熔覆技術(shù)作為表面工程技術(shù)的重要組成部分,因其可制備出機(jī)械性能優(yōu)異的涂層而成為機(jī)械零部件防護(hù)及修復(fù)的重要手段之一,但熔覆由于其自身的特點(diǎn)使得涂層制備后易萌生裂紋。低膨脹合金涂層依靠其獨(dú)特的低膨脹性,能夠降低涂層內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生傾向,有效緩解內(nèi)部裂紋對零部件機(jī)械性能造成的不良影響。本文在基材316L不銹鋼上采用等離子熔覆與激光熔覆技術(shù)制備了Fe-Ni-Co系低膨脹合金涂層,研究不同熔覆工藝參數(shù)對低膨脹合金涂層的組織與性能的影響,并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。分別采用固溶時(shí)效處理和鈮的合金化,對Fe-Ni-Co系低膨脹合金涂層的低膨脹性能和機(jī)械性能進(jìn)行改善。利用OM、XRD、SEM和EDS對涂層的顯微組織和物相結(jié)構(gòu)采取分析,并進(jìn)行了熱膨脹系數(shù)和居里溫度點(diǎn)的表征以及硬度、摩擦磨損來分析比較涂層的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,等離子熔覆制備Fe-Ni-Co系低膨脹合金涂層的最佳工藝參數(shù)為工作電流110A和掃描速度3mm/s。熔覆涂層的顯微組織主要由樹枝晶、柱狀晶和等軸晶組成,主要物相為fcc結(jié)構(gòu)的γ固溶體和γ'析出相。工藝優(yōu)化后的熔覆涂層的熱膨脹系數(shù)為7.20×10~(-6)/℃,比常規(guī)的鐵基和鎳基合金的熔覆層的膨脹系數(shù)低,在室溫至居里溫度點(diǎn)257.489℃之間具有良好的低膨脹性能,且該熔覆工藝下制備的涂層的機(jī)械性能為最佳。對工藝優(yōu)化后制備的熔覆層采取不同制度的固溶時(shí)效處理,發(fā)現(xiàn)1050℃×60min(水冷)+600℃×3h(水冷)的熱處理能使熔覆層組織更加均勻,γ'相尺寸更小,分布更為彌散,涂層的機(jī)械性能得到一定的強(qiáng)化。該固溶時(shí)效處理下的涂層的居里溫度點(diǎn)提升了167.373℃,即在更大的溫度區(qū)間內(nèi)保持著低膨脹性能。激光熔覆涂層中添加不同含量Nb后,顯微組織中等軸晶的數(shù)量比未加鈮時(shí)要更多,且組織更為細(xì)小。XRD結(jié)果顯示,析出相主要為γ固溶體和NbC相。涂層的機(jī)械性能隨著Nb含量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨向。3%Nb含量涂層的等軸晶組織最細(xì)小,碳化鈮尺寸和分布最適宜,其局部溫度區(qū)間內(nèi)的熱膨脹系數(shù)得到進(jìn)一步的降低,機(jī)械性能也達(dá)到最佳。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

速凝固使熔覆材料在基材表面形成具有良好冶金結(jié)合的涂層，是一種具有的金屬表面工程技術(shù)。藝原理：離子熔覆是以熔覆腔體為正極，鎢極為負(fù)極，產(chǎn)生的回路電流將腔體內(nèi)的分氬原子的電子被激發(fā)成等離子體產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移弧，此時(shí)基材作為正極與鎢路，該回路在電源的激發(fā)下形成轉(zhuǎn)移弧，與此同時(shí)，冷卻水進(jìn)入噴嘴處，冷卻的環(huán)境下進(jìn)行壓縮，形成能量密度大為增加的等離子體，該等離子體覆時(shí)的熱源[11]。等離子熔覆時(shí)，合金粉末通過送粉裝置送入基材已熔化的速加熱形成熔池，熔池在等離子束的沖擊和不同區(qū)域的溫度梯度的影響下基材表面與熔融合金粉末混合攪拌、充分反應(yīng)并擴(kuò)散。在等離子弧、表面體的共同作用下，熔池在基材表面迅速鋪展開來，當(dāng)離開高能量的等離材和大氣環(huán)境的溫度比熔池溫度更低，在空氣和基材的雙重冷卻作用下，冷卻并凝固形成與基材表面呈冶金結(jié)合的熔覆層[12-14]，圖 1.1 是等離子熔原理。

