激光熔覆是利用高能激光束在需要改性的金屬表面生成符合用戶要求的涂層技術(shù),而生成涂層的質(zhì)量狀態(tài)直接取決于熔池。在本次研究中,研究鋯強(qiáng)化NiCrBSi合金涂層的強(qiáng)化機(jī)理。添加鋯的氧化物原位生成碳化物硬質(zhì)顆粒,提高Ni基合金涂層的硬度和耐磨性;并進(jìn)一步引入W-Zr材料體系進(jìn)行激光熔覆,提高Ni基涂層的高溫耐磨性能。研究中,利用光學(xué)顯微鏡(OM)、電子掃描顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)以及X射線衍射(X-ray)等研究涂層的顯微組織、物相成分、顆粒分布規(guī)律。搭建激光熔覆光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)獲取熔池的相關(guān)信息,控制熔覆過程的穩(wěn)定性。最終在鉻鋯銅基體上獲得符合性能要求的強(qiáng)化合金涂層。利用盤銷式摩擦實(shí)驗(yàn)測(cè)試涂層的常溫和高溫耐磨性,并分析磨損機(jī)理。研究中將二氧化鋯和石墨按照反應(yīng)摩爾比混合后,將之分別按照比例添加到Ni25、Ni45和Ni60中,成功制備了三類含有原位自生ZrC顆粒的ZrC/Ni25、ZrC/Ni45、ZrC/Ni60鎳基復(fù)合涂層。在涂層中,C和ZrO_2反應(yīng)生成ZrC。結(jié)果顯示,原位生成ZrC不僅細(xì)化了組織結(jié)構(gòu),而且阻止了M_7C_3粗大碳化物和γ-Ni+M_(23)C_6繼續(xù)生長,提高了組織的穩(wěn)定性。ZrC絕大部分顆粒相都長大成獨(dú)立顆粒,呈現(xiàn)為三角形、四邊形或者長軸形,有些碰撞聚集在一起的則最終燒結(jié)在一起,形成更大尺寸的顆粒�；谠蛔陨鶽rC強(qiáng)化Ni基合金涂層的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)研究,將WC、ZrO_2的混合粉末按比例混合后加入到Ni60合金粉末中,利用原位生成的方法制備多碳化物強(qiáng)化的Ni60-WC-ZrO_2復(fù)合合金涂層。最終成功制備了以WC、ZrC、(W,Zr)C,M_(23)C_6等碳化物為強(qiáng)化相的Ni60-WC-ZrO_2復(fù)合合金涂層。其中碳化物的生成分為三個(gè)階段:WC分解,與周邊的ZrO_2反應(yīng)生成ZrC,隨后WC與ZrC相互擴(kuò)散逐步生成(W,Zr)C。Zr元素起到了固溶強(qiáng)化的作用,提高了鎳基體的抗塑性變形的能力;Zr同時(shí)又細(xì)化了組織結(jié)構(gòu),抑制了初生相以及共晶組織的進(jìn)一步長大,相應(yīng)涂層韌性得到改善。原位合成的ZrC作為硬質(zhì)相彌散分布在基體中,具有一定的彌散強(qiáng)化作用,具有良好的抗切削能力,并且提高了涂層硬度,同時(shí)由于硬質(zhì)顆粒的支撐,耐磨能力得到提升。ZrC/Ni25復(fù)合涂層從黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp,體現(xiàn)了良好抗黏著能力和抗切削能力。ZrC/Ni45復(fù)合涂層則主要以犁削為主;ZrC/Ni60主要表現(xiàn)為磨粒磨損。由于Ni60合金涂層內(nèi)部應(yīng)力大,所以高溫下的應(yīng)力逐步釋放,耐磨性要優(yōu)于常溫耐磨性;而ZrC/Ni60復(fù)合涂層的高溫耐磨性優(yōu)于Ni60合金涂層的磨損性能。Ni60-WC-ZrO_2熔覆涂層硬度提高非常明顯,可達(dá)HV1000以上,耐磨性在高溫和常溫中也提升明顯。相比較于Ni60涂層,內(nèi)部的碳化物顆粒增加,晶粒組織細(xì)化顯著,耐磨性顯著提高。為了穩(wěn)定在各種不同實(shí)驗(yàn)條件、不同材料和工況下的激光熔覆過程,搭建光學(xué)檢測(cè)平臺(tái)對(duì)熔池進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行信息提取,利用數(shù)值有限元方法對(duì)同樣參數(shù)的熔覆過程進(jìn)行模擬仿真,將最終檢測(cè)平臺(tái)獲取的面積、寬度和長度以稀釋率與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過設(shè)定不同速度、不同功率以及不同鋪粉厚度下的激光熔覆實(shí)驗(yàn),對(duì)熔池大小進(jìn)行了檢測(cè),并與有限元模型進(jìn)行了比對(duì)和分析,證明了檢測(cè)系統(tǒng)和有限元仿真系統(tǒng)的可行性和有效性。最后,基于對(duì)強(qiáng)化涂層性能的研究和光學(xué)檢測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用,將這些復(fù)合合金涂層應(yīng)用到鉻鋯銅的基體上。實(shí)驗(yàn)中通過電鍍鎳作為過渡層,將強(qiáng)化涂層制備到工件表面,最終獲得了良好的常溫和高溫耐磨性,對(duì)比于傳統(tǒng)電鍍工藝,其耐磨性提高了約20倍。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4;TG665
【部分圖文】：

