激光熔覆复合涂层的耐磨性分析.docx

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1、激光熔覆复合涂层的耐磨性分析摘要：采用预置粉末法，在钢外表进行激光熔覆镍基陶瓷涂层的实验研究。使用往复式磨损试验机对不同涂层材料的熔覆层进行干摩擦磨损实验，利用金相显微镜，扫描电镜观察和分析熔覆层的显微组织与磨损形貌。结果表明：在重载干滑动摩擦条件下，基复合涂层耐磨性得到显著提高；当复合粉末含量为质量分数时，熔覆层耐磨性最佳；熔覆层的磨损机制以磨粒磨损为主，同时伴有黏着磨损特征，且随着含量的增加，黏着磨损的特征愈加明显。关键词：激光熔覆；基复合涂层；耐磨性；强化机理激光熔覆是一种新兴的材料外表改性技术，涉及材料、光电、物理、化学和冶金等多学科领域，是诸多学科聚集综合应用的典型代表。在较低成本的

2、金属材料基体上制备组织细化、稀释率低、变形量小且与基体冶金结合的外表激光熔覆层，能够显著改善金属基材的外表综合性能，提高使用寿命，节约稀有贵金属材料，有效提高资源的利用率，。激光熔覆金属陶瓷涂层的本质是将金属材料良好的强韧性和工艺性与陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机地结合起来，极大地提高金属外表的强化效果。在廉价金属基体外表制备以为加强相的复合涂层，降低成本的同时能显著提高外表硬度且具备优异的耐磨性能。研究表明，在激光熔覆经过中会完全分解，而分解出来的，与，等生成的新的硬质相或者共晶产物可起到加强作用，因而也能到达加强熔覆层力学性能的效果。目前对溶解机制和熔覆层加强机理尚缺乏系

3、统的研究，为此，本工作选择陶瓷颗粒作为复合涂层的硬质加强相，通过激光熔覆技术在钢基体上制备加强基复合涂层，并进行了物相分析和耐磨性测试，系统研究了最优工艺参数下不同含量与不同黏结相对复合涂层耐磨性的影响。实验材料与方法实验材料熔覆材料为镍基自熔性合金粉末和的复合粉末，其中的质量分数为，另外设置和纯作为比照实验。粉末粒度为目，纯度，粉末粒度为目，其化学成分见表。基体材料为钢，将基体钢板线切割成的试样，用干磨砂纸打磨待熔覆外表，使之平整，并用无水乙醇和丙酮溶液清洗试样以去除外表的油污、铁锈等杂质。实验方法熔覆前将粉末充分研磨均匀，使用有机黏结剂水溶液，质量分数，下同调匀后涂覆在试样外表，预置涂层厚

4、度左右，待自然枯燥后采用型大功率光纤激光加工系统进行熔覆实验，通氩气保护，采用正交实验优化工艺参数。为综合考虑激光功率和扫描速率对涂层构成的影响，引入参数激光功率密度，为光斑直径。多道搭接采用正交实验优化后的工艺参数：激光功率为，扫描速率为，光斑直径，保护气体流速。使用往复式磨损试验机对熔覆试样进行磨损实验，试验机工作原理如图所示。由于熔覆层外表不完全平整，磨损实验需要磨头与磨损面完全接触，因而实验前须用磨床磨平磨损面。磨头压力，试样预磨万转后开场正式磨损，每磨损万转，用精度为的电子天平对试样进行次称重，共磨损万转。实验结果与分析微观组织采用节所述优化的工艺参数制备无裂纹、无气孔、外表平整、与

5、基体之间具有良好冶金结合的成形较好的熔覆层图插图所示。陶瓷加强基复合涂层的组织形态主要受熔池中结晶界面处温度梯度和凝固速率的共同影响与控制。紧靠基体生长的结合区呈亮白色的平面晶组织，平面晶由熔覆材料与基体材料之间的原子扩散而构成；远离结合区的熔覆层底部，具有典型的快速定向凝固枝晶组织的特征，主要为逆热流方向生长的柱状晶。对的涂层进行成分分析以及物相检测，结果分别如表和图所示。由成分分析和物相分析可推断，枝晶构造为固溶有元素和少量，元素的，固溶体，枝晶间的共晶组织主要由，固溶体、碳化物以及偏聚的，等化合物组成，元素也知足由原子扩散引起的元素分布规律。耐磨性实验结果搭接试样外表形貌如图所示，对于复

