（材料学专业论文）激光表面重熔对电冶熔铸wc钢复合材料组织性能的影响.pdf

激光表面重熔对电冶熔铸w c 钢复合材料组织性能的影响 摘要 采用 激光器对电冶熔铸配 钢复合材科i c w 4 0 和d g w 5 0 进行表面重熔处理 为该类复合材料的表面改性提供更为先进的方法 着重研究激光重熔后 复合材料 重熔层的组织结构转变和随后所表现的力学性能 研究结果表明 对于基材为热处理态的复合材料 可以细化表层组织 且激光 影响区可以分为熔凝区 过渡区和热影响区 不同的激光工艺参数和不同w c 含量的 基材所得到的重熔层的物相种类趋于高度一致 至于基材为原始铸造态的复合材料 激光重熔可以大大细化表层的基体组织结构 也包括细化其中碳化物 电冶熔铸w c 钢复合材料激光重熔物相的演变主要包括三部分 钢基体 w c 枝 晶和细小孤立碳化物 钢基体发生了熔凝 一部分与w c 枝晶发生反应形成共晶 w c 枝晶无法完全溶解 也就是局部溶解 溶解的程度跟熔池吸收的热量多少有关i 细 小孤立的碳化物大多数都溶解于钢基体中 熔凝层组织结构细小且均匀分布 物帽 由w c f e w c r f e c 马氏体和残余舆氏体构成 重熔前和重熔后的增强相种 类上略微发生变化 表现在除多数增强相w c 和f e w 3 c 以外的碳化物等的溶解 并析 出地c 型复式碳化物和保留残余奥氏体 电冶熔铸w c 钢复合材料激光重熔层的显微硬度和耐磨性都要好于基材 硬化 区深度随着熔深的增加而增加 熔深随着激光功率的增加而增加 随着扫描速度的 增加而减小 对于w c 含量相同的不同重熔层 耐磨性较为接近 w c 含量从4 0 w t 增加到5 0 w t 重熔层的耐磨性提高 复合材料耐磨性和硬度提高的原因归于表面 的强化效应 其强化机制为细晶强化 沉淀强化 同溶强化等 关键词 激光表面重熔 电冶熔铸w c 钢复合材料 显微组织 硬度 耐磨性 e f f e c to fl a s e rs u r f a c er e m e l t i n go ht h em 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 fe l e c t r o m e t a l l u r g i ew c s t e e lc o m p o s i t e s a b s t r a c t t b ee l e c t r o m e t a l l u r g i cw c g e e lc o m p o s i t e so f d g w 4 0a n dd g w 5 0 w e r er e m e l t e d b yc 0 2l a s c r 日姥p r i m a r yp u r p o s ev r t st of i n dab e t t o rm e t h o dt oi m p r o v et h es n r l h e e p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s t h er e s e a r c hw a sf o c u s e do i lt h ea n a l y s i so fm i c r o s t r u c t u r e t r a n s f o r m a t i o n t h ep r o p e r t i e sp e r f o r m i n ga n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es o l i d i f i e d m i c r o s m a c t u r ea n dt h ep r o p e r t y t i l er e s u l ts h o w e dt h a tt h em e l t e dz o n eh a dah i 窟i lh o m o g e n o u sa n df i n e m i e r o s w u c t u r ew i t ht h ev a r i o u sl a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa sf a ra st h eh e a t t r e a t e d s u b s t r a t ew a se o n c e r r t e d t h eu n i f o r mp h a s e s 4 e r eo b t a i n e di nt h em e l t e d2 0 n eo f d g w 4 0a n dd o w 5 0a sw e l l n kl a s e ra f f e c t e dz o n ec o b l db es e p a r a t e di n t ot h em e l t e d z o n e i r a n s i e n tz o n ea n dh e a t a f f e c t e dz o n e a sf o rt h e 一c a s ts u b s t r a t e t h em a t r i x m i c r o s t r u e t u r eo f t h es u r f a c ea l s oc o u l db