（材料科学与工程专业论文）万米深井钻机刹车盘表面激光熔覆组织与性能研究.pdf

摘要 深井钻机盘式刹车处于强摩擦、高热负荷及较大制动力等极端工况下，导致刹车盘 表面存在三种形式的失效形式：一是由于紧急制动造成刹车盘表面瞬间高温产生的高温 氧化；二是由于重载制动造成刹车盘表面的磨损损坏；三是由于高频、重载的周期性制 动产生的热应力造成的热疲劳裂纹。目前通常采用等离子喷涂技术和堆焊技术强化和修 复刹车盘表面，但都存在着较大的局限性。 本文采用5 k w 横流c 0 2 激光器，在基体3 5 c r m o 钢表面分别制备了铁基合金涂层 以及含有不同比例c r 3 c 2 的铁基合金复合涂层。利用o m 、s e m 、x r d 等手段分析了激 光熔覆层的微观组织结构、相组成，观察了高温氧化及摩擦磨损试验后试样表面的形貌； 采用e d s 分析技术，系统分析了结合区和熔覆层各区域合金元素的含量，以及高温氧 化试样表面氧化膜的元素组成；对熔覆层的硬度、摩擦磨损性能、热疲劳性能以及抗高 温氧化性能进行了测试，并对高温性能强化机理及摩擦磨损机理进行了探讨。 试验结果表明，在预制粉末厚度为l m m ，激光功率为3 5 k w ，扫描速度在 1 5 0 3 0 0 m m m i n 范围内，激光熔覆层组织均匀致密，实现了与基体良好的冶金结合，无 裂纹、气孔等缺陷。铁基合金熔覆层的主要组成相为丫( 面心立方) 过饱和固溶体以及 m 7 c 3 型碳化物、( f e ，c r ) 有序相；显微组织包括平面晶和大体上垂直于界面生长的粗大 的柱状树枝晶，向熔池中部过渡为多方向生长的细小树枝晶，近表面为平行于激光扫描 速度方向生长的细小枝晶区。添力h c r 3 c 2 后的熔覆层组织主要由初生的m 7 c 3 碳化物、细 小的树枝晶及枝晶间的薄片状共晶组织( 丫+ c r 7 c 3 ) 组成，与铁基合金涂层相比，添加 c r 3 c 2 的熔覆层物相种类不变，但碳化物的数量显著增加。与基体3 5 c r m o 钢相比，激光 熔覆层均具有很高的硬度，约为基体的1 5 倍，且随c r 3 c 2 加入量的增加表面硬度逐渐提 高。 激光熔覆层的摩擦磨损性能是摩擦副系统的综合特性，具有极强的系统依赖性和复 杂的时空特性。在相同的试验条件下，当对磨材料为4 5 4 钢淬火件时，铁基合金涂层的 耐磨性比基体稍有提高，而添加1 0 c r 3 c 2 和2 0 c r 3 c 2 的熔覆层的耐磨性则分别为基体 耐磨性的3 倍和1 0 倍；激光熔覆层的摩擦系数随着硬度的提高呈下降的趋势。当基体与 添力1 2 0 c r a c 2 的激光熔覆层在更为苛刻的试验条件下，对磨材料为石墨基粉末冶金摩擦 片时，熔覆层的耐磨性约为基体的2 倍；与4 5 4 钢淬火件涂层摩擦副对比，添 j 【1 2 0 c r 3 c 2 的熔覆层与基体均具有更小的磨损失重和更低的摩擦系数。 在6 0 0 c 高温条件下，铁基合金涂层和添力i i c r 3 c 2 的铁基合金涂层的抗高温氧化性能 均明显优于基体，其累计氧化增重及增重速率远远小于基体的增重及增重速率。铁基合 金熔覆层具有较好的抗高温氧化性能，在于其表面氧化形成t f e c r 2 0 4 尖晶石氧化物， 这一尖晶石氧化物结构致密、缺陷少，导电性能差，具有较好的抗氧化能力。添) 岫c r 3 c 2 的熔覆层由于c r 3 c 2 发生高温分解而使熔池中c r 元素含量大大提高，导致在试样氧化表 面可形成连续完整的c r 2 0 3 氧化膜。因此其抗高温氧化性能与铁基合金熔覆层相比有所 提高。 经过5 0 次从6 0 0 到室温的冷热循环，基体及铁基合金熔覆层表面均未观察到裂纹， 这表明其抗热疲劳性能优异；而添$ 日c r 3 c 2 后的熔覆层在涂层内部产生裂纹，且随着c r 3 c 2 含量的增加，裂纹萌生循环次数减小，裂纹变宽变深，热疲劳性能恶化。这主要是硬质 相与基体粘结相的热膨胀系数差异造成的。 综合分析，在预制粉末厚度l m m ，激光功率为3 5 k w ，扫描速度为1 5 0 3 0 0 m m m i n 范围内，激光熔覆技术制备的铁基合金熔覆层成型良好，表面硬度高，具有优良的抗高 温氧化性、热疲劳性能、耐磨性以及较高的摩擦系数，建议应用于刹车盘表面改性。 关键词：刹车盘，激光熔覆，铁基合金，c r a c 2 ，显微组织，摩擦磨损，高温氧化， 热疲劳 l i s t u d yo nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fl a s e rc l a d d i n go n t h es u r f a c eo fb r a k ed i s cf o r t h ed e e pd r i l l i n gr i g l up i n g p i n g ( m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gy o n g a b s t r a c t o w i n gt os u f f e r i n gf r o md r a s t i cf r i c t