高錳鋼上等離子熔覆鎳基合金數(shù)值模擬與組織性能分析.pdf

1、耐磨高錳鋼因其特殊的加工硬化性能常用于制造抗沖擊磨損的耐磨件，被廣泛應用于采礦等行業(yè)，其在低應力與未能加工硬化時耐磨性較差，常規(guī)硬顆粒強化的鐵基涂層雖能顯著改善高錳鋼在低應力下的耐磨性，但在高應力和磨粒磨損下有容易開裂失效等不足。本論文提出等離子熔覆鎳基合金的表面強化技術是提高高錳鋼性能和壽命的較佳方法之一。等離子熔覆加工是個極速加熱快速冷卻的過程，在高錳鋼表面熔覆鎳基合金是一個非平衡凝固過程，工藝控制不當則容易引發(fā)過大的應力導致涂層開

2、裂等問題，同時很難用實驗的方法測量到加工過程的溫度場和應力場規(guī)律。本文通過利用ANSYS軟件對高錳鋼表面等離子熔覆鎳基合金的工藝過程的數(shù)值模擬與實驗分析相結合的方法，探究等離子熔覆過程中的溫度場和應力場分布規(guī)律，優(yōu)化出熔覆工藝參數(shù)，探明鎳基合金涂層的組織和相組成形成條件、硬度、摩擦磨損等性能以及裂紋產生的機理，以期為高錳鋼表面等離子熔覆耐磨強韌性較佳的鎳基合金涂層的制備與應用提供試驗和理論基礎。
　　采用ANSYS有限元分析軟件，

3、結合實際加工情況建立了送粉式等離子熔覆鎳基合金的物理模型，分析了不同工藝參數(shù)和基體預熱溫度對等離子熔覆過程溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn):等離子熔覆工藝參數(shù)對溫度場中節(jié)點最高溫度、熔池尺寸、稀釋率均有影響，基體預熱溫度也會對溫度場分布和裂紋形成造成影響，較優(yōu)工藝參數(shù)為:功率P=2.0kw,掃描速度V=150mm/min，弧半徑R=4mm，預熱溫度T=250℃。
　　探討了等離子熔覆溫度場分布規(guī)律、節(jié)點溫度-時間歷程、溫度梯度變化及基體預熱

4、溫度對溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn):節(jié)點急速升溫后快速冷卻，熔覆層兩端節(jié)點最高溫度值高于中間節(jié)點，表現(xiàn)出端部效應。熔覆過程產生極大的溫度梯度，可達105℃/m的數(shù)量級，同時熔池凝固過程冷卻速率變化可達4000℃/s，易形成細小的組織?；w預熱可提高熔覆層節(jié)點最高溫度，隨著預熱溫度提高，節(jié)點溫度梯度和冷卻速率呈下降趨勢。
　　基于溫度場模擬結果進行等離子熔覆應力場分析，研究發(fā)現(xiàn):應力場分布表明熔池底部熔覆層與基體結合處應力值最大，是裂紋的

5、高發(fā)區(qū)。熔覆層中殘余應力以熱應力為主，試樣冷卻后熔覆層殘余應力值為235Mpa，沿等離子弧掃描方向受拉應力，最大拉應力值為225MPa，Y、Z兩個方向的合力為壓應力，同時熔覆加工的塑性應變在沿掃描方向為最大正值，材料產生塑性伸長變形，因此在冷卻過程中易發(fā)生橫向裂紋。
　　探討基體溫度對應力場的影響，對20℃、150℃、250℃三種不同基體溫度得的熔覆層中的裂紋進行微觀組織分析和斷口形貌研究。研究發(fā)現(xiàn):基體預熱不同溫度下應力分布差異

6、明顯，預熱250℃時熔覆層和周圍區(qū)域應力集中現(xiàn)象得到消除。實驗觀察發(fā)現(xiàn)基體溫度為20℃時熔覆層表面出現(xiàn)粗大的宏觀裂紋，預熱到150℃后出現(xiàn)微觀裂紋，當預熱溫度達到250℃時熔覆層沒有裂紋。分析原因是因為隨基體預熱溫度升高，溫度梯度下降104℃/m同時冷卻速率明顯降低，減小了應力集中。
　　通過實驗測得熔池尺寸和熔覆層某節(jié)點殘余應力值，分別與ANSYS模擬分析得到的熔池尺寸和該節(jié)點應力值相比較，從而驗證所建模型的正確性?？疾炝巳鄹矊?/p>