万米深井钻机刹车盘表面激光熔覆组织与性能研究

摘要

深井钻机盘式刹车处于强摩擦、高热负荷及较大制动力等极端工况下，导致刹车盘表面存在三种形式的失效形式：一是由于紧急制动造成刹车盘表面瞬间高温产生的高温氧化；二是由于重载制动造成刹车盘表面的磨损损坏；三是由于高频、重载的周期性制动产生的热应力造成的热疲劳裂纹。目前通常采用等离子喷涂技术和堆焊技术强化和修复刹车盘表面，但都存在着较大的局限性。
　　 本文采用5kW横流CO2激光器，在基体35CrMo钢表面分别制备了铁基合金涂层以及含有不同比例Cr3C2的铁基合金复合涂层。利用OM、SEM、XRD等手段分析了激光熔覆层的微观组织结构、相组成，观察了高温氧化及摩擦磨损试验后试样表面的形貌；采用EDS分析技术，系统分析了结合区和熔覆层各区域合金元素的含量，以及高温氧化试样表面氧化膜的元素组成；对熔覆层的硬度、摩擦磨损性能、热疲劳性能以及抗高温氧化性能进行了测试，并对高温性能强化机理及摩擦磨损机理进行了探讨。
　　 试验结果表明，在预制粉末厚度为1mm，激光功率为3.5kW，扫描速度在150～300mm/min范围内，激光熔覆层组织均匀致密，实现了与基体良好的冶金结合，无裂纹、气孔等缺陷。铁基合金熔覆层的主要组成相为γ(面心立方)过饱和固溶体以及M7C3型碳化物、(Fe，Cr)有序相；显微组织包括平面晶和大体上垂直于界面生长的粗大的柱状树枝晶，向熔池中部过渡为多方向生长的细小树枝晶，近表面为平行于激光扫描速度方向生长的细小枝晶区。添加Cr3C2后的熔覆层组织主要由初生的M7C3碳化物、细小的树枝晶及枝晶间的薄片状共晶组织(γ+Cr7C3)组成，与铁基合金涂层相比，添加Cr3C2的熔覆层物相种类不变，但碳化物的数量显著增加。与基体35CrMo钢相比，激光熔覆层均具有很高的硬度，约为基体的1.5倍，且随Cr3C2加入量的增加表面硬度逐渐提高。
　　 激光熔覆层的摩擦磨损性能是摩擦副系统的综合特性，具有极强的系统依赖性和复杂的时空特性。在相同的试验条件下，当对磨材料为45＃钢淬火件时，铁基合金涂层的耐磨性比基体稍有提高，而添加10％Cr3C2和20％Cr3C2的熔覆层的耐磨性则分别为基体耐磨性的3倍和10倍；激光熔覆层的摩擦系数随着硬度的提高呈下降的趋势。当基体与添加20％Cr3C2的激光熔覆层在更为苛刻的试验条件下，对磨材料为石墨基粉末冶金摩擦片时，熔覆层的耐磨性约为基体的2倍；与45＃钢淬火件/涂层摩擦副对比，添加20％Cr3C2的熔覆层与基体均具有更小的磨损失重和更低的摩擦系数。
　　 在600℃高温条件下，铁基合金涂层和添加Cr3C2的铁基合金涂层的抗高温氧化性能均明显优于基体，其累计氧化增重及增重速率远远小于基体的增重及增重速率。铁基合金熔覆层具有较好的抗高温氧化性能，在于其表面氧化形成了FeCr2O4尖晶石氧化物，这一尖晶石氧化物结构致密、缺陷少，导电性能差，具有较好的抗氧化能力。添加Cr3C2的熔覆层由于Cr3C2发生高温分解而使熔池中Cr元素含量大大提高，导致在试样氧化表面可形成连续完整的Cr2O3氧化膜。因此其抗高温氧化性能与铁基合金熔覆层相比有所提高。
　　 经过50次从600℃到室温的冷热循环，基体及铁基合金熔覆层表面均未观察到裂纹，这表明其抗热疲劳性能优异；而添加Cr3C2后的熔覆层在涂层内部产生裂纹，且随着Cr3C2含量的增加，裂纹萌生循环次数减小，裂纹变宽变深，热疲劳性能恶化。这主要是硬质相与基体粘结相的热膨胀系数差异造成的。
　　 综合分析，在预制粉末厚度1mm，激光功率为3.5kW，扫描速度为150～300mm/min范围内，激光熔覆技术制备的铁基合金熔覆层成型良好，表面硬度高，具有优良的抗高温氧化性、热疲劳性能、耐磨性以及较高的摩擦系数，建议应用于刹车盘表面改性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源及意义

1.2盘式刹车副的服役特点

1.3刹车盘表面的强化现状

1.3.1刹车盘表面堆焊

1.3.2无压浸渍复合涂层

1.3.3等离子喷涂复合涂层

1.4激光熔覆金属基复合涂层

1.4.1激光熔覆金属基复合材料

1.4.2激光熔覆金属基复合涂层的成型问题

1.4.3影响激光熔覆金属基复合涂层组织和性能的因素

1.5研究目的和主要内容

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

第二章试验材料、方法及设备

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熔覆层组织结构分析及性能测试

第三章熔覆层的组织结构分析

3.1宏观形貌

3.1.1熔覆层的成型性

3.1.2气孔、裂纹的形成机制

3.1.3气孔、裂纹的控制

3.2熔覆层的物相分析

3.3显微组织及形成机理

3.3.1显微组织

3.3.2形成机理

3.4熔覆层的成分分析

3.5本章小结

第四章熔覆层的摩擦磨损性能

4.1熔覆层的硬度分布

4.1.1熔覆层表面的宏观硬度

4.1.2熔覆层截面的微观硬度

4.2熔覆层的摩擦磨损性能

4.2.1对磨材料为45#淬火件的摩擦磨损性能

4.2.2对磨材料为石墨基粉末冶金摩擦片的摩擦磨损性能

4.2.3影响熔覆层摩擦磨损性能的因素

4.3磨损形貌分析

4.4本章小结

第五章熔覆层的高温氧化性能和热疲劳性能

5.1熔覆层的高温氧化性能

5.1.1氧化动力学曲线

5.1.2抗高温氧化性能分析

5.1.3抗高温氧化机理分析

5.2熔覆层的热疲劳性能

5.2.1热疲劳试验结果分析

5.2.2热疲劳裂纹萌生与扩展机理

5.3本章小结

结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果