i o n ，h i g ht h e r m a ll o a da n dl a r g eb r a k ef o r c e ，b r a k e d i s ci nd r i l l i n gr i gh a st h r e ef a i l u r ef o r m sa sf o l l o w i n g ：h i 曲t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，w e a r f a i l u r ed u et oo v e r - l o a db r a k ea n dt h e r m a lf a t i g u ec r a c k t h e r m a ls p r a y i n ga n ds u r f a c i n ga r e o f t e na p p l i e dt os t r e n g t h e no rr e p a i rt h es u r f a c eo fb r a k ed i s c ，w h i c hh a sg r e a tl i m i t a t i o n 5 k wl a s e rw i t hc 0 2f l o wt r a n s v e r s ew a su s e df o rc l a d d i n gf e - b a s e da l l o ya n df e c r 3 c 2 p o w d e ro n3 5 c r m os t e e ls u r f a c e t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp h a s ec o m p o s i t i o n sa sw e l la st h e s u r f a c em o r p h o l o g i e so fs a m p l ea f t e rh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nt e s t ，f r i c t i o na n dw e a rt e s t w e r ea n a l y z e db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dx r a y d i f f r a c t i o n t h ec o n t e n to fa l l o y i n ge l e m e n t si nt h eb o n d i n gz o n ea n dc l a d d i n gz o n e 、 ，i t ht h e s u r f a c eo x i d ew e r es t u d i e db ye n e r g ys p e c t r u mt e c h n o l o g y t h ec l a d d i n g s h a r d n e s st o g e t h e r w i t hr e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，t h e r m a lf a t i g u e ，f r i c t i o na n dw e a rw e r et e s t e d ， a n dw h o s em e c h a n i s mw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e so ft h el a s e rc l a d d i n gl a y e r sw e r ef i n ea n d d e f e c t f r e ea n dg o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gb e t w e e nt h ec o a t i n ga n dt h es u b s t r a t ew a s o b t a i n e d t h em a i np h a s eo ff e - b a s e dc l a d d i n gi sc o m p o s e do f 丫一f es u p e r s a t u r a t e ds o l i d s o l u t i o n , m 7 c 3c a r b i d ea n d ( f e ，c r ) o r d e r e dp h a s e t h em i c r o s t r u c t u r ea tt h ec l a d d i n gl a y e r b o t t o mw a st h et y p i c a le x t e n s i o ng r o w t ho np l a n ec r y s t a l ，t h em o r p h o l o g yo fg r a i n sc h a n g e d f r o mp l a n a ra n dc