激光熔覆高铬铁基/Ti熔覆层组织与性能研究

摘要

本文采用“好钢用在刀刃上”的思想，利用激光熔覆同轴送粉技术将高性能的合金粉末熔化涂覆在刃口处，而基体则是普通的3Cr13马氏体不锈钢，从而改善了国内刀具量大而质不高的生产现状，提高刀具的国际竞争力，打破国外对高端刀具垄断的现状。 选用具有高硬度、高耐磨的高铬铁基合金粉末，该合金被广泛用于石油、矿山、刀具等一些耐磨工件的表面，但是由于成分中含有较高的Cr、C含量，因此在熔覆过程中主要存在两个问题：（1）熔覆层容易产生裂纹，对熔覆工艺要求比较苛刻；（2）在最优的工艺参数下，熔覆层的耐腐蚀性能达不到高端刀具的使用要求。因此，需通过设计正交试验，调节激光功率P、送粉速度Vf、激光扫描速度Vg三个参数优化熔覆工艺；通过向基础粉末高铬铁基中添加不同含量的Ti，研究Ti的添加对熔覆层组织与性能的影响。结果表明：熔覆层的宽度、高度与激光熔覆工艺参数（激光功率、送粉速度、扫描速度）息息相关。在最佳熔覆工艺下，由于熔覆层中凝固条件不同，其组织分为三个区域：枝晶区、细晶共晶区、粗晶区，使得熔覆层硬度呈阶梯分布；而且三个晶区裂纹扩展路径也有所区别，在熔合线附近和熔覆层中部均为沿晶断裂，由于此区域碳化物呈针状形态，产生应力集中；而在熔覆层顶部，形成相对较大的碳化物，因此在此区域为穿晶断裂。通过向高铬铁基熔覆层添加不同含量的Ti，采用ThermoCalc软件的Fe-alloy TCFE7数据库对高铬铁基/Ti合金在平衡状态下的相的种类、析出顺序以及析出规律进行了精确计算。高铬铁基熔覆层中不存在M23C6相，分析认为由于熔池中TiC和M7C3相的形成会消耗大量的C原子，导致液相中剩余的C原子不足以形成M23C6；同时，根据Bramfitt的二维点阵错配度理论，正交晶系M7C3在形核中以TiC作为核心属于中等有效性。因此，M7C3碳化物在结晶过程中以TiC作为核心形核，细化了M7C3型碳化物；而计算结果与试验结果吻合较好。当向高铬铁基合金中加入3.0wt%Ti时，增加了熔覆层的耐腐蚀性能，抑制了腐蚀裂纹；同时熔覆层的平均硬度达到最高，是基体的2倍左右。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 激光熔覆技术概述

1.3 激光熔覆技术的应用领域

1.3.1 涂层

1.3.2 零件的修复与翻新

1.3.3 激光熔覆快速成型

1.4激光熔覆材料研究现状

1.4.1激光熔覆材料的分类

1.4.2 Fe-Cr-C铁基材料的研究现状

1.5熔覆层制备

1.5.1改良合金粉末成分

1.5.2添加稀土氧化物

1.5.3直接添加硬质相

1.5.4原位生成硬质相

1.6 研究目的和意义

1.7 本课题研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.1.1 3Cr13不锈钢基体材料

2.1.2熔覆粉末

2.1.3熔覆层改性材料

2.2熔覆设备及工艺

2.2.1激光熔覆设备

2.2.1.2送粉系统

2.2.2激光熔覆工艺

2.2.3激光熔覆试验设计

2.3熔覆层表征及性能测试

2.3.1微观组织表征

2.3.2微区成分分析

2.3.3 XRD物相分析

2.3.4显微硬度测试

2.3.5耐腐蚀性测试

2.3.6原位拉伸试验测试

第3章 高铬铁基合金的熔覆工艺优化

3.1激光功率对熔覆层几何形状的影响

3.1.1 激光功率对熔覆层宽度和高度的影响

3.1.2 送粉速度对熔覆层宽度和高度的影响

3.1.3 扫描速度对熔覆层宽度和高度的影响

3.2正交试验与分析

3.2.1熔覆层表面几何特征的试验设计

3.2.2方差分析法

3.2.3各因素及水平对熔覆层宽度的影响

3.2.4各因素及水平对熔覆层高度的影响

3.2.5各因素及水平对熔覆层硬度的影响

3.2.6正交优化试验结果

3.3本章小结

第4章 高铬铁基熔覆层组织及性能分析

4.1熔覆工艺参数

4.2熔覆层显微组织分析

4.2.1热影响区的组织分析

4.2.2熔合线附近的组织分析

4.2.3熔覆层中部的组织分析

4.2.4熔覆层顶部的组织分析

4.3熔覆层性能分析

4.3.1熔覆层的显微硬度分析

4.3.2熔覆层的原位拉伸分析

4.3.3熔覆层的盐雾试验检测

4.4本章小结

第5章Ti对高铬铁基熔覆层组织与性能的分析

5.1激光熔覆高铬铁基/Ti熔覆层的热力学与动力学分析

5.2激光熔覆高铬铁基/Ti熔覆层组织分析

5.3 TiC的原位生长机制

5.4 TiC的细化机制

5.5熔覆层耐腐蚀性

5.6熔覆层的显微硬度分析

5.7本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所取得学术成果目录