工具鋼表面激光熔覆Co基合金涂層組織及性能

對(duì)鈦合金表面激光熔覆研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,對(duì)鈦合金表面涂層進(jìn)行分類。介紹了鈦合金表面激光熔覆改性技術(shù)的熔覆材料、工藝和應(yīng)用。闡述了各類鈦合金涂層的實(shí)際性能以及對(duì)鈦合金表面改性涂層性能所做的研究。最后提出了鈦合金表面激光熔覆工藝未來的研究趨勢(shì)。

用nd:yag脈沖激光在低硅鋼表面制備激光熔覆高硅涂層,研究了激光熔覆高硅涂層樣品的組織和磁性能.結(jié)果表明,制備出的激光熔覆高硅涂層組織致密、無氣孔和裂紋,且與基體有良好的冶金結(jié)合.經(jīng)激光熔覆后硅鋼表面存在熔覆區(qū)、界面結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū).熔覆區(qū)的顯微組織不均勻,隨著與結(jié)合界面距離的增加,由柱狀晶變?yōu)闃渲?最終過渡到表層的細(xì)小樹枝晶組織.熔覆層與基體之間的結(jié)合界面為平面晶組織,熱影響區(qū)為馬氏體組織.熔覆涂層的顯微硬度遠(yuǎn)高于低硅鋼基體,其主要原因是涂層具有較高的si含量,涂層中的α-fe和γ-fe雙相組織也導(dǎo)致了硬度的提高.激光熔覆高硅涂層硅鋼樣品經(jīng)擴(kuò)散退火后具有室溫鐵磁性,si含量的提高使其室溫直流破性能優(yōu)于原始低硅鋼.

金屬密封環(huán)的密封穩(wěn)定性直接影響到牙輪鉆頭的使用壽命,利用激光熔覆技術(shù)在牙輪鉆頭金屬密封環(huán)材料20crnimo合金鋼表面熔覆合金涂層,達(dá)到提高其表面耐磨性能的目的,從而提高牙輪鉆頭的壽命。分析了激光熔覆層的微觀組織,測(cè)試了激光熔覆層的微觀顯微硬度及摩擦磨損性能。結(jié)果表明:高度彌散的金屬間化合物、納米晶與有較高韌性的非晶相夾雜的復(fù)合組織提高了涂層的力學(xué)性能,試樣表面硬度、抗磨損性能大幅提高。

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、x射線衍射及能譜分析對(duì)純銅表面送粉激光熔覆制備的銅合金涂層進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,涂層與基體為冶金結(jié)合,無氣孔、裂紋等缺陷,涂層稀釋率極低,銅合金涂層在凝固過程中通過液相分離形成大量均勻彌散分布的細(xì)小球形分離相、富含銅的固溶體和少量大塊分離相聚集體;細(xì)小分離相的平均直徑小于5μm,分離相由富含fe、co、mo的多元金屬硅化物組成。富含銅固溶體的硬度為280hv0.1,大塊分離相聚集體的硬度為510hv0.1。磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,激光熔覆涂層的耐磨性較純銅基體有顯著提高。

利用dl-t5000型二氧化碳激光器在qt-500球墨鑄鐵表面熔覆鐵基合金層,分析了激光熔覆層的顯微組織,測(cè)試了其顯微硬度及磨損性能。結(jié)果表明:制備的熔覆層組織致密、無裂紋,與基體形成了良好的冶金結(jié)合;從熔覆層表面到熱影響區(qū)的組織依次為大量的樹枝晶、等軸晶、樹枝晶;熔覆層的硬度較基體的提高了2.5倍,其磨損量約為基體的1/3,熔覆層耐磨性能增強(qiáng)的主要原因是鐵基合金與元素鎳、鉻等形成固溶體和碳化物等的強(qiáng)化作用所致。

為了研究在球墨鑄鐵qt600-3基體上熔覆鈷基合金,采用6kwco2激光器進(jìn)行激光熔覆,用掃描電鏡對(duì)激光熔覆層進(jìn)行形貌觀察,分析裂紋及氣孔的形成原因,取得在球墨鑄鐵基體上熔覆鈷基合金的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明,球墨鑄鐵基體與熔覆層能形成良好的冶金結(jié)合,但熔覆功率過高使得熔覆層開裂傾向增大,過渡區(qū)及熱影響區(qū)的球狀石墨由原來的“牛眼狀”變?yōu)閱为?dú)的石墨球,石墨球外圍的環(huán)狀鐵素體出現(xiàn)消溶。

在不銹鋼表面采用直接堆粉預(yù)置涂層方法制備激光熔覆層,得到消除了宏觀裂紋和孔洞的熔覆層,熔覆層和基體呈冶金結(jié)合。其顯微組織主要由fe-ni合金、wc及fe_2c所組成,由于wc顆粒的存在使顯微硬度相對(duì)基體有顯著提高。

