高速轮轨ER8/U75VG钢超声振动辅助激光熔覆强化涂层制备及性能研究

摘要

高速、重载运输将是未来世界铁路发展的主流方向，随着列车速度的提高以及轴重的增加，轮轨间的复杂作用力不可避免的引起以车辆和轨道结构失效为特征的损伤加剧，大大降低了轮轨系统的服役寿命。高铁技术的蓬勃发展，助推了中国经济社会的腾飞，但高速铁路系统中的零件失效也越来越严重，最为典型的问题仍属轮轨接触损伤与磨损。激光熔覆作为先进的表面处理方法及激光加工领域的一个分支，是一种先进的材料表面改性技术，可以在车轮和钢轨材料表面获得无气孔、裂纹的优质熔覆层，从而改善轮轨材料的耐磨性能，提高其使用寿命。
　　本文采用的熔覆材料为Fe-Co复合基专利粉末，在原基础基粉末中分别添加不同含量的稀土氧化钇、钇稳定纳米氧化锆以及钼粉，激光熔覆制备4类系列合金涂层。熔覆试验后在干摩擦条件下利用GPM-30滚动接触疲劳磨损试验机研究了轮轨超声振动辅助激光熔覆强化涂层的滚动接触疲劳与磨损性能，采用X-射线衍射(XRD)对熔覆涂层组织进行物相分析，通过扫描电子电镜（SEM）观察高倍组织形貌，并用其附件EDAX能谱仪定性定量分析熔覆涂层组织微区成分，使用维氏硬度仪测定了基材及熔覆涂层的硬度。
　　本文主要结论如下：
　　1、现场调研选取的CRH380AL、CRH2-ER8材质车轮踏面损伤分析结果表明：踏面裂纹属滚动接触疲劳性质，车轮踏面在轮轨接触应力作用下，表层金属发生塑性变形，塑性变形累积至超过材料塑性变形极限后即产生裂纹，裂纹在轮轨滚动接触应力持续作用下发生沿塑性变形方向的疲劳扩展，最终发展成宏观裂纹和剥离。另外，CRH380B和住友金属工业株式会社制造的CRH2型车轮踏面伤损由擦伤引起，在列车继续运行过程中多数可被磨掉，进一步扩展成踏面裂纹或剥离的可能性较小，通常不会对行车造成明显影响。
　　2、试验分析得出了超声振动辅助激光熔覆较优的工艺参数：激光功率为1500W，粉末预置厚度为1.5mm，熔覆速度为360mm/min，离焦量为360mm，超声振动装置的功率输入选用600W，振动频率19KHz。在此工艺参数下获得的熔覆涂层质量较优，组织致密、气孔少，界面结合清晰。熔覆涂层组织表现为柱状晶，在结合线周围柱状晶较大，在熔覆层上部组织为晶粒细小的等轴树枝晶。主要组成相为Fe-Cr的马氏体组织，Co-Cr的γ相固溶体、Fe-Ni固溶体以及弥散析出的含Cr、W的碳化物、硼化物、硅化物等硬质相。超声振动可以使得熔覆涂层组织均匀度增加，晶粒变细，断面显微硬度渐变平缓。
　　3、轮轨材料经过激光熔覆强化处理后，由于熔覆涂层中产生了硬度高的含碳硬质相、马氏体组织、固溶体等组织结构，轮轨表面的硬度均有大幅度提高，车轮试环熔覆层表面平均硬度约为539 HV0.3，钢轨试环熔覆层表面平均硬度约为582 HV0.3，Hw：Hr≈1:1.08，与基材相比，硬度分别提高88.5%和83.1%。激光熔覆强化处理后，轮轨磨损速率分别降低59.1%，37.3%，抗磨损性能大幅提高，表层塑性流动减轻，表面抗塑性变形的能力增强，抗剥落性能提高。磨损机制由未进行激光熔覆强化处理的剥落磨损和严重的疲劳磨损转变为轻微的磨粒磨损和疲劳磨损。
　　4、添加氧化钇后，由于钇原子具有特殊的化学性质，利于熔覆层组织中裂纹的应力消弭，阻碍了裂纹扩展。氧化钇偏聚在晶界使得熔覆层组织快速冷凝的速度减缓，抑制了晶粒长粗、变大。添加1.5%稀土氧化钇的轮轨试环熔覆层同未添加氧化钇的熔覆涂层相比，改善效果最好，表面磨损速率继续下降，下降率分别为5.6%和7.3%，磨损情况得到进一步改善。
　　5、添加钇稳定纳米氧化锆后，作为第二相ZrO2颗粒在合金粉末中受热应力拉伸开裂时阻止横向截面收缩而起到增韧作用。同时,高弹性模量的颗粒对裂纹具有钉扎效应,使得裂纹发生偏转绕道,耗散了裂纹前进的动力,起到了增韧作用。另外，四方相氧化锆的存在，使得其在残余热应力的作用下部分转化为单斜相氧化锆，克服了熔覆层材料与轮轨基材热膨胀系数差异而产生残余热应力，既改善了熔覆层的开裂性，又参与了熔覆层的相变增韧，提高了熔覆层的质量。添加3.5%氧化锆的改善效果最佳，滚动接触疲劳磨损试验结果表明四个时间段的平均磨损速率分别为1.48×10-9g/mm，1.31×10-9g/mm，轮轨磨损速率分别继续降低56.5%和61.6%，轮轨试环熔覆层的抗磨损性能进一步提高。
　　6、添加钼粉后，由于Mo粉含量的增加，主导了与C元素的结合，促进了熔覆层组织中形核率的增加，提高了熔覆层的韧性。同时，碳化钼晶体为密排六方晶格，具有很高熔点和硬度，它的存在，使得熔覆涂层表现出良好的耐磨性和抗疲劳性能，轮轨试环熔覆层表面磨损情况大为改善。其中，添加4%钼粉后，熔覆涂层表现出的抗疲劳和耐磨损性能最好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 铁路轮轨损伤类型

