外场辅助激光熔覆制备TiB2+TiC增强Fe基复合涂层的研究

作     者：应卫龙 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王新洪

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光熔覆 陶瓷颗粒 超声振动场 恒稳磁场 磨损性能 

摘      要：服役过程中与工件的频繁接触,以及压应力、热应力等应力的反复作用,使模具表面极易失效。模具表面的失效形式包括磨损、断裂及塑性变形等,大大影响了模具的服役寿命。通过激光熔覆技术改善模具材料表面性能,达到修复和强化失效模具的目的,是一条提高产品生产效率、降低企业生产成本的有效途径,具有重要的工程应用意义。本文采用原位生成法在5CrNiMo钢表面制备了陶瓷颗粒TiB2+TiC增强Fe基复合涂层,并在此基础上分别引入超声振动场和恒稳磁场辅助激光熔覆过程,以进一步提高熔覆层的耐磨性能。研究了在不同外场辅助条件下的熔覆层组织和性能的变化,分析了各外场在激光熔覆过程中的作用机理。通过激光工艺参数的优化,确定了用于后续试验的激光工艺参数为:激光功率1400W,扫描速度7mm/s,光斑直径4mm,预置粉末厚度1mm。在此激光工艺参条件下制备的熔覆层与基体呈冶金结合,整体性能良好。熔覆层的物相主要由α-Fe、Cr7C3、TiB2、TiC和Fe-Ni组成。通过原位反应生成的TiB2和TiC在熔覆层中弥散分布,有效改善熔覆层的硬度和耐磨性能。但激光熔覆快速熔凝的特点导致熔覆层内存有微小裂纹。超声振动场的引入并未改变熔覆层的物相组成,但对基体组织和陶瓷相的形态及分布和力学性能有着显著影响。结果表明,在一定的超声功率的作用下,超声振动的空化效应、声流效应和机械效应起到了破碎晶粒、改变凝固条件及搅拌熔池等作用,使熔覆层基体组织和陶瓷颗粒增强相得到细化,分布趋于均匀,无气孔、裂纹等缺陷。超声振动场的作用效果随着超声功率的增加而加剧,但过高的超声功率并不意味着带来更好的改善作用,剧烈的热效应使得熔覆层内重新出现裂纹。当超声功率为300W时,熔覆层整体性能最佳,表面最高硬度为1201.1HV0.2,与无辅助条件的熔覆层相比增加了 13.35%;磨损形式为以显微切削为主的磨粒磨损,磨痕较浅,耐磨性约为基体的2.5倍。随着恒稳磁场的引入及磁场强度的增加,熔覆层基体组织的细化程度增大,陶瓷颗粒增强相在熔覆层中的分布状态也随着热电磁对流的加剧呈均匀化。但在较高的磁场强度条件下,恒稳磁场对熔池有明显的电磁制动作用,因而熔覆层的硬度和耐磨性随着磁场强度的增加先增加后减小。当磁场强度为15mT时,熔覆层力学性能最佳,表面最高显微硬度值为1253.6HV0.2,与无恒稳磁场辅助时的熔覆层相比提升了 19.71%;在相同磨损条件下磨损失重为无辅助条件熔覆层的63.64%,与基体相比耐磨性提升了 1.7倍。