采用萬瓦橫流co2激光器在紫銅表面熔覆鎳基自熔合金熔敷層,并采用sem、xrd、om和顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)和硬度分析。結(jié)果表明:在紫銅表面完全可采用激光熔覆的方法制備鎳基自熔合金的熔覆層,熔覆層與銅基體形成冶金結(jié)合,組織致密、晶粒細(xì)小、無裂紋、孔隙夾雜等缺陷,熔敷層內(nèi)具有等軸晶、樹枝晶及胞狀晶等不同結(jié)構(gòu),并有wc、w2c、ni3b等強(qiáng)化相顆粒。同時(shí),與采用超音速火焰噴涂(hvaf)涂層進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明激光熔覆層硬度雖然低于噴涂涂層,但磨擦系數(shù)小,耐磨損性能有明顯的提高。

用激光熔覆co基合金的方法處理了內(nèi)燃機(jī)排氣門密封面,得到晶粒非常細(xì)小的枝晶組織,能滿足實(shí)際使用要求。對(duì)熔覆層組織的觀察中發(fā)現(xiàn),熔覆組織會(huì)對(duì)基體組織有繼承性。

為進(jìn)一步提高q345鋼激光熔覆層的耐磨性能,利用激光熔覆技術(shù)在q345鋼表面制備了70%ni60a+30%wc熔覆層(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。采用x射線衍射儀及掃描電鏡分析了熔覆層的物相、顯微組織,采用摩擦磨損試驗(yàn)研究其耐磨性能。結(jié)果表明,q345鋼表面激光熔覆鎳基wc合金對(duì)其表面的晶粒細(xì)化、顯微硬度和耐磨性等都有很大提升。

本文采用激光重熔等離子涂層的方法在az91hp鎂合金上制備al_2o_3陶瓷涂層,在實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上利用有限差分方法對(duì)激光重熔過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明,在激光作用下,相應(yīng)于不同的溫度范圍涂層形成了熔凝區(qū)(柱狀晶)、燒結(jié)區(qū)(團(tuán)絮狀組織)和殘留等離子區(qū)(層狀結(jié)構(gòu))。與激光功率相比,激光掃描速度對(duì)涂層溫度分布影響較大。

通過對(duì)航空航天用超高強(qiáng)7050鋁合金進(jìn)行激光熔覆修復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究,探討了激光熔覆修復(fù)鋁合金的可行性。實(shí)驗(yàn)采用5kwco2連續(xù)激光器作為加熱源,在惰性氣體保護(hù)隔離箱中,對(duì)7050鋁合金的板狀試樣進(jìn)行了激光單道熔覆、多道搭接熔覆、多層堆積熔覆的實(shí)驗(yàn)研究。得到優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù),制備了激光熔覆修復(fù)試樣,并觀察了不同激光熔覆區(qū)的微觀組織以及拉伸斷口形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)是:激光功率密度為1.84×104～2.12×104w/cm2,掃描速度為5mm/s,送粉量為1.8～2.4g/min,搭接寬度為1.5mm。采用優(yōu)化工藝參數(shù)熔覆,基底和熔覆區(qū)形成良好的冶金結(jié)合,熔覆后工件表面平整且基底沒有變形。同時(shí),采用干燥的氬氣加強(qiáng)對(duì)激光熔池的保護(hù)可以有效消除鋁合金激光熔覆中的缺陷。

在球墨鑄鐵qt600-3表面激光熔覆鐵基合金涂層,分析測(cè)試了激光熔覆層的微觀組織、顯微硬度以及界面處fe、cr元素的分布情況。結(jié)果表明:激光熔覆區(qū)為胞狀晶和樹枝晶結(jié)構(gòu),組織均勻致密,fe、cr等元素在熔覆層與母材間發(fā)生了相互擴(kuò)散,形成良好的冶金結(jié)合,并有硬質(zhì)點(diǎn)的彌散分布,使得涂層硬度大幅度提高,大約為基體硬度的2.6倍。

針對(duì)車用內(nèi)燃機(jī)排氣門座圈高溫、高交變應(yīng)力和高腐蝕性工況,采用添加了強(qiáng)碳化物形成元素的鎳基自熔合金粉末,通過激光熔覆,在crcub合金灰鑄鐵基體上制備了原位合成的顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層。涂層厚度約0.6mm,平均硬度655hv_(0.2),與基體成冶金結(jié)合。平均尺寸約1μm的硬質(zhì)顆粒在涂層中均勻分布,這種從液態(tài)合成析出的硬質(zhì)顆粒與具有低硬度高塑性的高鎳基體強(qiáng)韌結(jié)合,能有效提高涂層的使用性能。研究表明,鑄鐵表面鎳基合金激光熔覆層產(chǎn)生氣孔的強(qiáng)烈傾向與石墨相的存在和鎳基合金的凝固特征密切相關(guān),合理的工藝措施可以消除氣孔缺陷。