er e f i n e d8 8w e l la st h ec a r b i d e s t h r e ep a r t si n c l u d i n gt h es t e e lm a t r i x w cd e n d r i t ea n df i n e i s o l a t e de a r b i d e s w e r e i n v o l v e di n t ot h em i e r o s t m e t u r et r a n s f o r m a t i o no fe l e c t r o m e t a l l u r g i ew c s t e e l c o m p o s i t e s t h es t e e lm a t r i xw e n tt h r o u g hr e s o l i d i f i c a t i o n s o m eo ft h e mr e a c t e dw i t h t h ew cd e n d r i t e f o t r u i n gt h ee u t e c t i c t h ew cd e n d r i t e sc o u l d t l tb ed i s s o l v e d c o n r p l e t e l y s o e a l l e dp a r t i a ld i s s o l u t i o n a n dt h ed e g r e eo fd i s s o l u t i o nw a sm l a t a dt ot h e t h e r m a la b s o r p t i o n t h ef i n ea n di s o l a t e dc a r b i d e sw e d i s s o l v e di n t ot h es t e e lm a t r i x d u r i n gt h em e l t i n g 1 1 p h a s e so f m e l t e dz o n ew a sc o m p o s e do fw c f e s w 3 c c r f e t c 3 m a r t e n s i t ea n dr e t a i n e da n s t e o i t e a f t e rt h em e l t i n g t h ep h a s e sc h a n g e dal i n l es u c ha s t h ec o m p l e xc a r b i d e so f m 7 c 3p r e e i p i t a t e da n dr e t a i n e da n s t e n i t e t b em i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sc o u l db ei m p r o v e db y l r i s e rs u r f a c er e m e l t i n g t h eh a r d e n e dd e p t hi n e r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em e l td e p t k w h i c hi r l c r c a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fl a s e rp o w e ra n dd e c r e a s e s v i t ht h ej n c r e a s eo fi a s e r s c a n n i n gr a t e d i f e e r e n tm e l t e dz o n eh a da p p r o x i m a t e l yt h es s m ew e a rr e s i s t a n c ew i t ht h e s a m ec o n t e n to fw c h o v c c v e r t h ec o n t e n to fw ci n c r e a s a df r o m4 0 w t t o5 0 v t h e w e a rr e s i s t a n c eo fm e l t e dz o n ej n e r e a s e d t h eh i g hm i c r o h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c e p o s s e s s e df o rt h el a s e rm e l t e dz o n ew e r ea t t r i b u t e dt ot h es t r u c t o r er e f i n e m e n t c a r b i d e s p r e c i p i t a t i o n a n d t h es o l i ds o l u t i o n o f e l e m e n t s e t e k e yw o r d s l a s e r s u r f a c e r e m e l t i n g e l e c