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《送粉激光熔覆陶瓷摻雜復(fù)合涂層技術(shù)及涂層成形機(jī)理研究.doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、送粉激光熔覆陶瓷摻雜復(fù)合涂層技術(shù)及涂層成形機(jī)理研究博士研究生張三川摘要激光熔覆是現(xiàn)代表面技術(shù)體系中的極具發(fā)展前途和頗具特色的新技術(shù)之一，在“21世紀(jì)的再制造工程”和“先進(jìn)制造技術(shù)”中有著廣闊的應(yīng)用前景。首先作者綜合評(píng)述了激光熔覆技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)激光熔覆技術(shù)當(dāng)前急需與未來發(fā)展等方面，提出了如下預(yù)測(cè)型結(jié)論：1）激光熔覆過程數(shù)值模擬以及激光熔覆過程的超常物理場(chǎng)問題的研究，包括三維溫度場(chǎng)模擬的進(jìn)一步發(fā)展、激光熔覆組織的預(yù)測(cè)與控制模型、熔覆層的力學(xué)特性研究等，以進(jìn)一步揭示激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理。2）開展熔覆材
2、料設(shè)計(jì)理論研究工作。研究激光熔覆合金設(shè)計(jì)的相關(guān)理論、建立設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)檢驗(yàn)準(zhǔn)則模型，為激光熔覆提供能適應(yīng)快速凝固與摩擦學(xué)系統(tǒng)需求的熔覆合金材料體系，并促進(jìn)具有良好適應(yīng)性功能的激光熔覆技術(shù)的發(fā)展。3）激光熔覆作為表面工程中的一種新型高技術(shù)，在“21世紀(jì)的再制造工程”發(fā)展中，開展激光熔覆再制造的相關(guān)技術(shù)與理論的研究將成為新的時(shí)代要求，并使該項(xiàng)技術(shù)由表面改性技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成為集表面改性、維修、再制造于一體的具有綠色特征的表面技術(shù)。4）材料零件制造一體化是制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，基于激光熔覆技術(shù)，結(jié)合三維打印成形或分層
3、制造等快速成形技術(shù)和熔覆合金設(shè)計(jì)技術(shù)，研究和發(fā)展激光熔覆材料零件直接熔覆制造一體化技術(shù)。在較詳細(xì)的研究分析激光熔覆現(xiàn)狀后，首次較為系統(tǒng)地對(duì)激光熔覆材料體系的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究。其基本思想是：由于激光熔覆過程的動(dòng)態(tài)冶金特征與熔覆涂層的應(yīng)用屬性分別是自激急冷的快速凝固和涂層的耐磨損性，因而熔覆材料設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)以滿足應(yīng)用需求為最低要求，同時(shí)以熔覆材料的快速凝固為約束條件，從而提出了基于摩擦學(xué)系統(tǒng)的激光熔覆耐磨復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則與方法，給出了熔覆耐磨材料設(shè)計(jì)的程序框圖，在方法學(xué)上解決了激光熔覆耐磨材料體系的選擇性組合
