热作模具钢激光熔覆Co/Ni基合金涂层工艺及性能

摘要

H13钢具有淬硬性高，高温强度、韧性好，常用于铝合金、锌合金、镁合金和铜合金压铸模具制造。压铸模具服役期间，长期承受热负荷、机械负荷和化学负荷，表面容易出现热裂纹、磨损、变形和腐蚀等缺陷，严重影响H13钢压铸模具寿命。激光熔覆技术能根据材料表面性能需求，制备具有良好机械性能（硬度、耐磨性能、抗热疲劳性能）和耐腐蚀性能的涂层。本文通过激光熔覆技术，在H13钢表面制备Co基和Ni基合金涂层，提高基体耐热疲劳性能和耐磨性能。实验内容主要包括，激光熔覆工艺参数优化、微观形貌观察、物相分析和成分分布测试；性能测试方面，对涂层显微硬度、热疲劳性能和耐磨性能进行了研究，并得出以下结论：　　(1)利用JJM-1GXY-800B Nd:YAG激光器在H13钢表面制备Co基合金涂层的优化工艺为：扫描速度120mm/min，电流200A，脉宽6ms，频率6Hz，离焦量+10mm，气体流量5L/min，搭接率45％。　　(2)优化工艺后，H13钢表面制备的Co基和Ni基合金涂层，无明显孔洞、裂纹且与基体呈冶金结合。两种合金涂层组织形貌相似，涂层主要由细小枝晶和共晶组成。涂层从底部到表层依次为平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶；涂层底部和中部晶粒具有方向性，表层晶粒不具有方向性。　　(3) Co基合金涂层物相由γ-Co固溶体和M23C6化合物组成；Ni基合金涂层物相由γ-Ni固溶体和M23C6、M7C3、Ni3Fe、Ni3B等化合物组成。固溶体的存在和化合物的弥散分布，对涂层起到固溶强化和弥散强化作用。　　(4) Co基和Ni基合金涂层的横截面显微硬度从表面到基体逐渐降低。在细晶强化、固溶强化和弥散强化共同作用下，Co基合金涂层硬度最高可达706HV0.2，Ni基合金涂层硬度最高可达721HV0.2。接近冶金结合区，涂层受到基体中Fe元素扩散而硬度降低。　　(5)热疲劳测试结果表明，热循环试验后样品表面均有氧化物产生。热循环500次后，H13钢表面观察到大量热裂纹；热循环1000次后，Ni基合金涂层表面观察到少量热裂纹；而Co基合金涂层表面未观察到热裂纹。三种试样的硬度，随着热循环次数增加而降低。热循环1000次后，试样表面硬度变化为，Co基合金涂层降低24.4%，Ni基合金涂层降低26.7%，H13钢降低37.7%。综上，抗热疲劳性能Co基合金涂层>Ni基合金涂层>H13钢。　　(6)耐磨性能测试结果表明，常温下耐磨性能为Ni基合金涂层>Co基合金涂层>H13钢。在500℃下，耐磨性能为Co基合金涂层>Ni基合金涂层>H13钢。热循环1000次后，合金涂层耐磨性能远优于H13钢，而Co基合金涂层略优于Ni基合金涂层。　　综合对比Co基合金涂层、Ni基合金涂层和H13钢的热疲劳性能、耐磨性能及热疲劳后耐磨性能可知：Co基涂层抗热疲劳性能、高温耐磨性能及热疲劳后耐磨性能最好；Ni基涂层室温条件下耐磨性能最好。考虑到热作模具的实际工况，Co基合金涂层更能有效提高H13钢表面性能。

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1 绪论

1.1 热作模具钢概述

1.2 激光熔覆概述

1.3 热作模具钢激光表面改性技术研究现状

1.4 课题内容及意义

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 激光熔覆试验

2.3 涂层形貌与结构表征

2.4 性能测试

3 激光熔覆工艺及涂层组织结构分析

3.1 Co基合金激光熔覆工艺研究

3.2 Co基合金涂层组织结构与成分分析

3.3 Ni基合金涂层组织结构与成分分析

3.4 本章小结

4 激光熔覆层性能分析

4.1 涂层显微硬度

4.2 涂层热疲劳性能

4.3 涂层耐磨性能

4.4 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果