萬(wàn)米深井鉆機(jī)剎車盤表面激光熔覆組織與性能研究.pdf

1、深井鉆機(jī)盤式剎車處于強(qiáng)摩擦、高熱負(fù)荷及較大制動(dòng)力等極端工況下，導(dǎo)致剎車盤表面存在三種形式的失效形式：一是由于緊急制動(dòng)造成剎車盤表面瞬間高溫產(chǎn)生的高溫氧化；二是由于重載制動(dòng)造成剎車盤表面的磨損損壞；三是由于高頻、重載的周期性制動(dòng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成的熱疲勞裂紋。目前通常采用等離子噴涂技術(shù)和堆焊技術(shù)強(qiáng)化和修復(fù)剎車盤表面，但都存在著較大的局限性。
　　 本文采用5kW橫流CO2激光器，在基體35CrMo鋼表面分別制備了鐵基合金涂層以及含有

2、不同比例Cr3C2的鐵基合金復(fù)合涂層。利用OM、SEM、XRD等手段分析了激光熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)、相組成，觀察了高溫氧化及摩擦磨損試驗(yàn)后試樣表面的形貌；采用EDS分析技術(shù)，系統(tǒng)分析了結(jié)合區(qū)和熔覆層各區(qū)域合金元素的含量，以及高溫氧化試樣表面氧化膜的元素組成；對(duì)熔覆層的硬度、摩擦磨損性能、熱疲勞性能以及抗高溫氧化性能進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)高溫性能強(qiáng)化機(jī)理及摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了探討。
　　 試驗(yàn)結(jié)果表明，在預(yù)制粉末厚度為1mm，激光功率為3

3、.5kW，掃描速度在150～300mm/min范圍內(nèi)，激光熔覆層組織均勻致密，實(shí)現(xiàn)了與基體良好的冶金結(jié)合，無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。鐵基合金熔覆層的主要組成相為γ(面心立方)過(guò)飽和固溶體以及M7C3型碳化物、(Fe，Cr)有序相；顯微組織包括平面晶和大體上垂直于界面生長(zhǎng)的粗大的柱狀樹(shù)枝晶，向熔池中部過(guò)渡為多方向生長(zhǎng)的細(xì)小樹(shù)枝晶，近表面為平行于激光掃描速度方向生長(zhǎng)的細(xì)小枝晶區(qū)。添加Cr3C2后的熔覆層組織主要由初生的M7C3碳化物、細(xì)小的樹(shù)枝晶

4、及枝晶間的薄片狀共晶組織(γ+Cr7C3)組成，與鐵基合金涂層相比，添加Cr3C2的熔覆層物相種類不變，但碳化物的數(shù)量顯著增加。與基體35CrMo鋼相比，激光熔覆層均具有很高的硬度，約為基體的1.5倍，且隨Cr3C2加入量的增加表面硬度逐漸提高。
　　 激光熔覆層的摩擦磨損性能是摩擦副系統(tǒng)的綜合特性，具有極強(qiáng)的系統(tǒng)依賴性和復(fù)雜的時(shí)空特性。在相同的試驗(yàn)條件下，當(dāng)對(duì)磨材料為45＃鋼淬火件時(shí)，鐵基合金涂層的耐磨性比基體稍有提高，而添加

5、10％Cr3C2和20％Cr3C2的熔覆層的耐磨性則分別為基體耐磨性的3倍和10倍；激光熔覆層的摩擦系數(shù)隨著硬度的提高呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)基體與添加20％Cr3C2的激光熔覆層在更為苛刻的試驗(yàn)條件下，對(duì)磨材料為石墨基粉末冶金摩擦片時(shí)，熔覆層的耐磨性約為基體的2倍；與45＃鋼淬火件/涂層摩擦副對(duì)比，添加20％Cr3C2的熔覆層與基體均具有更小的磨損失重和更低的摩擦系數(shù)。
　　 在600℃高溫條件下，鐵基合金涂層和添加Cr3C2的鐵基合

6、金涂層的抗高溫氧化性能均明顯優(yōu)于基體，其累計(jì)氧化增重及增重速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基體的增重及增重速率。鐵基合金熔覆層具有較好的抗高溫氧化性能，在于其表面氧化形成了FeCr2O4尖晶石氧化物，這一尖晶石氧化物結(jié)構(gòu)致密、缺陷少，導(dǎo)電性能差，具有較好的抗氧化能力。添加Cr3C2的熔覆層由于Cr3C2發(fā)生高溫分解而使熔池中Cr元素含量大大提高，導(dǎo)致在試樣氧化表面可形成連續(xù)完整的Cr2O3氧化膜。因此其抗高溫氧化性能與鐵基合金熔覆層相比有所提高。
　

7、　 經(jīng)過(guò)50次從600℃到室溫的冷熱循環(huán)，基體及鐵基合金熔覆層表面均未觀察到裂紋，這表明其抗熱疲勞性能優(yōu)異；而添加Cr3C2后的熔覆層在涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，且隨著Cr3C2含量的增加，裂紋萌生循環(huán)次數(shù)減小，裂紋變寬變深，熱疲勞性能惡化。這主要是硬質(zhì)相與基體粘結(jié)相的熱膨脹系數(shù)差異造成的。
　　 綜合分析，在預(yù)制粉末厚度1mm，激光功率為3.5kW，掃描速度為150～300mm/min范圍內(nèi)，激光熔覆技術(shù)制備的鐵基合金熔覆層成型良好