e l lt od e n d r i t ew h i c hw a sc o a r s e r t h em i c r o s t r u c t u r ea tt h et o pa n dm i d d l e w a st h er e g u l a rp i n e t r e ec r y s t a la n dt h em i c r o s t r u c t u r ea tt h et o pw a st h es m a l lp i n e - t r e e c r y s t a l ，r e s p e c t i v e l y a f t e ra d d i n gc r 3 c 2i n t ot h ep o w d e r , t h ec l a d d i n g sc o n t a i nn a s c e n tm 7 c 3 c a r b i d e ，f i n e d e n d r i t ea n dl a m e l l i f o r me u t e c t i cs t r u c t u r e i t sp h a s es p e c i e sm a i n t a i n s u n c h a n g e d ，w h i l ei t sq u a n t i t yi n c r e a s e s t h eh a r d n e s so ff e - b a s e dc l a d d i n gi s1 5t i m e so ft h a t o fs u b s t r a t e i i i t h ef r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g sa r et h es y n t h e t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e f r i c t i o np a i r s i td e p e n d so ns y s t e ms t r o n g l ya n dh a v ec o m p l i c a t e ds p a c e - t i m ec h a r a c t e r i s t i c t h ew e a rm a s sl o s sa n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec o a t i n g 4 5 拌s t e e lf r i c t i o np a i ri sm o r e t h a nt h a to fc o a t i n g g r a p h i t e - b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g yf r i c t i o nd i s kf r i c t i o np a i ra tt h es a m e c o n d i t i o n a n di r o n - b a s e dc o a t i n gr e g i s t e r sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c ei ns l i d i n ga g a i n s tb o t h4 5 # s t e e la n dg r a p h i t e b a s e dp o w d e rm e t a l l u r g yf r i c t i o nd i s ka tt h es a m ec o n d i t i o nt h a ns u b s t r a t e f o r4 5 存s t e e l c o a t i n gf r i c t i o np a i r ，龇w e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gw i t h10 a n d2 0 c h r o m i u mc a r b i d ei s3a n d10t i m e sa sm u c ha st h a to ft h em a t r i x f r i c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h e c o a t i n g s d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fh a r d n e s s f o rc o a t i n g g r a p h i t e b a s e d p o w d e r m e t a l l u r g yf r i c t i o nd i s kf r i c t i o n ，t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gi st w i c ea sm u c ha st h a to f t h em a t r i x h i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nt e s t sw e r er e s e a r c h e da t6 0 0 。