t r o m e t a l l u r g i e w e s t e e lc o m p o s i t e m i c r o s t r u c t u r e m i c m h a r d n e s s w e a rr e s i s t a n c e 插图清单 图卜l 电冶熔铸工艺原理图一 4 图卜2d g w 4 0 经淬火回火后的显微组织图 5 图卜3 横流c o 激光器 6 图1 4磨损体积和磨粒硬度与材科硬度比的关系 9 图1 5 摩擦磨损试验原理图 图2 1 激光重熔示意图 l o 1 4 图2 2 删一2 0 0 磨损试验 1 6 图3 140一n激光影响区的划分 一19 图3 2 鱼骨共晶型过渡区组织结构 一 2 0 图3 3 重熔区x r o 物相鉴定 2 l 图3 4基材的物相标定一 2l 图3 5 基材的显微组织一一 图3 6 熔凝层显微组织 图3 7 鱼骨碳化物的t e f j 图 2 2 2 3 2 4 图3 8 重熔区域的光学显微组一 2 4图3 9 过渡区组织结构 一 一2 5 图3 1 0 未预处理4 0 m 熔凝表层组织结构 2 5 圈3一11横截而硬度分布曲线 一27 图4 1 铸造态d g y 4 0 多道激光重熔处理层 一一3 0 图4 2铸造态dgw50激光重熔层组织结构 32 图4 3 熔池表层和底部组织结构 一3 3 图4 4 重熔层和基体显微结构一一一图4 5 铸造态d g w 5 0 激光重熔层的x r d 衍射 图5 14 0 m 激光重熔后的光学显微图 图5 2 预处理4 0 一l 重熔层光学显微组织 图5 3 预处理4 0 一l 重熔层s e m 图 图5 4 预处理4 0 l 的x r d 衍射 图5 5 激光重熔热影响区 3 4 3 4 3 7 3 8 3 8 3 9 4 1 图5 6 激光热影响区厚度随激光功率的变化曲线 一 一4 2 图5 7 激光热影响区厚度随激光扫描速度的变化曲线一一 4 2 图58 不同激光功率扫描后的组织结构 4 3 图5 940 l激光重熔层 44 图5 1 0d g w 4 0 和d g w 5 0 显微组织 4 5 图5 i l i 6 w 5 0 基体的x r d 衍射一 4 6 图5 1 24 0 l 和5 0 一l 重熔层的扫描电子显微结构 4 7 图5 1 3 预处理5 0 l 的x r d 衍射一 一一4 8 图5 一1 4 熔深随激光功率的变化曲线 4 8 图5 一1 5 熔深随激光扫描速度的变化曲线 4 8 图5 一1 6 重熔层到基材的横截面显微硬度分布曲线 4 9 图51 7 基材和重熔层的磨损系数 5 0 图5 1 8 磨损体积随滑动距离的变化曲线 5 l 图51 9w c 含量的不同对基材和重熔层磨损体积的影响 5 i 图5 2 0d g w 4 0 重熔层和基材的表面磨损形貌 一一5 2 图5 一z l5 0 l 重熔层的磨损彤貌 一 5 2 图5 2 2 磨损形貌的低倍图 5 3 表卜l 金属基复合材料制取工艺 表格清单 表2一l铁 碳化钨主要性能参数的比较一 表2 2 试验基材的化学成分组成 表2 3 选用的激光工艺参数 表2 4 表征设备 3 1 2 1 3 1 4 1 5 表2 5 轴承钢g c r l 5 的化学成分 1 6 表3 1 组织的e i s 测试 一 2 4 表4 1d g w 5 0 基体组织元素的e d s 测试 3 3 表5 一i 基体e d s 测试 q o 表5 2共晶碳化物eds测试一40 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我 所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果 也不包含为获得佥b 曼 些盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材辩 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 瞄氛 g 签字日期 如冲 月卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒筵王 业盔堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留井向 国家有关部门或机构送交论文的夏印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权盒目巴王些盘 学可以将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 缩印或扫描等 复制手段保存 忙编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者虢知跌荨 签字日期 年 月j 1 日 学位论文作者毕业后去向 上作单位 通讯地址 导师繇彬垃研 i 签字日期 协 年r 月j 1 日 电话 邮编 致谢 岁月如梭 毕业瞬问在即 值此论文付稿之即 向所有为本实验的完成 提供支持和帮助的人致以我衷心的感谢和美好的祝愿i 首先感谢导师尤显卿教授给予作者的指导 启发和鼓舞 尤老师在学术 上孜孜追求 在学业上给予作者无私的教诲 在生活中平易近人 对待作者 关怀各至 作者非常感动 