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丝—粉联合316L不锈钢激光熔覆改性工艺及组织性能研究

丝—粉联合316L不锈钢激光熔覆改性工艺及组织性能研究

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作者：闫帅中北大学

学位级别：硕士

316L不锈钢具有优良的耐腐蚀性,现已成为使用量最大的不锈钢品种之一。其服役环境复杂多变,面临化学腐蚀、电化学腐蚀、高能冲击、循环载荷和摩擦磨损等多种物理和化学互相协同作用带来的严重损伤。国内外学者围绕着激光熔覆技术对不锈... 详细信息

316L不锈钢具有优良的耐腐蚀性,现已成为使用量最大的不锈钢品种之一。其服役环境复杂多变,面临化学腐蚀、电化学腐蚀、高能冲击、循环载荷和摩擦磨损等多种物理和化学互相协同作用带来的严重损伤。国内外学者围绕着激光熔覆技术对不锈钢表面改性开展了大量的研究探索,但现有的激光熔覆设备基本采用单独送丝或单独送粉的送料方式,材料的灵活性和利用率受到了限制。针对上述情况,本文对316L不锈钢表面进行了316L焊丝+Al粉联合送料方式的激光熔覆工艺试验,并对熔覆层的显微组织、力学性能、耐磨损和耐腐蚀性能进行分析。为了实现丝-粉联合的激光熔覆,设计并集成了一套丝-粉联合的机器人光纤激光熔覆设备。本文完成的主要工作如下:(1)丝-粉联合机器人光纤激光熔覆设备的结构和控制方案的设计。丝-粉联合机器人光纤激光熔覆设备由运动系统、能量系统、控制系统、送料系统和辅助系统相互配合的有效集成。通过对设备的选型,确定能量系统由IPG光纤激光器、光内同轴送粉熔覆喷头组成;运动系统为ABB六轴机器人;送料系统由TIG-Mate送丝机和双路载气送粉器组成;控制系统为ABB IRC5;辅助系统由水冷设备、保护气设备和电源系统组成。(2)工艺参数对熔覆层宏观形貌、物相组成和金相组织的影响。随着激光功率的增加,Al Fe在θ=42°～46°范围内衍射峰强度呈现逐渐递;Cr-Ni固溶体,Al Ni、Fe Ni、Al Cr Fe等金属间化合物的衍射峰强度基本不变。在P=1700 W时熔覆层发生了严重的晶间偏析,力学性能严重下降。随着丝-粉比例的增加,Al Ni、Al Cr Fe等金属间化合物在θ=79°～83°范围内衍射峰强度呈现逐渐递增现象,晶粒逐渐变小且向等轴晶转变且方向性均一化排列。当丝-粉比例R=10:3时,θ=42°～46°衍射范围内衍射强度发生了突变,强度明显减小;当R=30:7时熔覆层的热影响区范围最小,晶粒中布满了规则排列的细小的强化相。随着扫描速度的增加,Al、Cr、Fe、Ni等金属原子在熔池中无法充分反应,在熔覆层中的层间组织形成微夹渣;Al Cr、Al Ni、Al Fe、Al Cr Fe等金属间化合物在θ=42°～46°范围内衍射峰强度呈现递减现象。当扫描速度v=2 cm/s时热量累积严重基体被烧穿,v=5 cm/s,移动速度较快导致金属焊丝不能够快速的熔化。(4)熔覆层的微观组织及性能。Al在熔覆层界面区域以连续模式分布且分布较为均匀,熔覆层中形成了Al Cr、Al Ni、Al Cr Fe等金属间化合物(IMC)和固溶体,且存在大量规则排列直径约为d=200 nm～500 nm的四方棱锥。熔覆层的硬度相较于基体提高了2.75倍左右;摩擦体积损失量远小于316L不锈钢基体的摩擦体积损失量;E较316L不锈钢基体高,I较316L不锈钢基体小;耐磨性和耐腐蚀性显著提高。

关键词：丝-粉联合激光熔覆 316L不锈钢工艺参数显微组织耐磨损耐腐蚀

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