c o x i d a t i o nt e s tr e s u l t sa th i 曲 t e m p e r a t u r es h o w st h a tt h eh i g h - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e so ft h ef e - b a s e da l l o y l a y e r sa n dt h ef e - b a s e da l l o yw i t hc r 3 c 2l a y e r sw e r eb e r e rt h a nt h em a t r i x i r o n b a s e da l l o y c l a d d i n gp o s s e s s e sg o o dh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n ，w h i c hl i e si nt h ef o r m a t i o no ff e c r 2 0 4 o nt h es u r f a c eo ft h es a m p l e t h i ss p i n e lo x i d ei so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，l e s sd e f e c ta n dp o o r c o n d u c t i v i t y t h ei n c r e a s eo fc h r o m i u me l e m e n ta f t e ra d d i n gc r 3 c 2t op o w d e rm a k e st h e f o r m a t i o no fc o n t i n u o u sa n dc o m p l e t ec h r o m i u mo x i d e ，s ow h o s eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o n r e s i s t a n c ei sb e t t e rt h a nt h a to f f e - b a s e da l l o yc l a d d i n g a f t e r5 0t i m e st h e r m a l - c o o l i n gc y c l i n gf r o m6 0 0 t or o o mt e m p e r a t u r e s u b s t r a t ea n d i r o n b a s e da l l o yc l a d d i n gp o s s e s se x c e l l e n tt h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c ew i t ht h ea b s e n c eo f c r a c k , w h i l ec r a c ki sp r e s e n ti nt h ec o m i n g s 、i t l lc r 3 c 2 a st h ei n c r e a s eo fc r 3 c 2 t h e r m a l f a t i g u ep r o p e r t yw o r s e no w i n gt ot h ed e c r e a s eo ft h ec y c l et i m e so fc r a c ki n i t i a t i o n ， w h i c hi sc a u s e db yt h e d i f f e r e n c eo ft h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fh a r dp h a s ea n dt h e m a t r i x t h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o np e r f o r m a n c e ，t h e r m a lf a t i g u ep e r f o r m a n c ea n dw e a r r e s i s t a n c eo fi r o n b a s e da l l o yc l a d d i n g sw i mg o o df o r m a b i l i t ya n dh i g hh a r d n e s sa r ee x c e l l e n t w h e nl a s e rp o w e ri s3 5 k wa n ds c a n n i n gs p e e df l u c