导师忘我的工作精神 严谨的治学作风和科学的 思维方法使学生受益终生 值此论文完成之际 谨向恩师致以最崇高的敬意 和最衷心的感谢 其次在实验进行过程中 材料学院实验中心的郑玉春 程娟文 王学伦 张明秀老师给予了大力支持和细心指导 x 射线实验室的唐述培老师作了大 量精心细致的分析工作 摩擦所的田明老师给予极大的指导 在此一并表示 衷心的感谢i 再次要感谢师兄宋雪峰和其他同窗好友在课题研究中给予了许多无私的 帮助和热情的鼓励 最后 感谢亲爱的家人对作者生活上无微不至的关心和学业上不遗余力 的支持 作者 张成军 9 0 0 4 合肥 1 1 引言 第一章绪论 在材料的使用和不断发展中 逐步确立了复合材料使用的重要性 体现在其 综合性能及经济实用性上 更成为航天航空领域的研究热点 人类使用复合材 料有几千年历史 复合材料 c o m p o s i t e sm a t e r i a l s 这一术语大约出现在2 0 世 纪5 0 年代 随后对复合材料进行了严格的定义 简言之 复合材料是由两种或 两种以上不同性质或不同形态的原材料 通过适当的方法复合而成的材料 通 常其性能优于单一组元 ij 组成复合材料的组元可以分为增强相和基体 复合材 料按基体材料类型大致可分为 树脂基复合材料 无机非金属基复合材料以及 金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 p m m c 是金属基复合材料研究和应用的重要分 支之一 p m m c 通常作为工模具材料而得到广泛的应用 也可用于制作优良的涂 层材料 被誉为2 1 世纪的新材料口j 制各p m m c 的方法极为丰富 传统方法如铸 造 粉末冶金等 新型方法如喷射沉积法 电冶熔铸法等 更为先进的方法 如采用等离子弧和激光合成等 该种材料的主要优点在于结合了金属和增强相 的相关特性从而获得满意的综合性能 如高的比强度 比刚度 高硬度以及一 定的韧性等i 同时还具有一些优良的工艺加工性能 如铸造 挤压及轧制等 因此 制造蹦m c 的方法不仅多样 其服役环境也较为复杂 如耐磨 抗疲劳环 境等 有些甚至可用于光电材料i b j 该类材料在航空领域 汽车工业以及结构性 材料方面得到了巨大的用处 通常首次制备的p m m c 在组织和性能上难以满足要求 对p m m c 的后续处理 特别是熟处理成为关键 研究采取何种后续处理手段便成为p m m c 研究的热点 而在众多处理手段中 激光表面改性是一门崭新的技术 其应用研究兴趣广泛 激光处理的显著特点是加热速度快 冷却速度快 可以获得常规方法难咀获得 的性能 可进一步改善材料的表面性能 如耐磨性 耐蚀性以及抗疲劳性等i 7 0 1 1 激光表面改性技术可以分为激光表面相变硬化 激光表面熔凝 激光表面熔覆 和激光表面合金化以及激光表面冲击强化等 l 1 激光表面改性是一门很有前 景的技术 国内外学者不断开展了相关的研究 将激光应用到颗粒增强金属基复合材料的制备和表面改性 将给该类材料 带来新的活力 目前来说 激光表面相变硬化技术较为成鹅 处理过程相对简 单 其他激光表面技术 特别是和熔化相关的 如激光表萄熔覆 激光表面合 会化等 还不够成熟 还不能够或者没有完全应用于生产中 研究的空白点较 多 1 2 颗粒增强金属基复合材料的分类 制备方法及发展概况 1 2 1 颗粒增强金属基复合材料的分类 按基体类型分为 铝基 钛基 铁基 镁基 铜基 锌基 镍基 耐热金 属基 金属化台物基等 按增强颗粒分为 碳化硅 氧化铝 氮化钛 碳化钛 碳化钨 碳化硼 石墨 金刚石等 增强颗粒通常具有高强度 高模量 耐热 耐磨性好 耐高温等优点 而金属基体一般拥有良好的塑性和韧性 由于可选 择的基体材料和增强颗粒的种类繁多 由基体和增强颗粒组合可制成多种金属 基复合材料 实际中 是按照一定使用要求来选取材料种类 1 5 比如 高性能发动机要 求复合材料不仅具有高比强度 比模量等性能 还要求复合材料具有优良的耐 高温性能 能在高温 氧化性气氛中服役 一般的铝 镁合金不宜选用 而选 择钛基合金 镍基合金以及金属间化合物作为基体材料 如s i c t i w c n i 等 再比如电气元件方面 集成电路需要高导热 低热膨胀的金属基复合材料作为 散热元件和基板 般选用高导热率的银 铜 铝等金属为基体 选用高导热 率 低热膨胀 高比强度及比模量的碳化硅作为增强颗粒来应用于高集成电子 器件的关键材料 新型颗粒增强金属基复合材料当属纳米颗粒增强或是含有一定比例的纳米 颗粒金属基复合材料 在颗粒增强金属基复合材料中 f 入纳米颗粒 可以起到 自润滑的效果 可以有效地改善复合材料的耐磨性 得到了国内外学者的广泛 的研究l 1 6 1 1 2 2 颗粒增强金属基复合材料制备方法及发展概况 制各颗粒增强金属基复合材料的方法可以分为传统方法和新型方法 传统 方法主要是粉末冶金技术和铸造技术 新型方法比较多 一类是结合粉末冶金 和铸造的方法 比如电冶熔铸法 喷射分散法等 另一类是采用新型的热源来 制备复合材料或者表面复合材料 如电沉积 离子喷涂及激光合成等 也有按 照制备过程中材料的状态来划分其制备方法 比如液相法 固相法 半固态法 以及自反应合成法等 铸造法可以分为 半固态铸造法 液态搅拌法 喷射分散法 超声振动法 中间合金法以及离心铸造法等 铸造法的优点在于可以获得大块的材科 且技 术简单侠捷 但不利在于增强颗粒容易团聚 造成分布不均 