交变磁场下铁基合金粉末激光熔层组织与性能研究

摘要

激光熔覆过程中，由于基材与粉末热物性的差异，以及熔覆层过大的冷却速度，熔覆层中容易产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，熔覆层底部组织晶粒粗大、具有方向性，不利于熔覆层性能的进一步提高。本文根据电磁冶金理论，设计了一种交变磁场发生装置，将其产生的交变磁场施加于铁基合金粉末的激光熔覆过程，研究该交变磁场对熔覆层的宏观形貌、显微组织和力学性能等方面的影响，从而形成一种改善熔覆层质量，减少内部裂纹和气孔等缺陷的新工艺方法。
　　通过磁场分析软件Vizimag，模拟了永磁体在不同夹角下所产生的磁场类型，并最终确定了一种实验采用的类正弦交变磁场，确定了装置中永磁体间距、转速等物理参数与所产生交变磁场的振幅、频率之间的对应关系，并通过高斯计对磁场的实际测量验证了模拟数据的准确性。
　　讨论了晶核形成的热力学条件和晶核长大的动力学条件。从外加交变磁场改变热力学和动力学条件的角度出发，揭示了交变磁场使枝晶臂熔断，增加对流熔池从而细化晶粒的机制。分析了激光熔覆过程中，覆层中常见的裂纹、气孔和夹杂等形成的原因，以及电磁力使气孔和夹杂分离的原理，为交变磁场下激光熔覆实验奠定理论基础。
　　以Q235A为基材，在其表面制备工程中常用的铁基涂层，首先在没有外加交变磁场的条件下，确定针对该基材和粉末的激光熔覆的最佳工艺参数。在此基础上，将交变磁场作用于激光熔覆过程，研究了其对熔覆层宏观形貌和稀释率的影响，以及不同的磁场参数的作用规律。
　　借助金相显微镜研究了交变磁场下熔覆层微观组织的变化，以及不同磁场振幅和频率对涂层结构的影响，揭示了组织中等轴晶向柱状晶转变的机理。XRD分析显示，外界交变磁场的作用前后，熔覆层的物相变化不明显。
　　对比分析了没有磁场作用和外加交变磁场作用下，熔覆层的拉伸、冲击、显微硬度等力学性能和摩擦磨损特性，试验表明，熔覆层抗拉性能、冲击韧性、硬度和耐磨性均有一定幅度的提高，从而验证了细化的微观组织能使综合性能得到提高。