t u a t e sf r o m15 0 m m m i nt o3 0 0 m m m i n , w h i c hc a nb ec o n s i d e r e da st h es u r f a c em o d i f i c a t i o no fb r a k ed i s c i v k e yw o r d s ：b r a k ed i s c ，l a s e rc l a d d i n g ，i r o n - b a s e da l l o y , c h r o m i u mc a r b i d e ， m i c r o s t r u c t u r e s ，f r i c t i o na n dw e a r , h i g h - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n , t h e r m a l f a t i g u e v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丝量盏 1 7 1j 甥：纠。年5 月坶日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：劫f o 年s 月净日 日期：州。年s 月2 牛日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 第一章绪论 “泥浆泵、盘式刹车可靠性分析 是国家8 6 3 海洋领域重大课题“深水半潜式钻井 平台关键技术 的重点子课题。 我国南海油气资源丰富，但我国尚不拥有实施深水油气勘探开发的技术和装备，实 现钻井系统集成设计和重要设备国产化直接关系国家的能源安全。海洋勘探开发难度 大，钻井作业的安全性和经济性显得尤为重要，对钻机性能的要求也非常高。绞车是钻 机的核心部件，而制动系统是绞车的要害部分，它的性能优劣直接影响钻机的整体性能。 盘式刹车技术是8 0 年代发展起来的四大钻井装备新技术之一，由于其具有刹车力矩大、 刹车易于操作、安全可靠、敏感性高、维护方便等优势，在国外已较为广泛地使用于石 油钻机，特别是深并、超深井钻机上。 目前深井钻机刹车盘的材质主要为3 5 c r m o 、3 0 c r m o 、4 5 4 钢等中碳调质钢，由于 刹车盘处于强摩擦、高热负荷及较大制动力等极端工况下，导致在刹车盘表面存在三种 形式的失效形式i l 】：一是由于紧急制动造成刹车盘表面瞬间高温产生的高温氧化；二是 由于重载制动造成刹车盘表面的磨损损坏；三是由于高频、重载的周期性制动产生的热 应力造成的热疲劳裂纹。因此，盘式刹车的制动性能和使用寿命均亟待提高改善，然而 由于刹车盘尺寸大，采用昂贵的整体金属材料成本较高。采用表面改性技术既可以改善 刹车盘表面性能又能够降低成本【2 3 1 。目前，国内外对刹车盘表面改性的方法主要有堆 焊法 4 1 、无压浸渍复合涂层【5 】及等离子喷涂复合涂层【6 1 0 l ，并以等离子喷涂工艺使用得 最为广泛。 激光熔覆技术与其他表面强化技术( 如等离子喷涂技术) 相比，熔覆层与基体为冶 金结合，其组织晶粒细小，可改善强韧性，提高抗热疲劳能力和抑制热疲劳裂纹的扩展； 同时工件热变形小，母材的热影响区窄，熔覆层稀释率低，熔覆粉末金属的利用率高。 因此，与其它方法相比，采用激光熔覆技术增强或修复刹车盘表面具有明显的优势。 针对刹车盘的失效形式，本文利用激光熔覆技术，采用外加增强相c r 3 c 2 的方法在 3 5 c r m o 钢基体表面制备具有高硬度、耐磨损及高温热强性好的铁基合金涂层及添加 c r 3 c 2 的铁基合金复合涂层，并对熔覆层的微观组织结构、涂层在干滑动摩擦条件下的 摩擦磨损特性、抗氧化性能及热疲劳性能进行研究。 第一章绪论 1 2 盘式刹车副的服役特点 石油钻机盘式刹车( 结构示意图见图1 1 ) 的制动过程是通过刹车盘与刹车块的摩 擦将动能转化为热能，并通过刹车盘内部的水循环冷却系统将刹车副间的热量带走。研 究表明【1 1 1 ，钻机制动过程中伴随着剧烈的摩擦及大量的热传递，是导致刹车盘失效的直 接原因。刹车副表面产生的高温对刹车盘的制动性能和使用寿命有较大的影响。因此， 对刹车副表面的温度场进行研究有着重要的意义。调研结果表明，早期石油钻机盘式刹 车完成“行驶制动”，也即是在起下钻过程中的制动，以降低绞车的旋转速度，使绞车 由高速降为低速，或由运动状态变为静止状态，平时使用较多，且刹车盘内部的水循环 冷却系统有待改进，所以，刹车盘表面的闪点温度高达1 2 8 0 。目前国内使用的1 2 0 0 0 m 石油钻机用液压盘式刹车作为主刹车，主要用来紧急制动或驻车，使用频率不高，平时 使用过程中用辅助刹车( 能耗制动) 来完成主要或全部的刹车过程。因此，平时使用过 程中刹车盘表面的温度不是很高，只比冷却水的温度高一点，大约4 0 5 0 。但在比较 恶劣的工况( 如起下钻) 下，由于连续使用，刹车盘表面的温度仍相对较高。马青芳【1 2 j 等人利用有限元分析软件a n s y s9 0 ，对z j 7 0 绞车水冷式刹车盘在重载下的温度场进 行数值模拟。