粉末冶金法是将 增强颗粒与金属粉充分混合后冷压成型 真空加热到固液两相区内热压 将热压 后的坯料进行热挤压或冷轧制成零部件 与铸造法相比 其优点在于复合温度低 从而减轻了基体与增强相界面反应 故复合材料的性能一般优于铸造法 且增强 相的体积分数可任意调节 颗粒含量可达5 0 以上 成分比例准确 增强相分布 均匀 并且可以实现最终成型且节约材料 此方法的缺点是 设备 工艺复杂 生产效率低 金属微粉的价格较高 增强体与基体尺寸差大 分布不均匀 不 适合用来生产大件 复杂件 表i l 为各种制各金属基复合材料的比较图 川 展示了制各路线 成本 适用范围等 其中 扩散粘连是在真空环境中 加压 相互扩散而粘连 表i 一1 金属基复合材料制备工艺 t a b l e i i c o m p a r i s o no f m m c st e c h n i q u e s 电化学法制各金属基复合材料是一种新型方法 是利用电沉积的原理形成 金属基体 同时也可 三l 用来生产颗粒增强型金属基复合材料 电化学方法制各 金属基复合材料 是利用电沉积的原理形成金属基体 它具有如下优点 2 0 1 在 较低温度 1 0 0 下进行 大大降低了生产成本 可避免界面反应引起的界面脆 性层的形成和纤维强度的弱化 设备简单 易于对工艺参数进行精确控制 以 得到所要求的制品 对于连续纤维增强金属基复合材料 易于精确控制纤维闻 距 体积分数 所得复合材辩纤维与基体界面结合良好 因此 该法近年来备受 关注 成为金属基复合材料制备方法中研究最多的方法之一 其中复合电沉积法 广泛应用于制各颗粒增强金属基复合材料 其增强相可以是陶瓷颗粒 如s i c z r oz a l 0 a m o s z 等 而所谓复合电沉积 就是在电镀或化学镀溶液中加入非水 溶性的固体微粒 使其与主体金属共沉积在基材上的涂覆工艺 所得到的镀层称 为复合镀层 1 2 3 电冶熔铸法制备颗粒增强金属基复合材料 电冶熔铸法是结合了粉末冶金和铸造方法生产颗粒增强金属基复合材料的 一项新技术 j 其大致过程为 在电渣炉内 于熔融的钢液中加入托粉末颗 粒 伴随电磁力的搅拌制成浆料 然后在铸型中快速冷却成型 图卜l 是其制 备工艺原理图 在单臂立柱式电渣炉中将自耗电极熔化 电流自变压器经短网 至自耗电极 渣池 电渣锭 底水箱返回变压器形成回路 强大的电流在通过 熔渣时放出大量的电阻热 渣池处于1 7 0 0 左右的高温过热状态 使浸入渣池 内的自耗电极熔化 自耗电极端头在熔渣内受熔渣的电阻热 沿表面逐层熔化 熔化的基体钢液沿锥形电极端头形成薄膜 钢液细流沿锥面滑移 在端头汇聚 成滴 钢液熔滴内可产生湍流 不断更新表面 自耗电极熔化形成的细小的基 体钢液熔滴在重力和电磁引缩效应作用下 脱离电极滴落 穿过液态渣池 与 高温渣相发生一系列物理化学反应后 滴落到基体钢液熔池内 由于受四周水 冷结晶器的强制冷却作用 钢液逐渐凝固成型 电冶熔铸过程中 铸件由下而 上地顺序凝固 使基体钢液熔池和渣池不断向上移动 上升的渣池首先在水冷 结晶器内壁形成一层渣壳 这层渣壳不仅使铸件表面平滑光洁 也起到保温隔 热的作用 并使更多的热量由铸件传给底部冷却水 这将更有利于铸件结晶过 程白下而上地进行 倦 瞻 图i 一1 电冶熔铸工艺原理图 f i g 1 1 p r o c e s s i n gd i a g r a mo f t h ee l e c o s l a gm e l t i n ga n dc a s t i n g 4 经过适当的淬火回火后 其中的颗粒分布较为均匀 图卜2 是以6 c r l 5 钢 为基体 分别加入4 0 w t 制成的电冶熔铸w c 钢复合材料 d j w 4 0 经热处理后 的显微组织图 从圈中可以看出 在钢基体中分布着两种类型的碳化物 一类 是树枝晶碳化钨 另一类细小弥散的碳化物 进一步的分析可以看出 树枝晶 碳化钨是由许多中等大小的碳化钨颗粒构成 或者说大块碳化钨已经分散成中 等碳化钨 堆积在一起 实际上 这种分散型的碳化物可以起到增强基体的作 用 见图卜2 b 图1 20 6 w 4 0 经淬火回火后的显微组织削 a 光学显微结构图 h 扫描电子显微图 f i g 1 2 m i c r o s t r d c l u r eo f d g w 4 0a f t e r h e a t t r e a t m e n t a o m m i c r o s t r u c t u m b s e m i m a g e 1 3 颗粒增强金属基复合材料的激光制各 激光的发展源于1 9 6 0 年第一台激光器的研制成功 随后激光被应用于材料 科学领域 成为材料科学中一个崭新的研究方向 激光作为热源可以对试样进 行熔化处理 制备块体复合材料或者表面复合材料 近年来 颗粒增强金属基 复合材料的激光表面重熔和激光直接合成的研究吸引了国内外学者的广泛热 情 其应用在三个方面 一个是对采取其他方法制备的块体复合材料表面进行 重熔处理 一个是进行表面颗粒增强金属基复合材料的制备 比如熔覆 激光 注渗等 另外一个是直接合成小块颗粒金属基复合材料 1 3 1 激光束的特性 激光与其他光源相比 具有单色性好 相干性好 方问性好和亮度高等特 点 1 1 单色性好 激光为单一波长 谱线宽度极窄 通常在数百纳米至几微米 与 普通光源相比 谱线宽度窄几个数量级 2 相干性好 激光有很好的相干特性 