H13钢表面激光熔覆梯度涂层及其组织与性能研究

摘要

H13钢因其具有优良的综合性能，是搅拌摩擦焊中常用的搅拌头材料。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的工作层容易产生高温变形和磨损而导致搅拌头失效，限制了该技术的应用和发展。因此，改善搅拌头材料H13钢的表面性能，延长其使用寿命、扩大其在高熔点材料焊接中的应用就显得尤为重要。众所周知，所有的失效都是从表面开始的，因此，本文通过激光熔覆技术制备梯度熔覆层，对H13钢的表面进行改性处理来提高H13钢的性能，以期为磨损搅拌头的修复和直接成型制造奠定基础。
　　本文选用镍基和钴基合金作为熔覆材料，并添加了WC、TiCN等增强粒子。通过正交实验，优化激光熔覆的工艺参数，最优参数为离焦量20 mm、频率30 Hz，扫描速度100 mm/min、脉宽2.0 ms、单脉冲能量6.46 J，搭接率30％。在此工作的基础上，制备梯度熔覆层，并通过相应的检测手段对其微观组织结构、显微硬度分布、耐摩擦磨损性能以及耐高温氧化性能等进行了测试分析，得到的结论如下所示。
　　WC和TiCN增强的Co基和Ni基熔覆层的微观组织均大致保持了从底部到顶部逐渐细化的趋势，增强相WC和TiCN含量的增加有利于细化组织结构，两种增强相对Co基熔覆层组织分布影响不明显。而Ni基熔覆层的组织均匀性受到增强颗粒的影响较明显。TiCN增强的Ni基熔覆层比WC增强的Ni基熔覆层表现出更好的组织均匀性。另外，梯度熔覆层的组织呈现更均匀的分布状态。
　　WC和TiCN增强的Co基和Ni基熔覆层显著地提高了H13钢的硬度。梯度熔覆层的设计不但获得了更高的显微硬度值，还改善了显微硬度的梯度分布，三层梯度熔覆层的显微硬度呈现出更平缓的梯度下降，这种分布有利于防止熔覆层的性能突变。比较分析可知，同等条件下，WC增强的Co基和Ni基熔覆层的显微硬度高于TiCN增强的熔覆层，各种熔覆层的硬度值从高到低依次是:WC增强Co基涂层，WC增强Ni基涂层，TiCN增强Co基涂层，以及TiCN增强Ni基涂层。
　　与H13钢基底相比，梯度熔覆层表现出更优越的耐磨性能。WC和TiCN增强的两层和三层梯度熔覆层的磨损失重远小于H13钢和单层熔覆层，进一步表明梯度熔覆的设计有利于改善H13钢的耐磨性。H13钢基底的磨损机制主要是黏着磨损，单层Co基熔覆层表现为粘着磨损和磨粒磨损形貌，单层Ni基熔覆层表现为粘着磨损，而WC和TiCN增强的两层和三层的梯度熔覆层则主要表现为磨粒磨损。WC增强的熔覆层较TiCN增强的熔覆层表现出更优良的耐磨性。
　　激光熔覆梯度涂层提高了H13钢的耐高温氧化性。熔覆材料（Co、Cr、Ni等）在H13钢表面生成的氧化膜细密，阻止了氧元素的进一步扩散。梯度熔覆层的设计提高了熔覆层的抗氧化性。对比分析发现，Co基熔覆层较Ni基熔覆层具有更优良的耐高温氧化性，而增强相WC在提高熔覆层的耐高温氧化性方面优于TiCN增强相。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 H13钢特性及应用简介

1．1．1 H13钢的特性

1．1．2 搅拌摩擦焊技术简介及存在问题

1．2 表面改性技术

1．2．1．热喷涂技术

1．2．2 离子注入技术

1．2．3 激光表面改性技术简介及其应用

1．3 激光熔覆技术

1．4 本文的研究意义及研究内容

1．4．1 课题的研究意义

1．4．2 课题研究的主要内容

第2章 实验材料方法及工艺研究

2．1 实验材料及处理

2．1．1 实验材料及样品制备

2．1．2 实验仪器与测试方法

2．2 激光熔覆工艺研究

2．2．1 熔覆工艺对表面形貌影响

2．2．2 熔覆工艺对熔覆层稀释率的影响

2．2．3 搭接率对熔覆层形貌及组织影响

2．2．4 熔覆层内缺陷产生机制

2．3 本章小结

第3章 梯度熔覆层的制备与组织性能分析

3．1 WC增强Co基熔覆层的组织形貌

3．2 TiCN增强Co基熔覆层的组织形貌

3．3 WC增强Ni基熔覆层的组织形貌

3．4 TiCN增强Ni基熔覆层的组织形貌

3．5 本章小结

第4章 梯度熔覆层的力学性能分析

4．1 WC增强Co基熔覆层的力学性能

4．1．1．WC增强Co基熔覆层的硬度

4．1．2．WC增强Co基熔覆层的摩擦磨损特性

4．2 TiCN增强Co基熔覆层的力学性能

4．2．1 TiCN增强Co基熔覆层的硬度分布

4．2．2．TiCN增强Co基熔覆层的摩擦磨损性能

4．3 WC增强Ni基熔覆层的力学性能

4．3．1 WC增强Ni基熔覆层的硬度

4．3．2 WC增强Ni基熔覆层的耐摩擦磨损性

4．4 TiCN增强Ni基熔覆层的力学性能

4．4．1 TiCN增强Ni基熔覆层的硬度

4．4．2 TiCN增强Ni基熔覆层的耐磨性

4．5 本章小结

第5章 梯度熔覆层的高温氧化性能分析

5．1 WC增强Co基熔覆层的高温氧化性能

5．2 TiCN增强Co基熔覆层的耐高温氧化性能

5．3 WC增强Ni基熔覆层的耐高温氧化性能

5．4 TiCN增强Ni基熔覆层的耐高温氧化性能

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文情况

附录