电-磁-超声复合场辅助激光熔覆NiCrBSi合金熔覆层组织和性能研究

作     者：胡国放 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨勇

授予年度：2021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 复合场 电磁场 超声场 成分偏析 响应面优化 

摘      要：激光熔覆技术作为材料表面工程领域的前沿技术,得到了研究机构与工业领域的重视和应用。但熔覆层成分偏析和组织不均匀问题限制了激光熔覆大规模应用。如何解决这个问题成为激光熔覆技术研究领域的焦点。本文以42Cr Mo钢为基体,Ni Cr BSi合金粉末为熔覆层材料,用自行研制开发的直流电场、交变磁场和超声场复合装置辅助进行激光熔覆实验。使工件处于交变磁场内,在工件两端通入直流电流,同时在待熔覆基体的上方施加空载超声,让直流电场、交变磁场和超声场共同作用于工件,通过三场复合作用,加速熔池内部传热传质过程,改善熔覆层成分偏析和组织不均匀问题,提高熔覆层力学性能。实验采用自主搭建的电-磁-超声复合装置,使三场同时可控,并进行无辅助场、单一物理场和复合场辅助激光熔覆对照实验,并分析比较其熔覆层性能优劣,进而对复合场辅助激光熔覆进行参数优化。同时采用有限元模拟方法,探究不同辅助场辅助激光熔覆过程中对熔池流动的影响。首先,进行无辅助场辅助激光熔覆实验,设计9组正交试验,研究无辅助场时激光功率、光斑直径和扫描速度对熔覆层性能的影响规律。结果表明:激光功率是熔覆层高度的主要影响因素,光斑直径对熔覆层宽度影响最大,扫描速度对熔覆层深度有显著影响。激光功率对显微硬度和熔覆层耐磨性影响最大,激光功率增大,熔覆层显微硬度降低。然后,在前期实验基础上,选取实验效果较好的工艺参数,进行无辅助场、电-磁场、超声场和电-磁-超声复合场辅助激光熔覆对照实验。用有限元模拟方法探究了外加物理场对激光熔覆熔池流动的影响。通过观察显微组织,发现施加物理场都对熔覆层组织有细化效果,但电-磁场的电磁力对熔池的搅拌作用和超声场声流效应和空化效应对枝晶的破碎作用及对熔池的搅拌作用,使得复合场熔覆层组织细化更明显,元素扩散更均匀,成分偏析程度更小。通过有限元模拟,发现复合场对熔池流速提升效果最明显,影响最大。硬度测试和耐磨性能测试结果显示,复合场熔覆层硬度最高,磨损体积最小,表明激光熔覆过程中施加电-磁、超声复合场有助于提升熔覆层硬度和改善耐磨性能。进一步,对复合场辅助激光熔覆进行参数优化,通过响应面参数优化实验,分析直流电流强度、交变磁场强度和超声功率这三个因素对熔覆层质量的影响,进而选取出获得较好熔覆层质量的因素参数组合。通过变量和响应之间单一影响的扰动图分析,随着超声功率的增大,熔覆层显微硬度出现一定程度的降低;随着直流电流强度的增大,熔覆层显微硬度上升。熔覆层显微硬度随着交变磁场强度增大呈现出先增大后减小的趋势。通过响应面优化参数分析,得到最佳物理场参数组合为:超声功率150W,交变磁场强度40m T,直流电流强度10A,实验验证其可以获得质量理想的熔覆层。本文对直流电场、交变磁场和超声场复合辅助激光熔覆技术进行了实验研究和参数优化。本研究是对复合物理场有效解决现存激光熔覆工艺成分偏析和组织不均匀问题的技术探索,为多物理场辅助激光熔覆研究提供参考和借鉴。