激光束叠加在一起 其幅度是稳定的 在相当长时间内 可保持光波前后的相位关系不变 这是任何其他的光源所办 不到的 3 方向性好 激光发散角小 一般为几个毫弧度 方向性也好 如将激光束射 向月球 霓l j 在月球表面的光斑直径不超过2 k m 而普通光源发出的光 向四周发 散 谈不上方向性 3 能量密度或亮度高 所谓亮度 光学上的定义是 光源在单位而积上某一方 向的单位立体角内发射的光功率 激光束能通过一个光学系统 如透镜 聚焦到 一个很小面积上 具有很高的亮度 经过透镜聚焦 可比太阳光亮1 0 万倍 1 3 2 常用的激光器 用于激光热处理的固体激光器通常是掺钕钇铝石榴石激光器 简称n d y a g 激光器 钕玻璃激光器和红宝石激光器等 气体激光器通常是c o 激光器和准 分子激光器 激光热处理中常用的一种固体激光器i i d y a 6 是在钇铝石榴石 y a 1 o 0 基体中掺入氧化钕 n d o 而制成的 n d y a g 具有荧光谱线窄 量子效率高 导 热性好等优点 一般用来切割 焊接 打孔等 也有人用来作为材料表面改性 的手段加以研究1 2 l c 0 激光器是气体激光器中常用的一种激光器 通常用于热处理的激光波长 为1 0 61 1m 此波长的激光与材料相互作用可以被看成是热作用的过程 根据气 体流动方向 放电方向和光轴方向的相互位置不同 c o 激光器可分为横向流动 简称横流 c 0 2 激光器和纵向流动 简称纵流 c o 激光器两大类 此外还有封 闭式c o 激光器 目前横流c o 激光器 见圈i 3 主要采用三釉正交结构 即 气流方向 放电方向和光轴方向三者相互垂宜 横流c 0 激光器的最大特点是 可以获得体积均匀的辉光放电 因而可获得更大的激光输出功率 目前这类激 光器的最大输出功率己达到或超过1 5 0 k w l 2 9 1 图卜3 横流c o z 激光器 f i g 1 3 s c h e m a t i co f t r a n s v e r s e f l o w c o z l a s e r 6 l 3 3 激光合成颗粒增强金属基复合材料的研究概况 激光在材料表面改性和材料合成方面显著的优点是加热速度快 冷却快 工艺可控性好 表面冷速可达1 0 6 k s 而一般铸造的冷速1 0 3 k s 凝固时晶粒 的尺寸与冷却速度有关 冷却速度越快 增加形核率 从而降低原始晶粒尺寸 通常材料晶粒度的降低可以显著改善材料的力学性能 同时凝固时相变远离于 平衡状态 而元素的扩散受温度的影响较大 快速冷却元素的扩散将受到限制 凝固后组织结构分布更为均匀l 1 界面结合性一直被列为影响复合材料的性 能方面一个关键因素 由于金属基体的完全熔化 高温液相金属浸润性更好 凝固后复合材料间的界面结合非常紧密 不利的因素在于温度过高 硬质颗粒 与基体可能会发生溶解反应 比如w e 钢复合材料 但对于w c 铜这类复合材料 两相无反应 铝和钛及其合金具有密度小 耐腐蚀及独特的机械性能 但是由于极差的 耐磨性 其应用受到很大的限制 利用激光注渗可以在表面形成一层颗粒增强 金属基复合耐磨 一般来说 陶瓷和金属的润湿性差 形成良好的界面结合性 困难 而在激光的作用下 陶瓷颗粒和金属基体间会发生反应 形成反应层 以及可以进一步增加结合力 显然高能激光对于解决这个问题有帮助 o c e lj k 等l j 利用高能激光分别在a l 一8 s i 和t i 一6 a 一4 v 基材表面注入s i c 和w c 硬质颗 粒形成耐磨层 颗粒与基体之间形成反应层 结合性得到了增强 直接的激光合成颗粒增强金属基复合材料是一种比较新颖的方法 得到了 国内外学者的研究 可以通常熔化松散的金属粉末形成一个薄层 再熔化薄层 注入硬质颗粒形成一层颗粒复合材料 再以此下去直到形成大块所需的复合材 料 顾冬冬等 4 j 通过试验 采用全自动控制粉末分散以及选择合适的粉末粒度 和含量成功合成了w e 铜复舍材料 其c u 粉末粒度为1 5 hm 一1 0 c o 的粒度 为0 6 pm 时 分别加入了2 0 w t 3 0 w t 4 0 w t 的硬质颗粒 比较发现 随着 硬质颗粒体积分数的上升 复合材料的硬度增加 但断裂强度在3 0 w t 左右最好 两边较低 这说明 加入硬质颗粒可以增强复合材料 但是材料的综合性能 如断裂强度与硬质颗粒的体积分数有关 存在最优值 同时激光合成存在的问 题主要是粉末容易团聚和薄层容易卷曲变形 可以通过控制工艺参数和粉末粒 度来解决该类问题 1 3 4 激光表面熔凝的传热传质规律 由于激光的单向性 高热能等特点 激光可以直接作为材料表面熔凝的优 良手段 可以有效的改善材料表面的耐磨性 抗疲劳性以及耐蚀性等 并且对 于研究定向生长也极为有利 3 5 激光表面熔凝材料过程中 不仅涉及传热过程 而且也包括传质过程 首 要的问题便是传热规律的揭示 目前国内外学者对此进行了研究 在材科快速 凝崮的研究中 传熟模型是沿用传统传热学理论及方法导出的 其理论基础为 傅立叶 f o u r i e r 定律 如式l 一1 o t o t 口v 2 t 1 1 式中 t 为温度 k t 为时间 s 为导温系数 m 2 s 这个方程有其局限性 因为其本质在于假定热流通量与温度剃度成正比 热传导为速度无限大的扩散过程 在物理意义上有其局限性 已经表明 在接 近绝对零度和超急速传热条件下 热量以热波形式传递 