电磁复合场对熔覆层气孔和WC颗粒分布影响研究

摘要

激光熔覆技术作为一种先进制造技术，在航空航天、船舶、核电、能源化工能重要领域取得了广泛的应用。气孔及硬质相的分布不理想是激光熔覆过程中常见的问题，会严重影响熔覆材料的物理性能及可靠性。在本研究中，对激光熔覆过程添加电磁复合场，改变了熔池所受的体积力状态，最终实现气孔及硬质相分布的改善效果。 本文利用电磁复合场对熔池受力状态的影响，达到对熔池中的气孔分布进行调控的目的。研究了电磁复合场对激光熔覆涂层的宏观形貌，气孔分布状态的影响。实验中采用92%AISI316L和8%TiH2的激光熔覆粉末，获得了稳定的孔隙分布。研究表明，当施加同重力方向的安培力时，孔隙率和气孔半径均随安培力的增大而减小。气孔分布向熔覆层的上表面聚集。当电流为120A时，孔隙率降低了64.71%。当施加逆重力方向的安培力时，孔隙率和气孔半径均随安培力的增大而增大。熔覆层的气孔分布沿与水平面垂直的方向更加均匀。通入基体的直流电流为-90A时，孔隙率提高了144%。 分析了不同安培力下熔覆层形貌、组织和显微硬度的变化。研究表明，熔覆层高度随同重力方向安培力的增大呈下降趋势。当基本工艺参数保持不变时，不同试样之间的晶粒尺寸、晶粒特征和硬度没有明显差异。 本文利用电磁复合场对熔池受力状态的影响，达到对WC颗粒在熔池中分布进行调控的目的。研究了电磁复合场对激光熔覆层的宏观形貌及WC颗粒的分布状态的影响。研究表明，当施加同重力方向的安培力时，熔覆层中的WC颗粒分布呈现出向熔覆层上部聚集的趋势。熔覆层下部的WC颗粒含量占比为19%，而熔覆层上部的WC颗粒含量为81%。WC颗粒过早固化难以下沉到熔池底部，更容易留存在熔覆层的中上部。当施加逆重力方向的安培力时，熔覆层中的WC颗粒的分布由表层至底部逐渐增加。熔覆层下部的WC颗粒含量占比为59%，而熔覆层上部的WC颗粒含量为41%。WC颗粒在熔池中下沉的速度增加，使WC颗粒更容易进入熔池底部而被固化。 探究了熔覆层中添加WC颗粒时熔覆层的显微组织和显微硬度。研究表明，熔覆层的上部位置为等轴晶，中间部分为细化的枝晶，基体与熔覆层交界处为粗大的枝晶和平面晶。由于熔覆层中WC颗粒的存在，原本熔覆层中部由熔覆层底部外延生长的枝晶变为以WC颗粒为晶核外延生长，且此处的枝晶晶粒大小比熔覆层底部的明显更小。基体的硬度约为180HV，而加入WC颗粒后熔覆层的硬度提高至基体硬度的2倍以上。当向熔池中施加同重力方向安培力时，在熔覆层中由上表面至基体，硬度逐渐下降。当向熔池中施加逆重力方向安培力时，熔覆层硬度的变化正好相反。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 激光增材制造技术

1.3 激光增材制造主要现存问题

1.3.1 气孔

1.3.2 裂纹

1.3.3 陶瓷颗粒分布不均匀

1.4 电磁辅助激光增材制造研究现状

1.4.1 稳恒磁场辅助激光增材制造

1.4.2 旋转磁场辅助激光增材制造

1.4.3 交变磁场辅助激光增材制造

1.5 本文主要研究内容

1.5.1 课题研究目标

1.5.2 课题研究主要内容

1.5.3 技术路线

2 实验条件及相关理论

2.1 实验条件

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验设备

2.2 试样检测方法及设备

2.2.1 宏观形貌观测

2.2.2 显微组织分析

2.2.3 显微硬度分析

2.2.4 EBSD晶粒取向分析

2.2.5 超景深三维观测

2.3 电磁场相关理论

2.3.1 电磁场基本理论

2.3.2 熔池中的电磁力

2.4 本章小结

3 电磁复合场对熔覆层中气孔分布的影响

3.1 熔覆工艺和粉末比例的探究

3.2 实验设计及电磁力参数选择

3.3 电磁力对熔覆层气孔分布的影响

3.3.1 熔覆层中的气孔分布变化

3.3.2 熔覆层中的孔隙率变化

3.3.3 定向安培力对熔覆层中气孔的作用分析

3.3.4 熔覆层中气孔逸出速度分析

3.4 电磁力对熔覆层形貌的影响

3.5 电磁力对熔覆层显微组织的影响

3.6 电磁力对熔覆层显微硬度的影响

3.7 本章小结

4 电磁复合场对熔覆层中陶瓷颗粒分布的影响

4.1 电磁力对熔覆层WC颗粒分布的影响

4.1.1 熔覆层宏观形貌

4.1.2 定向安培力对熔覆层中的WC颗粒分布的影响

4.1.3 熔覆层中影响WC颗粒分布的作用力分析

4.2 电磁力对熔覆层显微组织的影响

4.3 电磁力对熔覆层显微硬度的影响

4.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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