激光熔覆制备铁铝金属间化合物及其组织与性能研究

摘要

Fe-Al金属间化合物（Fe3Al和FeAl）具有优良的耐氧化、耐腐蚀性能，利用激光熔覆在钢基体表面制备Fe-Al金属间化合物熔覆层可以提高钢的抗氧化和耐腐蚀性能。本文在Q235钢基表面利用激光熔覆金属粉末原位合成了Fe-Al熔覆层，同时利用等离子喷涂+激光重熔制备了Fe-Al熔覆层。通过对熔覆层的显微组织、物相结构、显微硬度、耐蚀性能和抗氧化性能进行分析，研究了造渣剂、微量合金元素(Cr、Ni、Si)以激光重熔喷涂层对熔覆层组织和性能的影响规律。
　　预置粉末中铁铝含量以及造渣剂的比例对Fe-Al熔覆层的组织和性能影响较大。添加适量的造渣剂不仅促进熔覆层组织更致密、提高熔覆层成形质量，还可以显著细化熔覆层晶粒。添加造渣剂时熔覆层由明暗度不同的细小的等轴晶粒组成;不加造渣剂时，熔覆层由粗大的柱状晶粒组成。熔覆层物相均是B2结构的FeAl相和DO3结构的Fe3Al，但是，添加造渣剂的熔覆层中出现了DO3结构的Fe3Al的超点阵衍射峰，即造渣剂可以促进DO3结构的Fe3Al的形成。TEM结果表明，两相的位相关系为Fe3Al(220)//FeAl((-1)0(-1))。当熔覆粉末中铝含量相同时，添加造渣剂可以显著提高熔覆层的显微硬度。与低碳钢相比，Fe-Al熔覆层有着优良的耐氧化和耐蚀性能，并且，添加造渣剂的熔覆层比不加造渣剂的熔覆层的耐氧化和耐蚀性能更好。
　　在进行多层熔覆过程中，多层Fe-Al熔覆层组织无分层现象，由粗大的柱状晶组成。Fe-Al熔覆层内部有少量裂纹，主要物相为B2结构的FeAl相和DO3结构的Fe3Al。熔覆粉末中添加少量Cr和Ni元素可以显著提高多层Fe-Al熔覆层的塑韧性，减少熔覆层中的裂纹，而Si元素会导致熔覆层生成脆性相Fe3Al0.7Si0.3，造成熔覆层裂纹增多。Fe-Al-Cr和Fe-Al-Ni熔覆层组织致密，无裂纹，主要物相都是FeAl相Fe3Al相;Fe-Al-Si熔覆层内部有大量裂纹，物相为FeAl相、Fe3Al相和Fe3Al0.7Si0.3相。与低碳钢相比，熔覆层有着较高的显微硬度。Fe-Al-Si熔覆层的显微硬度最高，其次是Fe-Al-Ni、Fe-Al，Fe-Al-Cr熔覆层的显微硬度最低。与低碳钢相比，熔覆层有着良好的耐蚀性。Fe-Al-Cr熔覆层的耐蚀性最好，其次是Fe-Al-Ni;由于Fe-Al-Si熔覆层中裂纹太多，其耐蚀性最差。
　　利用等离子喷涂+激光重熔工艺可以制备出表面平整且与基体良好冶金结合的Fe-Al熔覆层。两种工艺相结合不仅可以提高熔覆层的表面平整度，还可以促进熔覆层中B2结构的FeAl向DO3结构的Fe3Al的转变。当喷涂粉末中Fe∶Al=1∶1时，熔覆层内部组织致密，无裂纹熔覆层显微硬度约为360HV，此时，熔覆层的耐蚀性最好。采用X射线衍射仪和透射电镜对熔覆层组织成分进行分析，结果显示，熔覆层主要由FeAl和Fe3Al组成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 Fe-Al金属间化合物的结构和性能

1．2．1 Fe-Al金属间化合物的成分和结构

1．2．2 Fe-Al金属间化合物的性能

1．2．3 Fe-Al合金的韧化方法

1．3 Fe-Al金属间化合物涂层制备的研究现状

1．3．1 热喷涂

1．3．2 堆焊

1．3．3 激光熔覆

1．4 激光熔覆技术概述

1．4．1 激光熔覆技术的特点

1．4．2 激光熔覆材料及送粉方式

1．4．3 激光熔覆的工艺参数

1．4．4 激光熔覆层的缺陷及控制

1．5 选题意义及主要研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第2章 试验材料及方法

2．1 试验材料

2．1．1 基体材料

2．1．2 熔覆材料

2．2 试验方法

2．2．1 熔覆层制备方法及设备

2．2．2 组织与性能测试方法及设备

第3章 激光熔覆原位合成Fe-Al合金熔覆层

3．1 试验材料与方法

3．2 熔覆层宏观质量

3．3 熔覆层显微观组织

3．4 熔覆层的成分分析

3．5 熔覆层TEM分析

3．6 熔覆层显微硬度分析

3．7 熔覆层抗氧化性分析

3．8 熔覆层耐蚀性分析

3．9 熔覆层中的裂纹分析

3．10 本章小结

第4章 激光熔覆制备多层Fe-Al合金熔覆层

4．1 试验材料与方法

4．2 多层熔覆层宏观形貌

4．3 多层熔覆层的相结构分析

4．4 多层熔覆层的显微组织和成分分析

4．5 多层熔覆层显微硬度分析

4．6 多层熔覆层的耐蚀性分析

4．7 本章小结

第5章 等离子喷涂+激光重熔制备Fe-Al合金熔覆层

5．1 试验材料与方法

5．2 等离子喷涂+激光重熔层宏观质量

5．3 等离子喷涂+激光重熔层显微组织和成分分析

5．4 等离子喷涂+激光重熔层相结构分析

5．5 等离子喷涂+激光重熔层TEM分析

5．6 等离子喷涂+激光重熔层显微硬度分析

5．7 等离子喷涂+激光重熔层耐蚀性分析

5．8 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

第9章 攻读硕士期间发表的论文