超声振动辅助激光熔覆WTaNbMo合金工艺及高温性能研究

作     者：侯健成 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李瑞峰

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 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] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：超声振动 难熔高熵 激光熔覆 声流效应 组分均匀 

摘      要：WTaNbMo难熔高熵合金凭借着优异的高温强度和抗热腐蚀性能,在航空航天领域有着广泛的应用。由于航天飞机发动机零部件因长期处于高温磨损的工作环境会产生缩短使用寿命的问题,凭借激光熔覆层具有良好冶金结合、优异性能的特点,可以有效改善航空航天领域中发动机等零部件的损耗问题。然而,激光熔覆难熔高熵合金存在熔覆层宏观成形质量不高、晶粒粗大以及熔覆层组分分布不均的问题,致使熔覆层实际达到的性能不能满足使用要求。由于超声振动辅助激光熔覆技术制备的熔覆层具有成形更加完美、晶粒细小、熔覆层组分分布更加均匀的特点,超声振动辅助激光熔覆技术可以有效解决激光熔覆难熔高熵合金过程中所出现的问题,有利于WTaNbMo难熔高熵合金在激光熔覆领域中的应用与发展。本研究首先利用TruDisk 4002碟片激光器、超声振动辅助激光熔覆试验台等设备搭建超声振动辅助激光熔覆试验系统;然后利用超声振动辅助激光熔覆的方法,在5mm厚的Inconel 718基板上激光熔覆WTaNbMo熔覆层。对比研究了激光熔覆与超声振动辅助激光熔覆以及超声振动辅助后重熔三种工艺方法下,工艺参数对熔覆层的宏观成形、微观组织、物相的影响,并且对比了在这三种工艺方法下制备的WTaNbMo熔覆层的显微硬度、高温氧化性以及高温耐磨性的差异。主要研究成果如下:利用超声振动辅助激光熔覆工艺制备的WTaNbMo熔覆层的宏观成形相比于激光熔覆WTaNbMo熔覆层的宏观成形更好,利用超声振动辅助后重熔工艺所制备的WTaNbMo熔覆层的宏观成形质量及平整性最优。在激光熔覆过程中,超声振动可以促进熔覆层内部组分分布均匀化,利用超声振动辅助后重熔工艺所制备的WTaNbMo熔覆层的组分分布更加均匀。相对于激光熔覆工艺而言,利用超声振动辅助激光熔覆工艺制备的WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸明显变小。超声振动辅助激光熔覆工艺制备完WTaNbMo熔覆层后,施加激光重熔所得到的WTaNbMo熔覆层的组织进一步细化致密,其中激光熔覆WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.358μm,超声振动辅助激光熔覆WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.344μm,超声振动辅助后重熔WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.329μm。在超声振动辅助激光熔覆和超声振动辅助后重熔工艺中,由于没有其他元素的引入,WTaNbMo熔覆层原本的化学反应不会受到影响,WTaNbMo熔覆层的物相不会发生变化,主要为WTaNbMo单相固溶体和γ-Ni固溶体。利用超声振动辅助后重熔工艺制备的WTaNbMo熔覆层具有较高的显微硬度、较优的抗氧化性和耐磨性,当超声振幅为9.6μm时重熔WTaNbMo熔覆层的平均显微硬度值最高为984.4 HV;在高温氧化过程中,由于重熔WTaNbMo熔覆层的晶粒细小且致密,熔覆层内组分分布更加均匀,熔覆层表面的晶界明显增多,氧化膜的形核更加容易,形成连续完整具有抗氧化作用的氧化膜的速度加快,致使WTaNbMo熔覆层的抗氧化性能提高;利用超声振动辅助后重熔工艺制备的WTaNbMo熔覆层的高温耐磨性最优,当磨损温度为1000℃时,磨损机制主要为氧化磨损,无其他磨损。