激光熔覆硅化物三元合金涂层的组织与性能研究

摘要

激光熔覆技术近年来发展迅速，在航空航天、汽车、机械、化工等领域应用越来越广泛，产生了巨大的经济和社会效益。激光熔覆是一种先进的表面改性技术，能够在基体表面制备与其呈冶金结合的具有耐磨、耐蚀、抗氧化等优异性能的熔覆层。
　　过渡金属W的硅化物（如W5Si3和WSi2）具有熔点高、高温强度高和潜在的低温塑性变形能力。但作为金属间化合物，W的硅化物的室温脆性较高，作为摩擦磨损零部件的工业应用也受到极大的限制。目前有许多提高金属硅化物涂层强韧的方法，利用Ni基涂层较高的塑性、韧性与硅化物高强度相结合的方法成效显著。Nb的硅化物被看作是极具潜力的高温结构金属材料，其固有的高硬度和异常的硬度-温度关系使得它有突出的抗磨粒磨损和粘着磨损的能力。
　　本文利用激光熔覆技术，在304不锈钢与45号钢表面制备了Ni-W-Si复合涂层，在T2紫铜表面制备了Ni-Nb-Si涂层。通过多次试验优化参数，最终获得成形质量较高，缺陷较少的单道熔覆层。再使用最优参数进行多道次的搭接，以制备更大面积的熔覆层。利用金相显微镜、扫描电镜、能量色散谱仪、X射线衍射仪观察并且分析了熔覆层的显微组织、成分分布及相组成。测试了不同涂层进行了显微硬度及摩擦磨损测试，对涂层的耐磨性进行了评估。
　　显微组织及成分分析结果表明，在304不锈钢基体上，不同成分的Ni-W-Si激光熔覆涂层微观组织比较接近，均析出了大量的花瓣状或胞状的W5Si3、CrSi2及（Fe，Ni）复合相，且其含量随粉末中W、Si元素含量的升高而升高，对提高涂层的硬度及抗磨损能力有良好的增强作用。在45号钢基体上，涂层中主要由柱状晶（Fe-Ni固溶体）与晶间硅化物（W5Si3+WSi2）组成。W含量较高的粉末经激光熔覆后会残余大量未熔W颗粒，涂层凝固过程中产生的新相会以W颗粒为形核中心析出并逐渐将W颗粒完全包裹，最终呈现具有夹心结构的花瓣状或胞状组织。在T2紫铜上，不同成分的Ni-Nb-Si激光熔覆层微观组织比较接近，都由枝晶或柱状晶的Ni2Si、NbSi2及Nb5Si3复合相，及枝晶间的（Ni，Cu）固溶体构成。但随着Nb含量的增多，涂层中的枝晶更加细密，柱状晶逐渐减少。
　　显微硬度测试及摩擦磨损测试结果表明，Ni-W-Si激光熔覆涂层有良好的摩擦磨损抗性，其磨损机制主要为磨粒磨损；高强韧的W5Si3及过饱和Ni基固溶体分布于涂层中，大大提
　　高了涂层的显微硬度，最高达HV1040，约为不锈钢基体的4倍，并且使涂层的室温干滑动摩擦磨损抗性得到显著增强。在硬质合金相NbSi2、Nb5Si3，过饱和Ni基固溶体对涂层组织的增强作用下，Ni-Nb-Si涂层的显微硬度及耐磨性相比基体45号钢有了显著提高，随着 Nb含量的增多，涂层的硬度得到明显提高，磨损失重也逐渐减小。涂层的摩擦磨损机制主要为磨粒磨损伴随微量粘着磨损，并且室温下的干滑动摩擦磨损抗性得到显著增强。

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第一章 绪 论

1.1 激光熔覆基础理论

1.2 激光熔覆材料

1.3 激光熔覆镍基硅化物合金的研究现状

1.4 本文研究内容

第二章 试验材料及设备

2.1 试验材料

2.2 试验方法与设备

第三章 Ni-W-Si涂层在304不锈钢表面熔覆的组织与性能

3.1 Ni-W-Si涂层的成分及工艺参数

3.2 Ni-W-Si涂层的宏观形貌

3.3 Ni-W-Si涂层典型组织

3.4 夹心结构组织分析

3.5 显微硬度分析

3.6 摩擦学性能分析

3.7 本章小结

第四章 Ni-W-Si涂层在45号钢表面熔覆的组织与性能

4.1 Ni-W-Si涂层的成分及工艺参数

4.1 Ni-W-Si涂层的宏观形貌

4.2 Ni-W-Si熔覆层相组成与微观组织

4.3 显微硬度分析

4.4 摩擦学性能分析

4.5 本章小结

第五章 Ni-Nb-Si体系组织及性能研究

5.1 Ni-Nb-Si涂层的成分及工艺参数

5.2 Ni-Nb-Si涂层的宏观形貌

5.3 Ni-Nb-Si涂层微观组织及相组成

5.4 显微硬度分析

5.5摩擦学性能分析

5.6 本章小结

第六章 总 结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