传导不符合经典 f o u r i e r 方程 对于一有限厚度的金属平板 采用非f o u r i e r 传热模型 其方程 0 6 1 吉窘 丢詈 圭i 烈州 乒害l c t z 式中 o 为热波传播速度 m s g 为源项 g 取0 为热导率 w m k 在固一液边界上 能量和溶质守恒方程为 芦争 曙鲁 鲁 一 骞警 害l c 卜s 式中 p 为密度 k g 厢 q 为热流密度 l 为熔化潜热 j k g y 为界面 位置变量 下标i 表示固液界面 s 和l 代表固相和液相 有了这样的模型后 可以对纯金属激光熔凝过程进行较为合理的计算 而对于颗粒弥散分布且颗粒 粒度极小的情况也可以利用模型进行诸如熔深 界面移动速度的估算 1 4 激光重熔托 钢复合材料的耐磨性分析 1 4 i 耐磨性提高的基本原理 w c 铜复合材料作为工具材料来讲 其性能主要体现在耐磨性 耐蚀性 一 定的强韧性以及抗疲劳性等 材料的耐磨性 耐蚀性和抗疲劳性之间有着一定 的联系 因为材科在实际服役过程中往往同时发生磨损 氧化腐蚀以及疲劳等 现象 激光重熔实质上就是利用激光加热熔化材料表面实现表面的凝固成形 其改善性能方面也突出表现在耐磨性 耐蚀性以及抗疲劳性等 耐蚀性方面的 改善大致可以归于材料表面合合化成分的提高 对于w c 钢复合材料 表面重熔 会促使钢基体中钨元素含量升高 从丽可以提高其耐蚀性 或者加入耐蚀性元 素 进一步增强其性能 抗疲劳性可以归于颗粒与基体的结合性 复合材料微 观缺陷 诸如气孔 致密度等方面的改善 而由于激光的快速冷却导致晶粒细 化 材料致密度提高 颗粒与基体之间的结合增强等均可从一定程度上改善重 8 熔层的耐磨性 耐磨性分析仍然沿用已有的分析手段和方法 磨损可以分为粘着磨损 磨粒磨损和腐蚀磨损 由于w e 钢复合材料中存在 的w c 硬质颗粒 实际中不可避免的要形成磨粒 从而要将其归属于跨粒磨损 磨粒磨损就是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微凸起 或者在接触面之间存在 着硬质粒子时所产生的一种磨损 由于存在w c 硬质颗粒 磨损属于硬磨粒磨损 按照已有的研究 磨损体积和磨粒硬度h 与金属材料硬度h 比的关系曲线如图 卜4 所示i i 曲线分为三个区域 i 区h a h 硬磨粒磨损区 磨损量大 图中 a 与b 两个转折点对应的h a h 分别为0 7 1 i 和1 3 1 7 要降 低磨粒磨损速率 必须使材料的硬度大与磨粒硬度的1 3 倍 这是获得低磨损 速率的判据 在软嘻粒瞎损情况下 材料的磨损是通过表面严重变形 疲劳而 发生的 硬度成为次要因素 提高材料的硬度对提高耐磨性作用不大 在磨卡立 硬度较高的i 区 硬度是控制因素 嚣 垃 曙 缸 h 担 图1 4 磨损体积和磨粒硬度与材料硬度比的关系 f i g 1 4 r e l a t i o n s h i po f w a 3 l rv o l u m ev s t h er a t i oo f w e a rp a r t i c l e sh a r d n e s sa n dm a t e r i a l s h a r d n e s s 1 4 2 磨损测试常用方法 磨损试验方法分为实物试验与实验室试验两类 研究的是实验室试验 图 15 为常用的实验室磨损测试机原理图p 8 4 2 1 j b l 手 守饼 由 e m 图l 一5 摩擦磨损试验原理图 8 滚筒式 b 往复运动式 c 快速磨损 d 销般式 e 销筒式 f 砂纸磨损 f i g t l 5 s c h e m a t i co ff r i c t i o na n dw g a r 的r o l l e r b s i i d i n g c r a p i dw e a r d p i n o n d i s c e p i n o n r o l l e r f w e a ro ns a n dp a p e n 磨损试验时按摩擦副运动方式 往复 旋转 及摩擦方式 滚动或滑动 确定试验方式 并应使速度 试验力和温度等因素尽可能接近实际服役条件 试样加工应保证相同的精度及表面粗糙度 根据不同的机理 磨损主要有四种基本类型 粘着磨损 磨粒磨损 表面 疲劳磨损以及腐蚀磨损 在很多情况下 可能有一种以上的机理同时在起作用 只是某一种机理起着主导作用 这是造成磨损研究复杂化的原因之一 1 5 本课题的研究内容及意义 本课题来源于安徽省教育厅重点资助项目e w e 在快速电渣重熔制备钢结合 金及激光改性过程中溶解研究 项目编号 2 0 0 6 k j 0 1 6 z d 的部分内容 原课题的主要内容 1 采用电冶熔铸的新工艺制备了不同含量及粒度的w c 钢结硬质合金 以g c r l 5 轴承钢及中碳铬钼合金钢为基体材料 2 以原始态为研究对象 分析磨损 断裂过程及断裂机理 机制 研究组织 中的碳化物的形态及大小与磨损 断裂韧性的关系 3 在对w e 钢复合材料断裂的基本过程和机制的研究基础之上 对复合材料进 行热处理 分析热处理工艺的改变所引起的组织变化对材料磨损以及断裂韧性 的影响 1 0 4 操索硬质相对材料断裂韧性的影响 包括颗粒含量 颗粒尺寸和颗粒形态 分布状态等因素对其影响 提出w c 钢结硬质合金的增韧机制 改善材料的磨 损性能 w c 钢复合材料 在工模具材料方面得到广泛的应用 推广使用该类复合材 