激光熔覆技术涂层和基体是什么类型的结合

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-06-18 11:00 标签： 激光熔覆
李瑛,余刚,刘跃龙,叶立元,郭小华;[J];表面技术;2003年02期
陈长军,王东生,郭文渊,王茂才;[J];材料保护;2003年01期
曾爱平,薛颖,钱宇峰,王志杰,黄元伟,陈英;[J];材料导报;2000年03期
薛文彬,来永春,邓志威,陈如意,刘诰;[J];材料科学与工艺;1997年02期
蒋百灵,吴国建,张淑芬,雷廷权;[J];材料热处理学报;2002年01期
薛文斌,邓志威,来永春,陈如意,张通和;[J];金属热处理学报;1998年03期
蒋百灵,张淑芬,吴国建,雷廷权;[J];中国有色金属学报;2002年03期
余刚,刘跃龙,李瑛,叶立元,郭小华,赵亮;[J];中国有色金属学报;2002年06期

【摘要】：H13(4Cr5MoSiV1)合金模具钢作为热作模具钢中使用非常广泛的模具钢之一,被广泛使用在冲击载荷大的压铸模、锻模、热挤压模等。在实际使用的过程中,例如,H13钢制分流模在铝型材的挤压过程中起到至关重要作用,其主要失效形式是热疲劳磨损和断裂。激光熔覆是一种先进的表面强化技术,可以很好地解决分流模的使用寿命问题。从现有的研究报道来看,在H13钢表面熔覆高温合金增强相的涂层,特别是有关如何获得使熔覆涂层质量良好的激光熔覆工艺参数的研究目前偏少。本文采用激光熔覆技术在H13钢表面激光熔覆Ni基合金涂层,分析了涂层与基体结合的组织形貌、物相组成以及涂层的力学性能。并依据涂层的熔覆尺寸,采用数据分析PCA-TOPSIS法,优化得出最优的工艺参数。为提高H13钢在挤压模具中的综合性能,延长其在生产实际中的使用寿命,同时也为激光熔覆工艺参数的优化提供理论和指导。本文介绍了利用正交试验分析激光熔覆工艺参数对熔覆尺寸的影响;借助光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析了不同激光熔覆工艺对涂层宏观形貌以及组织形态的影响;借助X射线衍射仪(XRD)分析对涂层的成分进行定量分析;采用显微硬度计对各涂层截面沿层深方向的显微硬度进行表征;同时也对涂层的磨擦磨损性能以及常温疲劳性能进行表征。依据光学显微镜和扫描电镜分析涂层的组织形态和微观形貌,分析不同的激光熔覆工艺参数对熔覆涂层的宏观形貌影响,并对微观缺陷进行分析。采用数据分析方法PCA-TOPSIS法,依据单道熔覆的几何尺寸,优化出最优工艺参数。H13钢中添加Ni基合金的X射线衍射图谱表明,在Ni60A涂层主要由Cr23C6、γ(Fe-Ni)和Ni2Si等相组成,H13钢基体表面主要由CrFe4、Fe3C和α-Fe等相组成。涂层的显微硬度测试结果表明,涂层的显微硬度比基体有明显的提高,熔覆层截面显微硬度平均高达800HV,是基体的3~4倍。涂层的摩擦磨损实验表明,Ni60A涂层和H13钢基体在不同的载荷下,Ni60A涂层的磨损量并不随着载荷的增大而线性增大,当载荷从1200g增大到1600g时,磨损量明显变大;当载荷超出1600g时,磨损量基本不变。而H13钢的磨损量随着载荷的增大也随之呈现出线性变化,即H13钢的斜率是定值。涂层的耐腐蚀性能测试结果表明,Ni60A熔覆层的耐腐蚀性能比基体有明显的提高。为了修复失效的H13模具钢,引入了粉末吸热密度和稀释率的概念,探讨了两者的函数关系式,结果表明两者满足指数函数的关系,并通过实验得到了验证。H13钢表面熔覆Ni60A涂层的疲劳拉伸试验表明,不同的激光熔覆工艺参数下的疲劳寿命明显不同,稀释率在30%-35%之间的试样拉压疲劳寿命明显达到H13基体试样寿命的70%,为Ni基合金在稀释率可控性方面提出了理论指导。也为以后激光熔覆再制造技术在热挤压模修复中提高理论指导。

