激光熔覆原位自生金屬陶瓷復合涂層組織性能研究.pdf

1、利用激光熔覆技術在常規(guī)材料表面制備原位自生金屬陶瓷復合涂層可以實現(xiàn)金屬基體與陶瓷材料優(yōu)異性能的良好結(jié)合,該領域研究應用前景廣闊.鑒于此,本文在以下方面開展了研究工作:利用△G<,T>判據(jù)可知:Ni-Fe-Ti-B和Fe-Ti-B體系中TiB<,2>生成趨勢最大,Ni<,4>B<,3>,TiB等也能生成.激光熔覆過程中保護氣氛的作用重要.對不同涂層反應體系的差熱分析表明:體系升溫速率不同,其中的主反應類型基本不變,但反應熱效應及主反應進行

2、程度有所不同,且反應開始溫度和反應速率最大溫度亦有變化.多元系中的組元數(shù)量對此二溫度點高低亦有影響.利用差減微分法建立的動力學方程可以粗略描述激光熔覆過程.激光熔覆原位反應是開放體系中遠離平衡態(tài)的過程,一定條件下可以引起負熵變,體系內(nèi)部存在非線性機制及漲落,符合Z.Prigogine關于非平衡體系中形成耗散結(jié)構(gòu)的條件,實驗也證實反應中發(fā)生了自組織現(xiàn)象并形成了呈宏觀有序規(guī)則排布的耗散結(jié)構(gòu).利用激光熔覆技術,選用優(yōu)化的激光工藝參數(shù)在常用中碳

3、鋼45鋼表面制備了不同成分配制的原位析出Ni-Fe-Ti-B和Fe-Ti-B復合涂層,成份配制適宜的試樣SN1,SN2及經(jīng)過成份調(diào)整的SF1,SF2,SF3涂層熔覆質(zhì)量良好.利用材料現(xiàn)代分析手段對涂層進行顯微分析.結(jié)果表明:涂層熔區(qū)組織形態(tài)及晶粒度隨涂層成份的不同呈規(guī)律性演化.Ni-Fe-Ti-B涂層由金屬基體γ-(Ni,Fe)和Ni<,hcp>及大量不同形狀的原位析出穩(wěn)定相TiB<,2>,Ni<,4>B<,3>及亞穩(wěn)定相Ni<,2>B

4、,(Fe,Ni)<,3>B型化合物組成.Fe-Ti-B涂層由金屬基體α-Fe及不同形狀的原位析出穩(wěn)定相TiB<,2>,Fe<.2>B與亞穩(wěn)相TiB,Fe<,3>B組成.它們在涂層熔區(qū)內(nèi)以晶內(nèi)先共晶金屬基體相與晶間混合共晶組織的形式存在.基體內(nèi)部與析出相界面上的高密度位錯堆積使基體金屬亞結(jié)構(gòu)細化.原位合成產(chǎn)物產(chǎn)量隨涂層成分配制的不同而改變.對涂層機械力學性能的分析表明:涂層顯微硬度值較基體有顯著提高,從表面到基體呈平穩(wěn)過渡的梯度分布,熔覆

5、質(zhì)量良好試樣的顯微硬度受涂層成份影響不大;涂層強化機制主要有細晶強化、硬質(zhì)相彌散強化、過飽和固溶強化及位錯堆積強化等;熔區(qū)組織較基體顯著細化,晶粒細化行為與該過程中的傳熱與傳質(zhì)、原位析出硬質(zhì)顆粒促進非均質(zhì)形核以及金屬基體中強烈的位錯運動細化亞結(jié)構(gòu)有關;高陶瓷相含量涂層開裂傾向大,裂紋主要有基體中的穿晶裂紋、熔覆層邊緣高密度微裂紋、基體與原位析出相界面上的微裂紋及熱影響區(qū)中結(jié)合界面附近的微裂紋等,其產(chǎn)生于涂層熔區(qū)中的熱應力和組織轉(zhuǎn)變應力,

6、它們對涂層開裂的影響程度同激光參數(shù)、涂層成分及原位析出相的形狀、大小、分布等有關;激光處理后材料耐磨性明顯提高,涂層中的磨損機制主要為磨粒磨損及其引起的剝落磨損,基體中除此之外還有粘著磨損.在溫度連續(xù)變化環(huán)境中對涂層的高溫氧化性能進行了測試.結(jié)果表明:試樣SN1,SN2在溫度連續(xù)變化條件下高溫氧化抗力大,氧化表層組織細小均勻且致密排布;SN3和基體試樣高溫氧化抗力較低,氧化表層組織疏松粗大,不均勻,開裂及脫落傾向嚴重.適宜的陶瓷相含量及