圖 1-2 激光熔覆材料添加方法:（a）預(yù)置涂層法 （b）同步送粉法 (c) 送絲法[Fig 1-2 Method of material addition (a) pre-placed (b) coaxial feeding (c) wire feedin圖 1-3 同步送粉 a) 側(cè)向送粉 b) 同軸送粉[3]Fig 1-3 The different feeding systems a) side and b) coaxial set-up激光熔覆材料體系中，具有抗腐蝕性、優(yōu)良耐磨性的的自熔 Co 基、金被廣泛使用�？霞{司太立（Kennametal-Stellite Inc.)公司生產(chǎn) Co 基來生產(chǎn)一些耐磨的高硬表面。如 Co-Cr-Mo-W-C 合金改善涂層的高溫

圖 1-3 同步送粉 a) 側(cè)向送粉 b) 同軸送粉[3]Fig 1-3 The different feeding systems a) side and b) coaxial set-up熔覆材料體系中，具有抗腐蝕性、優(yōu)良耐磨性的的自熔 Co 基被廣泛使用。肯納司太立（Kennametal-Stellite Inc.)公司生產(chǎn) C產(chǎn)一些耐磨的高硬表面。如 Co-Cr-Mo-W-C 合金改善涂層的合金用來生產(chǎn)具有耐磨、耐腐蝕的苛刻條件下的保護(hù)涂層，如Ni 基合金如 Colmonoy 公司(Wall Colmonoy Ltd.)的 Ni-Cr-B- 合金。相比較于 Ni 基和 Co 基合金，F(xiàn)e 基合金則常用來生產(chǎn)耐蝕的奧氏體或者馬氏體不銹鋼的激光熔覆中。除了這些金屬基瓷基粉末被用來提高涂層的機(jī)械性能，如 Ni-WC 體系等。一大多為粉末態(tài)和絲狀，不同場(chǎng)合下也有棒狀和板條類。自熔合金粉末以主體粉末為主，并在其中添加具有脫氧和自熔的混合合金粉末。因?yàn)?B、Si 具有脫氧并造渣的功能，因此而熔覆形成的熔池中，B、Si 首先與粉末中的 O 反應(yīng)生成硼酸鹽

圖 1-4 (a) 葉片修復(fù) (b) 葉片熔覆涂層1-4 Rebuild of the tip of a turbocharger blade[21]. Laser cladding of blades[22具修復(fù)技術(shù)也常用來在一些模具、刃具、量具上熔覆具有耐磨高硬因?yàn)槟p變形等因素引起的誤差，例如合金粉末諸如 Ni-Cr- 基粉末常用來熔覆玻璃模具或者熱作模具的耐磨涂層。除此之一些常用在極端工況服役的金屬表面熔覆保護(hù)涂層以防腐蝕粒侵蝕等。典型工件如石油鉆井、礦機(jī)掘進(jìn)機(jī)的鉆頭[23]等。末常用來對(duì)鉆掘工具表面的保護(hù)以此來對(duì)其服役壽命進(jìn)行延桿修復(fù)閥座或者電廠等熱力高溫行業(yè)控制閥等零部件通常都在高溫作。激光熔覆可以用來在閥座或者整個(gè)閥體上進(jìn)行表面熔覆、高壓的腐蝕環(huán)境下就可長時(shí)間服役，避免因?yàn)槟p、腐蝕
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2841628