1.3 轮轨表面激光强化处理研究现状

1.4 激光熔覆表面强化处理技术研究进展

1.5 本文研究意义及主要研究内容

第二章 高速列车车轮踏面浅表层裂纹分析

2.1 动车组车轮情况现场调研

2.2 高速铁路车轮相关标准和车轮材质标准分析

2.3 典型车轮伤损问题分析

2.4 本章小结

第三章 试验材料、方法与设备

3.1 超声振动作用下激光熔覆试验材料

3.2 轮轨滚动接触疲劳试验设备与方法

3.3 ER8/U75VG轮轨钢激光熔覆强化处理后的滚动接触疲劳试验方案

3.4 超声振动下熔覆组织与性能测试方法与仪器

3.5 本章小结

第四章 超声振动辅助激光熔覆层的制备及性能表征

4.1 熔覆材料的设计与熔覆工艺参数的确定

4.2 熔覆工艺参数的确定

4.3 超声振动辅助激光熔覆层的制备及表征

4.4 本章小结

第五章 超声振动辅助激光熔覆强化处理前后轮轨滚动接触疲劳磨损性能对比分析

5.1 ER8/U75VG轮轨钢试环熔覆层组织分析

5.2 熔覆层显微硬度及轮轨表面硬度

5.3 摩擦系数与磨损体积

5.4 轮轨试环表面磨痕形貌与磨损机制

5.5 轮轨试环表层塑性变形

5.6 磨屑形貌

5.7 本章小结

第六章 不同激光熔覆层对轮轨滚动接触疲劳磨损性能的影响

6.1 氧化钇对轮轨激光熔覆层滚动接触疲劳磨损性能的影响

6.2 钇稳定纳米氧化锆对轮轨激光熔覆层滚动接触疲劳磨损性能的影响

6.3 钼对轮轨激光熔覆层滚动接触疲劳磨损性能的影响

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

作者简历及在读期间科研经历

致谢