6、合粉末，当不添加时，搭接试样外表凹凸不平现象较严重，这是由于合金具有良好的自熔性，熔覆后流动性较好；但多道搭接制备大面积涂层时，搭接区中的前道涂层再次受热，熔化后流动与下道熔融态涂层互相干扰，冷凝后呈波纹状，随着含量的增加，流动性降低，搭接试样外表成型质量逐步好转；此外，纯复合涂层搭接试样的外表形貌要优于搭接试样。使用线切割机从搭接试样上截取出磨损试样，并进行预磨损加工处理，处理后的磨损试样如图所示。图为不同含量的磨损试样磨损失重量与摩擦次数的关系直方图。在进行万转磨损实验后，基材失重量高达，熔覆层的磨损失重量为，仅为基材失重量的，熔覆层的磨损失重量明显低于基体材料，由于基材对磨头磨损较大，对

7、基体材料只进行第次万转磨损；磨损实验进行到万转时，各熔覆层中的磨损失重量最大，为，熔覆层的磨损失重量最小，仅有；从图还能够看出基复合涂层的耐磨性随着含量的增加先增大后减小，当含量为时耐磨性到达最佳，随后含量增加到时复合涂层耐磨性减小。图所示为和纯复合涂层的磨损失重直方图。磨损万转时，纯熔覆层磨损失重量为，是熔覆层磨损失重量的倍，所以熔覆层的耐磨性比纯熔覆层的好。磨损形貌及机理分析基材与熔覆层磨损分析图为基体与熔覆层磨损形貌，能够看出基体和合金熔覆层外表都有明显的摩擦划痕，通过摩擦划痕的深度和宽度能够大致判定试样的磨损程度，基体的磨痕宽度和深度都要比合金熔覆层大得多，能够断定熔覆层耐磨性能较基体

8、更佳，这与磨损失重量的分析结果一致。摩擦磨损经过中，磨头依靠本身质量紧压在磨损试样外表，在电机的带动下作往复直线运动，由于基体材料的硬度较低，磨头外表的硬质颗粒压入基体材料的磨损面。随着磨头的往复运动，压入基材的硬质颗粒，一方面将基体材料向硬质颗粒两侧挤压使基材外表构成隆起，导致基材外表犁沟的产生；另一方面，硬质颗粒能够直接对基体材料进行如刨削一样的切削经过，构成一次微观切削，直接将金属材料从基体外表去除进而构成切屑。犁沟的产生和微观切削经过都会使基体外表构成深浅各异的沟槽。如图所示，由于基材中的碳化物等硬质相含量较少，对磨头上硬质颗粒微观切削的阻碍作用较小，导致涂层磨损较快，沟槽较多较深。同

9、时基材的磨损经过中也伴随有组织的转移，但组织转移量较少，对基材外表抵抗磨损的性能影响不大。基体材料的磨损机制主要还是磨粒磨损。图为合金熔覆层的外表磨损形貌，由于熔覆层的外表硬度高于基体材料，磨损经过中磨头外表硬质颗粒压入熔覆层的深度较基材要浅，在基体外表产生的犁沟深度也较基材的浅；熔覆层外表被硬质颗粒挤压向两侧构成的隆起部分会产生一定程度的加工硬化，这也是合金熔覆层耐磨性加强的原因之一。合金熔覆层的显微组织主要是以塑性和韧性较好的，枝晶为主，且合金中的，等元素对熔覆层产生固溶强化作用，使熔覆层在微观切削经过中被切除的金属量较少；同时，熔覆层中会析出多种碳化物和硼化物等硬质相，这些硬质相的硬度较

10、，枝晶组织高，当熔覆层外表发生磨损时，硬度较低的，枝晶组织先被磨损掉，当外表磨损到一定程度后，熔覆层中析出的碳化物和硼化物等硬质相颗粒开场在外表凸露出来，此时，这些硬质相成为磨损载荷的主要承载相，能够有效阻碍磨损的进行，在随后的磨损经过中，一部分硬质相被磨头不断挤压摩擦去除，另一部分则由于周围的，枝晶被挤压磨去后失去支撑而发生脱落。在磨损经过中，磨头和熔覆层外表在压力与分子结合力的作用下，容易使两外表产生焊合现象，磨头继续运动使焊合点发生撕裂，导致熔覆层外表材料转移构成黏着磨损，因而，合金熔覆层的磨损形式以磨粒磨损为主，同时伴有少量黏着磨损。不同含量熔覆层磨损分析合金熔覆层中添加不同含量的后，

