 3 6 】g m z h a o ，k l w a n g e f f e c to fl a 2 0 3o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fl a s e rc l a df e r r i t e - b a s e d a l l o yc o a t