4、設(shè)計(jì)上一直存在的盲目性問題。論文針對(duì)摩擦學(xué)中占重要地位的磨粒磨損類型失效，結(jié)合現(xiàn)有自熔合金的激光熔覆研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了在同步送粉激光熔覆工藝條件下的耐磨熔覆涂層材料組分，并同時(shí)考慮了該項(xiàng)研究的可持續(xù)性。因此，設(shè)計(jì)了WC和ZrO2兩種陶瓷顆粒分別為自熔合金（Ni基自熔合金）的摻雜相，形成陶瓷相以彌散形式均勻分布在自熔合金種，從而使熔覆層的相結(jié)構(gòu)符合抗磨粒磨損的組織需求。試驗(yàn)研究中，對(duì)碳化鎢、氧化鋯陶瓷摻雜鎳基自熔合金的兩種體系材料分別設(shè)計(jì)和實(shí)施了58、36種工藝（含不同組份材料）的熔覆試驗(yàn)，首次系統(tǒng)地研究了送粉激
5、光熔覆的工藝條件下的含陶瓷相熔覆材料與強(qiáng)激光的相互作用機(jī)制，取得了條件優(yōu)化熔覆工藝規(guī)范。從熔覆層的相分布結(jié)果可以認(rèn)為，送粉激光熔覆層顯微硬度及其分布、熔覆層的組織狀態(tài)的形成，主要取決于熔池的傳質(zhì)性能。對(duì)于以鎳包碳化鎢為摻雜相的熔覆涂層，熔池吸收能量較高時(shí)，能夠使WC（未熔）固相粒子在熔覆層中得到較均勻地分布，從而得到具有WC顆粒增強(qiáng)的機(jī)械性能良好的熔覆層。對(duì)于以氧化鋯為摻雜相的熔覆涂層，熔池吸收能量的高低會(huì)導(dǎo)致兩種結(jié)果：若吸能高，熔池中的氧化鋯相（氧化鋯熔體與鎳基自熔合金熔體是不互溶的）將上浮到熔覆層的表面區(qū)
6、域，形成兩種熔覆材料組元的分層熔覆涂層結(jié)構(gòu)，也就是形成涂層表面區(qū)域是以氧化鋯陶瓷為主相，間或分布有鎳基合金相，而涂層中下部區(qū)域則以鎳基合金為主相，并分布有一定量的氧化鋯相；若吸能較低，可獲得氧化鋯相和鎳基合金相相混雜的均勻的二元合金相結(jié)構(gòu)。為考察陶瓷摻雜熔覆層的耐磨性能，對(duì)部分條件優(yōu)化規(guī)范下送粉搭結(jié)激光熔覆涂層進(jìn)行干摩擦環(huán)-塊磨損性能試驗(yàn)與研究。結(jié)果表明：氧化鋯摻雜的熔覆層的磨損形式為剝離型磨損，碳化鎢摻雜的熔覆層的磨損機(jī)理可歸于硬相承載；兩種復(fù)合涂層材料相比較，含碳化鎢的磨損失重量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變化較小，摩
7、擦因數(shù)變化也較小，而含氧化鋯的磨損失重量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變化較大，摩擦因數(shù)變化也較大。由于摻雜陶瓷相的存在阻礙了劃痕在陶瓷增強(qiáng)復(fù)合涂層表面的產(chǎn)生，因而呈現(xiàn)出非連續(xù)的磨痕，實(shí)現(xiàn)了彌散陶瓷相的減磨作用。熔覆涂層的微觀分析采用了諸如掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀等現(xiàn)代分析技術(shù)，較全面地研究了涂層的相結(jié)構(gòu)、組織微區(qū)、過渡界面等，結(jié)果是：WC摻雜鎳基自熔合金（Ni60）的激光熔覆涂層中，碳化鎢摻雜相主要有兩種形式，即以大塊狀碳化鎢（WC）和一些彌散在鎳基自熔合金中的小量WC或W2(C、O)存在。由于熔覆過程中環(huán)境氣氛的影
8、響，在塊狀WC表面的部分區(qū)域覆蓋了一層氧化分解產(chǎn)物W2(C、O)殼體；由于工藝規(guī)范的不同，獲得了兩種類型的ZrO2摻雜熔覆層相結(jié)構(gòu)，一種是在大多數(shù)工藝條件下得到的有Cr包裹的無定形的ZrO2塊狀相，另一種是ZrO2形成細(xì)小顆粒并彌散于鎳基自熔合金中，而熔覆層中出現(xiàn)由Fe和Cr的固溶體結(jié)構(gòu)，這種固溶體在組織形態(tài)上為松針狀；利用鎳基自熔合金作為被摻雜的基礎(chǔ)相，其熔覆層與基體材料界面間可以形成Fe和Ni及