计算结果表明，在起下钻的循环刹车过程中，刹车盘表面的温度逐渐升高， 经过1 2 次循环刹车，刹车盘表面的温度达到2 5 0 ，同时在刹车盘内部产生一个交变 的温度场。郭慧娟等【1 3 】人建立了z j l 2 0 绞车水冷式刹车盘下钻过程中有限元分析模型， 利用有限元分析软件a n s y s 进行热结构耦合计算。计算结果表明，在起下钻的2 0 次 循环刹车过程中，刹车盘内部产生交变的温度场和应力场，刹车盘表面的温度高达 2 5 0 。 根据所查阅的文献资料可知，影响有限元分析软件计算刹车盘表面温度场的因素 有：刹车盘材质( 密度、比热容、热导率、热膨胀系数等) 、下钻速度、制动时间、冷 却水循环系统等。通常深井、超深井钻机刹车盘的材质都是调质态3 5 c r m o ，洛氏硬度 为h r c 2 9 ，因此材质因素可以不予考虑。此外，目前大部分深井、超深井钻机均采用 水冷刹车盘( 内部设有水冷通道) ，只是不同井深钻机冷却水的排量不同；且各种工况 下制动时间相差不大，通常设为2 3 s 。因此，影响刹车盘温度的主要因素为下钻速度。 计算结果表明，多次循环刹车条件下，下钻速度为2 m s 时，刹车盘表面的最高温度达 到2 5 0 ，下钻速度为3 m s 时，最高温度为3 5 0 ，下钻速度为8 5 r n s 时，最高温度 达6 5 0 。 2 中国5 大学( 毕末) 硕 。学位论文 山上述分析可知通常情况下，盘式刹车行驶驻车功能，钻机绞车的转速慢，刹车 盘表面温度不会很高：但在紧急刹车或下钻速度较快时刹车副界面会产生相对较高的 温度，且由于超深井钻机制动力较大，刹车别界面产生较大的制动摩擦力。在热载荷和 摩擦力的作用下，盘式刹车的失效形式主要为磨损损坏、高温氧化以及热疲劳损坏交互 作用的结果。 滚筒2 ，刹车盘3 、钳架4 、工作钳5 、安全钳6 、过渡板 图1 - 1 盘式刹车结构示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s c b r a k e 13 刹车盘表面的强化现状 由上述讨论可知，石油工业深井、超深井钻机盘式刹车在极端工i 兄f 周期性制动， 会导致刹车盘表面存在磨损损坏、高温氧化及热疲劳三种形式的失效，其制动性能和使 用寿命均亟待改善和提高，但由于刹车盘尺寸较大采丌i 昂贵的整体金属材料成本较高。 采用表面工程的方法既可以改善表面性能又能够降低成本。目前国内外刹车盘表面改性 技术有： 】3 1 刹车盘表面堆焊 堆焊由于其经济且高教而被广泛采用，是国内科研人员研究较多的一种方法。北京 工业大学的王新华等采用堆焊工艺在2 0 8 或3 5 4 钢表面进行堆焊，以提高堆焊金属的 硬度、抗擦伤性和抗氧化性。对堆焊层进行变温摩擦路损试验，结果表明，研制的刹车 副具有良好的变温摩擦特性及高温抗热衰退性能。万惠君【”1 等在可焊性好的1 6 m n 钢基 体上堆埠井对堆焊层的各种力学性能进行试验。试验结果表明，选用埋弧自动焊堆焊 法制造刹车毂是可行的用0 4 m m s m d l 7 2 药芯焊丝与h j 2 6 0 焊剂能够满足设计技术要 第一章绪论 求，符合工况条件。 堆焊是一种传统的表面制造与修复方法。它最大的优点就是堆焊层与基体属于冶金 结合，并且由于其经济且高效而被广泛采用。但由于线能量大，使得堆焊层晶粒较粗大， 基材的稀释率大，变形大，焊接裂纹倾向较大，这些都不能满足刹车盘的耐热疲劳性和 耐磨性要求。 1 3 2 无压浸渍复合涂层 无压浸渍是一种特种粉末冶金工艺，工艺虽然比较成熟，经验也不少，但理性文章 不多，在试验中甚至还有一定的盲目性。马红玉【1 明等采用无压浸渍工艺在4 5 。钢表面制 备出锰白铜合金w 2 c 复合涂层，并对涂层与现有钻机刹车块材料配副的摩擦磨损特性 进行试验研究，选用1 6 m n 钢刹车盘作为对比试样。试验结果表明，在比压为 0 1 8 0 5 4 m p a 及转速为5 0 0 1 5 0 0 r m i n 范围内，无压浸渍复合涂层的耐磨性比现有刹车 盘用1 6 m n 钢提高1 0 5 0 倍。 1 3 3 等离子喷涂复合涂层 在国内，等离子喷涂复合涂层很早就被用于石油钻机刹车盘表面改性。早在1 9 9 6 年，易茂中等就采用等离子喷涂技术，在石油钻机常用刹车毂3 5 c r m o 钢表面喷涂了 一层具有良好耐热耐磨性能的f e - n i c o w c 复合涂层，并对涂层进行了重载制动摩擦 特性研究。试验结果表明，在与同种材料配副时，复合涂层的摩擦系数比基体3 5 c r m o 钢的高，制动时间短，制动效率和耐磨性都明显提高。 此工艺在国外也较为广泛的采用，主要用于列车刹车副的表面改性。m w a t r e m e z 1 8 】 等在早期的研究中也曾用等离子喷涂工艺制备了n i c r c r 3 c 2 陶瓷涂层刹车盘与铝钛刹 车块配副。试验结果表明，在模拟高速列车刹车时，这种刹车体系提供了较好的磨损抗 力、稳定的摩擦系数。j m a t e o s 1 9 1 等人则采用先等离子喷涂后激光重熔的方法在 a i s l l 0 4 3 钢上制备n i c r c r 3 c 2 涂层，并对激光重熔前后涂层的孔隙率、结合强度、显 微硬度及磨损性能进行了检测。