料能够带来明显的经济效益 主要原因在于构成复合材料的组元之一的钢铁材 料极为丰富 并且我国钨矿资源也极为丰富 除此之外 在于该类复合材料具 有良好的综合性能 如高强度 较好的韧性以及耐磨性等 可以一定程度上减 少零部件的使用损耗 本文所述的w c 钢复合材料 在过去被称为钢结硬质合金 大多是用粉末冶金法制得的 其定义为用钢作为粘结剂 制备的金属基陶瓷 因此w c 钢复合材料是更具一般的概念 可以包括一些含w c 量少或含多种碳化 物的复合材料 电冶熔铸法制备w c 钢复合材料是利用废弃的轴承钢于熔融状态下加入亿 颗粒所制得 该法简单易行 经济效益良好 该法有其不利的地方在于电磁搅 拌无法完全阻止颗粒团聚 粗大连续的树枝晶碳化物对整体力学性能不利 目 前改善不利组织结构的方法在于进行二次重熔 在一定程度上缓解树技晶的连 续性 当然后续热处理对于整体性能的改善也是至关重要 因为电冶熔铸其本 质为铸造 区别在于加入电磁力的搅拌 控制w c 颗粒的分布 对铸态组织来说 显然需要经过淬火 回火处理方可满足使用 激光用于材料制备和材料表面改性是一种新型的方法 被国内外学者认为 是非常有前途的技术 其应用研究开展了近三十年 激光重熔电冶熔铸w c 钢复 合材料是利用高能激光在有保护气氛或没有保护气氛的条件直接照射复合材料 表面形成表面重熔层 通常重熔层的结构以及力学性能不同于常规方法 可以 获得实际的益处 因此可开展其对表面组织性能影响的研究 工艺设计研究以 及理论计算研究等 本谋题在原课莲的基础上 将激光重熔技术应用到电冶熔铸w e 钢复合材料 上来 主要研究激光重熔对电冶熔铸w e 钢复合材料组织性能的影响 研究组织 转变 硬度和耐磨性的变化 其研究具有咀下意义 1 研究激光重熔前后组织 转变与性能的变化的关系 给激光重熔应用于该类材料提高理论支持 2 进 一步推广w e 钢复合材料的应用 给激光重熔工艺的制定提供参考 3 有利于 推向生产 改善实际零部件的表面性能 取得经济效益 4 给w c 钢复合材料 的制备研究带来新的亮点 其结果可能有助于开展激光直接合成w c 钢复合材料 的研究 或类似的w c 颗粒增强金属基复合材料的合成研究 如w c c u 2 1 基材选用 第二章试验材料 性能测试及分析表征 已有的研究表明 绝太多数金属材料在作激光重熔表面改性时并无严格的 要求 或者说激光重熔应用于金属类材料的范围极广 大多数金属类材料都可 以作为激光重熔基材 但是在进行w c 钢复合材料的激光表面重熔研究时 关键 要考虑的是复合材料中w c 含量和颗粒大小 由于 c 和钢基体的热容差别较大 激光重熔过程的特点是快速传热 而w c 的比熟要比钢材大 其传热速度慢 因 此容易导致热应力 如果选用过多含量或者过大w c 颗粒的复合材料 表面重熔 时容易产生裂纹 得不到合格的重熔层 采用电冶熔铸法可以生产多种含量w c 钢复合材料 其中钢基体选用g c r l 5 轴承钢 g c r l 5 是目前国内常用的一种 c r 系列的轴承钢 其成本低 钢含有 铬元素 钢的淬透性和奥氏体稳定性好 具有较高的硬度 并可使钢中的碳化 物呈均匀而细密的分布而使其耐磨 淬火加回火后的组织是极细的回火马氏体 和分布均匀的细粒状渗碳体及少量的残余奥氏体 加入s i h n 主要是为了进一 步提高淬透性 已选用的w c 含量 粒径以及编号如下 1 w c 2 0 含1 8 w c w c 颗粒大小为4 0 pi n 2 w c 3 0 含2 7 w c v c 颗粒大小为8 0 1 2 0 ui 1 1 3 c 4 0 含3 7 w c w c 颗粒大小为1 5 i tm 和4 0 u i i i 两种 4 w c 5 0 含4 6 w c 颗粒大小为4 0pm 针对f e w c 体系 表2 1 给出了其性能的主要参数 w c 的熔点很高 其 导熟率较差 w c 为简单六方 其承受塑性变形的能力也要比f e 差 w c 是复合 材料中的增强相 是硬质材料 其特点是硬度高 表2 1 铁 碳化钨主要性能参数的比较 t a b l e 2 1 c o m p a r i s o n o f p h y s i c a lp r o p e r t i e s b e t w e e l l f ea n d w c 由于w c 含量太低的时候 比如2 0 w t 实际上已经接近于高速钢中的w c 含 量 国内外有人对此进行过研究 但是对于 c 含量更高的材料 国内外研究的 较少 因此本文选用w c 4 0 和w c 5 0 制成的分别编号为b g w 4 0 和d g w 5 0 复合材料 作为激光重熔的基材 束开展激光重熔应用研究 表2 2 为其化学成分 表2 2 试验基材的化学成分组成 t a b l e 2 2 c o m p o s i t i o no f t h es u b s t r a t e s 通常需要对首次制得的电冶熔铸w c 稠复合材料进行淬火回火处理 以获得 最终满意的使用性能 经过这样处理后 组织上能够获得钢基体上较为弥散分 布着碳化物颗粒这样的组织结构 性能上不仅能够保证一定的强度 还可以具 有一定的韧性 从而获得强韧性兼备的综合性能 淬火温度为1 0 5 0 2 保温2 0 分钟后油淬 回火温度为2 0 0 4 5 0 c 保温时间约为3 小时 2 2 激光设备和工艺参数 激光设备选用5 o k w 横流