【学位授予单位】：江苏理工学院
【学位授予年份】：2017


【摘要】：高速列车制动盘是保证列车运行安全可靠性的重要制动部件之一,而在长期运行过程中,制动盘会受到摩擦磨损和热疲劳而失效。无论制动盘的磨损还是热疲劳,只在制动盘摩擦面的表层及近表层出现,由于激光熔覆涂层与基体呈冶金结合且基体热影响区窄、热变形小等特点,应用激光熔覆技术开发一种新的制动盘用金属基复合材料。提高制动盘的摩擦磨损和抗热疲劳性能,延长其使用寿命,进而提高制动部件的安全可靠性,降低运行维护成本。本论文通过从熔覆材料的选择、熔覆工艺参数的单因素变量试验和多因素正交试验确定了适用于高速列车制动盘基体的激光熔覆粉体材料及工艺参数与熔覆成形的规律关系。采用显微金相、显微硬度、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等分析了激光熔覆层的组织、硬度、元素分布、以及强化相等;通过拉伸试验、微型剪切试验、高温摩擦磨损试验评价熔覆层的力学性能、熔覆层与基体的结合强度、以及高温磨损性能;最后应用惯性制动试验,综合评价熔覆层的制动性能、熔覆层与闸片之间的匹配性能及磨损机制。(1)应用激光熔覆技术在制动盘基体材料上制备Co基和Ni基熔覆涂层,采用国产牌号的Ni45、Ni60、Co06、Ni40四种粉体,选出熔覆层中无气孔和裂纹Ni40和Co06粉体,并采用两种粉体同时进行熔覆工艺参数的单因素变量试验和多因素正交试验,获得了各工艺参数对熔覆成形的影响规律,并依此做为指导确定了制动盘熔覆的较优工艺参数。(2)Ni40和Co06熔覆层的组织从熔覆层的近熔合线、底部、中部、到顶部的组织依次为平面晶、柱状晶/胞状晶、树枝晶和等轴晶。Ni40和Co06熔覆单层的硬度都在370HV0.5左右。而热影响区的硬度由于激光淬火作用而高于基体和熔覆层,并且随着激光功率的增大,热影响区的硬度增大,熔覆层的硬度减小。(3)Co06的熔覆层的微型剪切强度为771MPa在所有微区中最大,而Ni40熔覆层的剪切强度为551MPa,在所有微区中最小。Co06和Ni40熔覆层断口分别为枝晶断裂和准解理断裂。Ni40熔覆熔合区剪切断裂位置沿着熔覆层与基体的界面处,而Co06熔覆并未在界面处断裂,说明Ni40熔覆层界面处的结合强度较低。相对于基体,Co06熔覆层的抗拉强度是基体的1.87倍。(4)在高温摩擦磨损试验中,Co06熔覆层的耐磨损性能最好、Ni40熔覆层次之、基体材料最差。三种材料在600℃条件下都会发生氧化和黏着磨损,但是相对于基体铸钢材料,Ni40和Co06熔覆层在高温下表现出了很好的抗氧化性能,表层的致密Cr2O3氧化膜在高温下具有极高的稳定性。起到保护基体被氧化的作用,稳定的氧化膜减少了摩擦盘颗粒的剥落,防止摩擦面变得粗糙和严重磨粒磨损的出现。(5)基体材料和熔覆层的惯性缩比制动试验中,Ni40熔覆层在制动过程中力矩稳定系数最低,摩擦系数波动范围最大,超出了标准规定的范围。Co06熔覆层的力矩稳定系数最高。在120km/h和200km/h的制动初速度下,温度达峰值之前的平均升温速率分别为25.14℃/s和51.67℃/s,可见200km/h的初速度下的升温速率是120km/h的2.06倍。进行200km/h初速度制动时,Ni40熔覆摩擦盘的最高温度达到326℃,在三种材料的摩擦盘中峰值温度最高。摩擦盘表面温度在制动初期为多条带分布,中期为面状均匀分布,后期为面状偏内侧分布。惯性制动试验中基体摩擦盘表面发生了严重的犁沟磨损和氧化磨损,Ni40熔覆摩擦盘没有出现明显的犁沟和氧化磨损,但是黏着磨损非常严重,Co06熔覆摩擦盘的表面相对最为平整光滑,制动初速度为200km/h时,Co06熔覆摩擦盘上的闸块磨损量最小,基体和Ni40上的闸块磨损量是Co06熔覆摩擦盘的1.19倍和1.53倍。体现出Co06熔覆层与摩擦副闸块之间在摩擦磨损过程中良好的匹配性。

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位授予年份】：2017


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