试验结果表明，经激光重熔处理后的涂层空隙率明显减 小，结合强度及硬度明显提高，涂层的耐磨性明显优于钢基体。相比m w a t r e m e z 制 备的等离子喷涂层，j m a t e o s 经激光重熔后结合强度提高，从而提高刹车盘的耐磨抗力 及热疲劳抗力。 h b a r t y s l 2 0 】等采用等离子喷涂工艺在c 3 8 钢上喷涂了以钴基为主的钴铬钨钼高级 合金( 牌号为c o r e c 6 ) 涂层，以及两种以镍基为主的钴铬钨钼高级合金( 牌号为n i r e c 6 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和n i r e c l ) 涂层，在简易的试验机上分别进行1 2 0 s 和1 2 0 0 s 的刹车试验，并用n i c r c r 3 c 2 陶瓷涂层的刹车盘进行对比试验。试验结果表明，c o r e c 6 和n i r e c 6 合金制动盘的性能 和金属陶瓷材料制动盘的性能相似，与n 加c 1 合金制动盘相反，后者的摩擦因数虽高， 但不够稳定。 j d g u e r i n l 2 1 】等研究了具有高热扩散率的两种铁路刹车盘( 一种是在5 7 5 4 铝镁刹 车盘上氧乙炔火焰喷涂钼涂层，另一种是在铝镁刹车盘上以固体形式存在铜2 5 铍合 金) ，分别与烧结的铁铜刹车块、聚合物基的刹车块和铝钛刹车块模拟连续刹车过程。 试验结果表明，与钢质刹车盘相比，钼涂层刹车盘与聚合物基刹车块配副的温度低，摩 擦系数稳定，磨损率低，但由于钼与铝的热膨胀系数差别很大，易使得涂层剥落或开裂； 而铝钛刹车块与c u 2 5 b e 刹车盘体系有较好的摩擦性能：稳定的摩擦系数，刹车块 表面的温度比钢质摩擦副低6 0 ，且磨损率低。 b u b y o u n gk a n 9 1 2 2 j 等利用简易的刹车试验装置，在同样的试验条件下，研究t - - 种不同的刹车盘( 氧化锆涂层、等离子喷涂陶瓷涂层及t g v 高速列车上常用钢制刹车 盘) 与铜烧结刹车块配副的热机械行为和摩擦行为。试验结果表明，相比钢制刹车盘， 在高速高能量刹车条件下，等离子喷涂陶瓷涂层具有稳定的摩擦系数及较好的磨损抗 力，但相比钢制刹车盘对磨的刹车块，陶瓷涂层对磨的刹车块磨损更为严重；而氧化锆 涂层刹车盘比陶瓷涂层刹车盘提供了更好的热障效应与更稳定的摩擦系数。因此，应该 研制与陶瓷涂层刹车盘相匹配的刹车块以确保刹车的使用性能与使用寿命。 p e t e rj b l a u 2 3 】等分别用两个钛合金、四个试验制备的硬质颗粒强化钛基复合材料 以及在钛合金表面喷涂的涂层，分别与几种衬里材料进行块盘摩擦制动试验。试验为 反复的刹车、松刹制动，滑动速度为2 1 5 m s ，名义接触压力为1 o 2 0 m p a 。试验结果 表明，钛基复合材料的磨损率大于铸铁的，但好于两个钛合金的，喷涂涂层的磨损率最 小。 等离子喷涂的温度比电弧要高得多，因此可快速熔化难熔的喷涂粉末，例如陶瓷以 及金属陶瓷粉末，从而制备陶瓷及金属陶瓷耐磨涂层；由于粒子速度比电弧喷涂要快得 多，因此结合强度也要高很多，孔隙率要低得多，而且生产效率也相当高，所以等离子 喷涂工艺被广泛用于对刹车盘基体表面的改性。但等离子喷涂工艺得到的涂层与基体间 的结合仍属机械结合，由于在周期性的制动过程中对刹车盘表面造成的摩擦磨损及由热 循环产生的热应力，涂层的性能还有待于进一步提高。因而必须对其进行后处理，使得 基体与涂层达到冶金结合。目前国外采用转移弧等离子喷涂法制备的钴基、镍基合金能 5 第一章绪论 够使涂层与基体达到冶金结合。此外，研究表明，采用激光重熔陶瓷涂层也能改善涂层 的性能，使涂层与基体达到冶金结合。 1 4 激光熔覆金属基复合涂层 激光熔覆金属基复合涂层技术是上个世纪8 0 年代末兴起的金属表面强化技术，它已 经被国内外学者认为是最具竞争力和价值的表面强化技术，也是激光熔覆技术中发展的 热点方向之一【2 4 1 。随着科研工作的开展和激光表面改性技术的进步，激光熔覆金属基复 合涂层的研究已经取得了一些进展，目前已经成功地在钢基、铝基、钛基等金属材料表 面制备出了均匀致密且无冶金缺陷的金属基复合涂层。 1 4 1 激光熔覆金属基复合材料 由于硬质相颗粒具有高硬度、耐磨、耐蚀及耐热等特性，利用激光熔覆金属基复合 涂层技术在基材表面制备无缺陷、与基体呈冶金结合、组织均匀及稀释率较低的综合性 能优良的激光熔覆涂层。用此技术可以将硬质相颗粒的高硬度、良好的耐磨、耐蚀、耐 热以及一系列特殊性能与粘结金属良好的韧性及工艺性有机结合起来【2 5 】，从而可显著改 善基体表面的强化效果。 目前激光熔覆技术中常用的三种自熔性合金为c o 基、n i 基和f e 基。其中，c o 基合 金是在上海司太立合金的基础上发展起来的，具有优良的耐热、耐磨及耐蚀性能，综合 性能最优，但价格昂贵；n i 基合金由于其熔点低，自熔性好，因此具有良好的工艺特性， 此外还具有优良的耐磨、耐蚀性及较高的强韧性，是激光熔覆技术中应用较为广泛的自 熔性合金。