11、熔覆层的物相组成、组织形态以及硬质相分布情况会发生不同程度的变化，熔覆层的外表磨损形貌也在相应地变化。图为不同含量的熔覆层磨损外表形貌。由图可见随着含量的增加，熔覆层外表的磨损形貌发生了比拟明显的变化。当添加时，此时的含量相对较低，熔覆层组织形态的变化较小，其外表磨损形式基本与合金熔覆层类似，微观切削作用比拟显著，熔覆层外表磨痕较多，有一些深浅不一的沟槽，主要是由于磨粒磨损作用进行微观切削并产生犁沟，因而，复合涂层中的含量较低时，熔覆层的磨损特征还是以磨粒磨损为主。当熔覆层中含量增加至时，陶瓷相在熔覆层中溶解产生的固溶强化作用以及第二相强化作用到达最大，熔覆层的显微硬度非常高，组织分布相对较均

12、匀，同时熔覆层中析出大量的硬质相，这些硬质相的存在能够有效地阻碍磨头上硬质颗粒对熔覆层的微观切削作用。但是随着与磨头摩擦次数的增加，熔覆层硬质相周围塑性较好的枝晶组织被磨损掉，逐步使硬质相与熔覆层的结合强度降低，最终导致硬质相失去支撑而从熔覆层上脱落，并在熔覆层上构成一些小凹坑，如图所示；在磨损经过中，熔覆层外表容易产生氧化膜，发生氧化磨损，但是氧化膜在摩擦磨损经过中容易被毁坏，新鲜的金属裸露出来，由于分子力的作用，两摩擦面发生焊合，随着磨头的继续运动，熔覆层外表焊合的部分发生撕裂现象，产生磨屑，随着黏着磨损产生的磨屑越来越多，一部分停留在熔覆层外表介入到磨损经过中，加剧熔覆层的磨损，使熔覆层

13、外表愈加粗糙。如图所示，当熔覆层中添加量为时，此时含量过高，合金对陶瓷的包覆效果明显降低，熔覆层中硬质相所占比例过高，导致硬质相周围的韧性支撑相减少，在磨损经过中，硬质相容易从熔覆层外表脱落，加速熔覆层的磨损；同时，脱落硬质相介入磨粒磨损的数量增加，也加剧了熔覆层的磨损程度。不同黏结相熔覆层磨损分析图为不同黏结相金属中添加熔覆层的外表磨损形貌。由图可知，纯黏结相金属的熔覆层磨痕数量明显多于黏结相金属熔覆层，这是由于纯黏结相金属熔覆层中硬质相种类和数量都相对较少，其抗磨粒磨损的能力较弱，磨损情况较严重。结论基复合涂层强化机制为固溶强化、硬质颗粒相弥散强化以及细晶强化，其中固溶强化和硬质颗粒相强化

14、占主导作用。基复合涂层的耐磨性随含量的增加先增大，到达极值后，随含量增加而减小，在含量为时，熔覆层耐磨性最佳；合金作为黏结相的熔覆层耐磨性是纯作为黏结相的倍。熔覆层的磨损机制以磨粒磨损为主，同时伴有黏着磨损特征，且随着含量的增加，黏着磨损的特征愈加明显。参考文献杨宁，杨帆激光熔覆工艺及熔覆材料进展铜业工程，：，：王赛玉，熊惟皓激光技术在材料科学中的应用金属热处理，：，：刘敬，高晓丽，徐杨，等激光熔覆仿生非光滑外表磨粒磨损性能的研究材料工程，：，：高俊国，陆峰，汤智慧，等氧燃充枪比对爆炸喷涂涂层组织和性能的影响航空材料学报，：，：，：，：，：杜宝帅，邹增大，王新洪，等激光熔覆加强铁基耐磨涂层组织构造的研究热加工工艺，：，：，：张现虎，晁名举，梁二军，等激光熔覆原位生成颗粒加强镍基复合涂层中国激光，：，：，：戎磊，黄坚，李铸国，等激光熔覆颗粒加强基合金涂层的组织与性能中国外表工程，：，：袁有录，李铸国加强梯度涂层中的溶解与碳化物的析出特征材料工程，：，：张大伟，张新平激光熔覆涂层的微观组织及磨损性能农业机械学报，：，：，：王东生，田宗君，沈理达，等合金外表激光重熔复合陶瓷涂层组织构造航空材料学报，：，：张维平，郎志华，马海波激光熔覆复合涂层的组织与性能研究外表技术，：，：，：.