影響區(qū)的晶粒生長方式、涂層耐磨耐蝕等綜合性能的研究更加深入[16-19]。中國礦業(yè)大學(xué)的陶慶[20]等人在 Fe 基合金中添加 Co-WC，采用等離子熔覆技術(shù)Q235 鋼的基體上進(jìn)行 Fe 基/Co-WC 耐磨涂層的熔覆。涂層組織主要為 γ-Fe 固溶體以(Cr,Fe)xC6和 Fe3W3C 等析出相。隨著 Co-WC 含量的增加，熔覆層的組織由柱狀晶向枝晶轉(zhuǎn)變，并且晶粒不斷地發(fā)生細(xì)化。張麗娜[21]等人在 A3 鋼表面采用等離子熔覆制了一層與基體呈良好地冶金結(jié)合的、性能良好的非晶納米晶復(fù)合涂層，該涂層在保持硬度的同時(shí)還具有優(yōu)異的耐蝕性。周澤華[22]等人利用正交設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了反應(yīng)等離子覆試驗(yàn)方案，并進(jìn)行工藝優(yōu)化，得到了 WC 增強(qiáng)鐵基合金涂層，涂層的截面硬度最高1120HV。Lu Bingwen[23]等人采用同步送粉的熔覆方式，對未加 Nb 和加 Nb 的 Co50 熔性合金粉末分別進(jìn)行等離子熔覆，對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加鈮元素后，熔覆層中部的樹枝組織變得更加細(xì)小，其金相顯微結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。表明 Nb 能夠提高熔覆層的再結(jié)溫度，起到細(xì)化晶粒、沉淀強(qiáng)化等作用。ASCM D’Oliveira[24]等人在 AISI304 鋼表面采用等離子熔覆鈷基合金粉末，并在 1050℃左右進(jìn)行高溫循環(huán)測試，以獲得耐高溫性優(yōu)于激光熔覆層的等離子熔覆層。（a） （b）

圖 1.3 激光熔覆填料方式示意圖[27]（a）預(yù)置粉末法；（b）同步送粉法研究現(xiàn)狀：自上世紀(jì) 80 年代開始，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)得到國外研究人員的極大重視，比較集中在歐美、東亞、澳洲[29]。目前在改善基材的耐蝕、耐熱、耐磨、抗氧化性等性能方面上，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，已經(jīng)成為了材料表面工程領(lǐng)域的前沿技術(shù)。Zhang 等人[30]利用激光熔覆技術(shù)，采用預(yù)置粉末法在中碳鋼表面熔覆 FeCSiB 合金粉末，制備出增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料。Lee.H.K[31]等人做了正交實(shí)驗(yàn)，研究激光工藝參數(shù)對鈷基合金粉末沉積效率的影響，結(jié)果顯示，送粉位置、角度、速率對粉末的沉積有多重影響，并總結(jié)出熔覆鈷基合金粉末的最佳工藝參數(shù)。S.Niederhauser 等人[32]采用激光熔覆在鋼材表面制備 Co-Cr 涂層，提高了抗拉強(qiáng)度以及改善了硬度等機(jī)械性能。Anjos等人[33]通過調(diào)整激光功率、送粉速率、掃描速度等工藝參數(shù)，在普通碳鋼表面激光熔覆奧氏體不銹鋼，得到了形貌平整、耐蝕性優(yōu)異的熔覆層。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2856972