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,研究鋯強化NiCrBSi合金涂層的強化機理。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;并進一步引入W-Zr材料體系進行激光熔覆,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化合金涂層。利用盤銷式摩擦實驗測試涂層的常溫和高溫耐磨性,并分析磨損機理。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強化Ni基合金涂層的理論基礎(chǔ)和實驗研究,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相互擴散逐步生成(W,Zr)C。Zr元素起到了固溶強化的作用,提高了鎳基體的抗塑性變形的能力;Zr同時又細化了組織結(jié)構(gòu),抑制了初生相以及共晶組織的進一步長大,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,具有一定的彌散強化作用,具有良好的抗切削能力,并且提高了涂層硬度,同時由于硬質(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,晶粒組織細化顯著,耐磨性顯著提高。為了穩(wěn)定在各種不同實驗條件、不同材料和工況下的激光熔覆過程,搭建光學(xué)檢測平臺對熔池進行檢測并進行信息提取,利用數(shù)值有限元方法對同樣參數(shù)的熔覆過程進行模擬仿真,將最終檢測平臺獲取的面積、寬度和長度以稀釋率與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析。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驗,對熔池大小進行了檢測,并與有限元模型進行了比對和分析,證明了檢測系統(tǒng)和有限元仿真系統(tǒng)的可行性和有效性。最后,基于對強化涂層性能的研究和光學(xué)檢測平臺的應(yīng)用,將這些復(fù)合合金涂層應(yīng)用到鉻鋯銅的基體上。實驗中通過電鍍鎳作為過渡層,將強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械性能，如 Ni-WC 體系等。一大多為粉末態(tài)和絲狀，不同場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。因為 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為磨損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涂層以防腐蝕粒侵蝕等。典型工件如石油鉆井、礦機掘進機的鉆頭[23]等。末常用來對鉆掘工具表面的保護以此來對其服役壽命進行延桿修復(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閥體上進行表面熔覆、高壓的腐蝕環(huán)境下就可長時間服役，避免因為磨損、腐蝕
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 蔡彧斐;鄭榮部;江洋;陳曉;盧軼凡;;銅合金表面激光熔覆Ni/WC增強Co基涂層組織研究[J];熱加工工藝;2015年20期

2 閆華;張培磊;于治水;;銅合金表面激光熔覆Ni基涂層的組織及界面結(jié)構(gòu)[J];特種鑄造及有色合金;2013年12期

3 李亞敏;陳毅;郝遠;;Zr在K4169合金凝固過程中作用的研究[J];熱加工工藝;2012年11期

4 董剛;嚴彪;鄧琦林;余廷;;合金成分對鎳基合金激光熔覆涂層組織與性能的影響[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報;2011年02期

5 周曉波;蘇勛家;侯根良;王延斌;畢松;;液相先驅(qū)體制備ZrC粉末研究[J];材料導(dǎo)報;2009年S1期

6 孫海勤;晁明舉;敬曉定;張現(xiàn)虎;;原位生成VC顆粒增強鎳基激光熔覆層研究[J];激光雜志;2008年05期

7 梅冰;蘇勛家;侯根良;王延斌;;液相先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備ZrC粉末及合成機理[J];固體火箭技術(shù);2008年03期

8 李麗榮,郭彥宏;微量元素B、Zr對鎳高溫合金組織結(jié)構(gòu)與高溫力學(xué)性能的影響[J];熱加工工藝;2005年04期

9 王華明,于利根,李曉軒,蔣平;MC碳化物準快速凝固形態(tài)與生長機制研究[J];金屬學(xué)報;1999年12期

10 嚴有為,魏伯康,傅正義,林漢同,袁潤章;Fe-Ti-C熔體中TiC顆粒的原位合成及長大過程研究[J];金屬學(xué)報;1999年09期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 鄭磊;微量元素對低合金鋼大線能量焊接熱影響區(qū)脆性的影響[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

2 閆華;銅合金表面激光復(fù)合耐磨層及界面特性研究[D];華中科技大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 楊柳杉;基于CCD的激光熔覆在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究[D];湖南大學(xué);2011年

2 肖軍艷;環(huán)形激光光內(nèi)送粉熔池特征與熔層性能[D];蘇州大學(xué);2009年

3 郁玲玲;基于高速CCD的激光熔池溫度檢測軟件開發(fā)[D];蘇州大學(xué);2009年

4 胡美娟;12mm厚TC4鈦合金板電子束焊接溫度場應(yīng)力場三維有限元數(shù)值模擬[D];西北工業(yè)大學(xué);2005年

本文編號：2841628