f e 基合金的优点是来源广泛，价格低，且与基体钢的化学成分接近，有益与 界面的结合，但其缺点是自熔性也较差，抗氧化性差f 2 5 1 ，因此可根据特殊工况要求自行 配制铁基合金粉末。 在选择激光熔覆金属基复合涂层的粘结金属时需注意的以下几个问题【2 6 之7 】： ( 1 ) 根据工件本身的性能要求，选择满足要求的粘结金属； ( 2 ) 在满足性能要求的前提下，尽可能选择价格低廉的粘结金属或者通过价格低廉 的粉末配制能够满足性能要求的粘结金属； ( 3 ) 粘结金属的熔点不应太高，熔点越低，熔覆层的稀释率越低； ( 4 ) 粘结金属对工件基体和陶瓷硬质相颗粒均应具有较好的润湿性，保证其与基体 呈冶金结合且与硬质相结合牢固： 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 粘结金属应具有良好的造渣、除气功能，以避免熔覆层产生夹杂、气孔等缺陷： ( 6 ) 粘结金属的热膨胀系数、导热系数均应尽可能与基体材料接近，以减少熔覆层 中的残余应力，从而降低裂纹倾向。 在激光熔覆金属基复合材料中，常用的作为增强相的陶瓷硬质相颗粒有：w c 、s i c 、 t i c 、c r 3 c 2 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 等。而这些陶瓷硬质相颗粒的形成方法通常有两种：一是原位 合成法，二是直接添加法。前者是通过预置的粉末合金元素在激光加热过程中相互反应， 从而形成稳定的硬质增强相。由于反应形成的硬质相完整，界面干净，且与基体呈冶金 结合，因此能获得综合性能优良的金属基复合材料，该种方法已被广泛采用【2 8 】。后者是 通过预置硬质相颗粒和粘结金属的混合粉末直接制成的激光熔覆层。 1 4 2 激光熔覆金属基复合涂层的成型问题 利用激光熔覆技术虽可制备高性能的金属基复合材料，但与激光熔覆技术制备的自 熔性合金涂层相比金属基复合涂层中的剥落、气孔及裂纹问题比较严重。其中熔覆层中 裂纹的产生原因相当复杂，但一个主要因素是硬质相颗粒与基体金属材料的热胀系数差 异较大，由于激光熔覆快速加热、快速冷却时产生较大的温度梯度，从而在熔覆层内部 产生较大的热应力，再加上由于快速凝固过程中组织发生转变产生的组织应力，二者综 合作用，当综合作用力呈拉应力，且大于材料的强度极限时，就可能在涂层内部萌生微 裂纹。因此，激光熔覆快速加热、快速冷却过程中产生的热应力及组织应力是产生熔覆 层裂纹的必要因素。 有研究结果表明，熔覆粉末中添加小尺寸或球形硬质相虽然能显著降低熔覆层在冷 却过程中的裂纹敏感性，但却不能完全阻止裂纹的生成。除此之外，如果所添加的硬质 相颗粒尺寸较大，且润湿性、密度、线膨胀系数等物理化学性能与粘结金属差异较大， 就有可能导致熔覆层出现不均匀的组织和性能【2 9 】，表现在沿熔覆层纵深方向，硬质相颗 粒呈梯度分布。 1 4 3 影响激光熔覆金属基复合涂层组织和性能的因素 影响激光熔覆层组织与性能的因素很多例，主要包括激光系统、工艺参数、基体材 料以及熔覆的合金粉末成分等。主要可从以下三个主要方面来进行阐述。 ( 1 ) 粉末成分 激光熔覆层的组织和性能在很大程度上受熔覆的合金粉末成分的影响。虽然现有的 研究不能完全弄清各种合金元素对激光熔覆层组织与性能的影响情况，但通过考察合金 7 第一章绪论 相图，根据熔覆层的化学成分可以大体推断出各种状态下不同合金系列熔覆层的组织结 构。不同的合金系列以及不同的合金成分配比，将对熔覆层的组织与性能造成很大的影 响。一般情况下，在激光熔覆处理前，先选择好合金系列以及它们的成分配比，再根据 工艺参数来推断熔覆层可能出现的组织。比如想提高熔覆层的硬度，可通过向熔覆粉末 材料中加入m o 、t i 、c r 、b 、v 、s i 、m n 等合金化元素。 ( 2 ) 熔覆粉末的供给方式 激光熔覆过程中，通常有两种熔覆粉末的供给方式：一种是同步引入式，即是在激 光束辐照基材表面的同时，通过送粉器将熔覆粉末添加到激光照射范围内。同步引入的 方法有：板材、线材及气相送粉等。其中，气相送粉法例由于其显著降低了熔覆层厚度 的不均匀性，削弱了激光热源对基材的热影响，而使其广泛应用；其缺点是要求有配套 的送粉装置，另外熔覆粉末浪费较多，因此要考虑对粉末的回收利用。除此之外，同步 引入法制备的熔覆层也容易出现气孔等缺陷。 第二种较为常用的熔覆粉末供给方式为预置式，也即是在激光熔覆处理之前将熔覆 粉末预先布置在基体材料的表面。常见的方法有：喷涂法、电镀法以及采用人工或机械 的方法进行涂覆。 ( 3 ) 工艺参数 在激光熔覆过程中，激光功率、扫描速率以及光斑尺寸等对激光熔覆层的成型质量 和组织性能有显著的影响。 在激光熔覆过程中，基体表面部分材料因受热熔化而熔入熔池内会引起熔覆层成分 的变化，从而最终影响熔覆层的组织和性能。稀释率就是用来定量描述由于基体表面部 分材料熔化混入熔覆层中而引起熔覆层成分变化的程度。稀释率的定义表达式如下： 稀释率= 丽柰篇嚣舞 要求激光熔覆层的稀释率应尽可能低。通常认为应该在1 0 以内，最好在5 左右， 从而保证激光熔覆层具有优良的综合性能。高能激光束对试样表面作用的时间越长，熔 池中混入的基体材料越多，稀释率越高，结合区的成分与基体