激光重熔高速电弧喷涂FeNiCrAl涂层的组织及性能研究

摘要

再制造是以废旧的产品零部件为毛坯，采用先进的表面工程技术对失效的零部件表面进行修复和强化，而高速电弧喷涂和激光技术作为常见的表面工程技术，在机械零部件的再制造中应用广泛。本文选用机械零件常用的材料45#钢作为基体，采用激光技术对在基体上制备的高速电弧喷涂FeNiCrAl涂层进行重熔处理。通过正交试验对重熔工艺参数进行了优化，采用场发射扫描电镜(FESEM)、金相显微镜(OM)、显微硬度计、X射线衍射仪(XRD)和摩擦磨损试验机等仪器设备对重熔前后FeNiCrAl涂层的组织结构、物相成分、显微硬度、断裂韧性和耐磨性能进行了研究。 以激光功率、扫描速度和搭接步距为工艺参数，以孔隙率和显微硬度为评价指标，设计正交试验对激光重熔工艺参数进行了优化。采用极差分析方法得到重熔优化的工艺参数为:激光功率1700W，扫描速度10mm/s，搭接步距2.1mm。采用方差分析法得出激光功率和扫描速度对涂层的评价指标有显著影响。对优化后的重熔工艺参数进行了试验验证，优化效果明显。 对比分析了激光重熔前后FeNiCrAl涂层的组织结构、物相成分、显微硬度和断裂韧性的变化。结果表明，重熔后，喷涂层片层状堆叠结构与孔隙得到消除，组织结构变得均匀、致密，涂层与基体由机械结合变为冶金结合;喷涂层物相主要有α-Fe、Cr、金属间化合物AlFe3、AlFe和Al0.4Fe0.6，重熔后，生成了新相Fe-Cr及[Fe,Ni]固溶体和碳化物NiCx;重熔后涂层的平均显微硬度7.79GPa，约是基体硬度(2.5GPa)的3倍，约是喷涂层硬度(6.0GPa)的1.3倍;喷涂层在500gf及1000gf载荷时，压痕尖头在与界面平行的方向出现裂纹，涂层平均断裂韧性为1.20MPa·m1/2，重熔后涂层在300～1000gf载荷时，压痕尖头均没有观察到裂纹。 采用UMT-3型多功能摩擦磨损试验机对基体、喷涂层和重熔层进行了微动摩擦磨损性能测试，分析了载荷对摩擦系数、磨痕形貌和磨损量的影响，分析了基体、喷涂层和重熔层的微动摩擦磨损机理。试验结果表明，基体、喷涂层和重熔层的摩擦系数曲线分为三个阶段:磨合阶段，过渡期，稳定期;其摩擦系数值随着载荷的增大而减小;同种载荷条件下，重熔层的磨痕宽度、磨痕深度和体积磨损量比基体和喷涂层要小，都随着载荷的增大而增大，重熔层的增加幅度比基体和喷涂层要小;基体和喷涂层的磨损形式为疲劳剥层磨损以及磨粒磨损;重熔层的主要磨损形式为犁削磨损。相同载荷条件下，重熔层的耐磨性能优于基体和喷涂层。

目录

声明

摘要

1．1研究背景及意义

1．2高速电弧喷涂

1．2．1高速电弧喷涂的原理

1．2．2高速电弧喷涂层特点

1．2．3高速电弧喷涂的应用领域

1．3热喷涂涂层激光重熔

1．3．1激光重熔的原理

1．3．2热喷涂涂层激光重熔的国内外研究现状

1．4本文的研究目的及主要研究内容

第2章试验材料、设备及方法

2．1试验材料

2．1．1基体材料

2．1．2高速电弧喷涂丝材

2．2试验设备及工艺

2．2．1高速电弧喷涂设备及工艺

2．2．2激光重熔设备

2．3涂层金相试样制备及组织结构分析

2．3．1涂层金相试样制备

2．3．2涂层组织结构分析

2．4涂层性能测试方法

2．4．1显微硬度测试

2．4．2孔隙率测试

2．4．3断裂韧性测试

2．4．4摩擦磨损性能测试分析

2．5本章小结

第3章激光重熔FeNiCrAl涂层的工艺研究

3．1激光重熔FeNiCrAl涂层的正交试验设计

3．2正交试验结果的极差分析

3．2．1多指标极差分析

3．2．2孔隙率分析

3．2．3显微硬度分析

3．3正交试验结果的方差分析

3．4激光重熔FeNiCrAl涂层工艺参数优化的试验验证

3．5本章小结

第4章FeNiCrAl涂层的组织结构与力学性能

4．1高速电弧喷涂FeNiCrAl涂层的组织结构

4．2激光重熔FeNiCrAl涂层的组织结构

4．2．1激光重熔FeNiCrAl涂层的显微组织

4．2．2激光重熔FeNiCrAl涂层的截面形貌及能谱分析

4．3 FeNiCrAl涂层的物相分析

4．4 FeNiCrAl涂层的力学性能

4．4．1 FeNiCrAl涂层的显微硬度

4．4．2 FeNiCrAl涂层的断裂韧性

4．5本章小结

第5章FeNiCrAl涂层的微动摩擦磨损性能

5．1载荷对摩擦系数的影响

5．2载荷对磨痕形貌及磨损量的影响

5．3 FeNiCrAl涂层的微动摩擦磨损机理

5．4本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

附录

附表