采用自配fe-ni-cr-mo-c-b-si粉末在t8a基體上進(jìn)行了激光熔覆試驗(yàn),獲得了高致密度、高硬度、表面質(zhì)量較好的熔覆層。在加工過程中發(fā)現(xiàn),使用無水酒精作粘結(jié)劑的熔覆工藝性要比松香酒精溶液好,形成的熔覆層對(duì)基體t8a有良好的潤(rùn)濕性,光學(xué)顯微鏡下觀察熔覆層的橫斷面,熔覆層與基體的界面處結(jié)合良好。熔覆層的顯微硬度可達(dá)到625hv,而過渡區(qū)域的硬度更高,達(dá)到了700hv,熔覆層的內(nèi)部質(zhì)量和硬度符合預(yù)期的要求。

在鈦合金(tc4)表面采用預(yù)置粉末的方式激光熔覆純鐵粉,利用熱力學(xué)相圖分析軟件(thermo-calc)對(duì)ti-fe-al-v體系進(jìn)行平衡相圖計(jì)算,同時(shí)對(duì)體系可能發(fā)生的熱力學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能(δg0)進(jìn)行計(jì)算.x線衍射(xrd)結(jié)果表明,熔覆層主要存在相有feti、fe2ti、ti3al和α-ti,熔覆層的顯微硬度大大高于基體,最大值為1300hv,熔覆層耐磨性能顯著提高,約為基體材料的6.4倍.

Ni—Cr—B—Si系合金激光熔覆—結(jié)合帶與熱影響區(qū)

依照非晶形成能力的三判據(jù)原則及非晶成分團(tuán)簇線定律法則,選取在常規(guī)非晶合金制備過程中呈現(xiàn)較強(qiáng)非晶形成能力的ni_(60)zr_(20)nb_(15)al_5合金成分,研究其在不同激光功率條件下在45#鋼表面得到的熔覆層的微觀組織和力學(xué)及腐蝕性能.結(jié)果表明:熔覆涂層由熔覆層、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成,物相包括非晶相及al_3zr_5、al_3nb_(11)ni_9、al_2o_3等晶體相;當(dāng)功率為3600w時(shí),熔覆層表面硬度高,達(dá)到hk1796.4,涂層耐蝕性最好,致鈍電流密度和維鈍電流密度都達(dá)到最小,分別為3.0669ma/cm~2和0.2556ma/cm~2.

通過在機(jī)車氣門密封面上激光熔覆鈷基合金粉末,分析了熔覆層的組織和硬度特性,探討了激光熔覆修復(fù)機(jī)車氣門的可行性。結(jié)果表明,激光熔覆層的合金元素分布均勻,凝固偏析小;熔覆層組織致密,與氣門冶金結(jié)合良好,高溫顯微組織性能穩(wěn)定性好,在700℃以下顯微硬度沒有顯著降低,具有很好的耐熱沖擊性能,可滿足機(jī)車進(jìn)排氣門的修復(fù)要求。

采用多種方法制備不同類型的al2o3-13%tio2熱障涂層,即等離子噴涂常規(guī)涂層、納米結(jié)構(gòu)涂層及激光熔覆納米結(jié)構(gòu)涂層.在分析三類涂層微觀組織的基礎(chǔ)上,對(duì)其隔熱性能進(jìn)行了比較.結(jié)果表明,即等離子噴涂常規(guī)陶瓷涂層呈典型的層狀堆積特征,納米結(jié)構(gòu)涂層都為特殊的兩相結(jié)構(gòu),其中部分熔化區(qū)由類似的殘留納米粒子組成,等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層的完全熔化區(qū)為片層狀結(jié)構(gòu),而相應(yīng)的激光熔覆涂層的完全熔化區(qū)則為細(xì)小等軸晶.在相同條件下,等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)熱障涂層具有最好的隔熱性能,而激光熔覆納米結(jié)構(gòu)涂層的隔熱性能要好于等離子噴涂常規(guī)涂層.

綜述了co2激光熔凝和相變硬化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，就目前該領(lǐng)域中存在的問題及其發(fā)展方向提出了自己的看法。

利用等離子熔覆技術(shù),選擇合適的工藝參數(shù),在硼鑄鐵基體上熔覆鐵基合金粉末制備具有冶金結(jié)合的耐磨涂層。采用金相顯微鏡、x射線衍射儀、掃描電鏡研究了涂層的組織,利用顯微硬度計(jì)測(cè)試了涂層的顯微硬度,通過環(huán)-塊磨損試驗(yàn)評(píng)估了涂層的耐磨性。結(jié)果表明,硼鑄鐵等離子熔覆鐵基合金涂層組織主要由(cr,fe)7c3,α-(fe,cr)和fe3c相組成;涂層的顯微硬度可達(dá)600~1200hv0.2;在干滑動(dòng)磨損條件下,涂層的耐磨性約是基體試樣的5倍。涂層中高硬度的(cr,fe)7c3及fe3c相的抗磨骨架作用,大量cr,si原子溶入基體引起的過飽和固溶強(qiáng)化作用,涂層快速加熱及快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用是涂層耐磨性提高的主要原因。