激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆金屬硅化物基復(fù)合層的技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、激光熔覆金屬硅化物基復(fù)合層耐磨性能優(yōu)異，但是，沉積速率低和復(fù)合層易開裂阻礙了該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆是一種新興的涂層制備工藝，具有加工效率高和涂層殘余應(yīng)力低的優(yōu)點。本論文首次提出采用光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)制備金屬硅化物Cr13Ni5Si2基復(fù)合層，對復(fù)合熔覆加工效率、復(fù)合層成分-組織-性能隨工藝參數(shù)的演化規(guī)律、殘余應(yīng)力與開裂行為和復(fù)合層的磨損性能進行了系統(tǒng)研究。主要結(jié)果如下：
　　搭建了光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆平臺，

2、采用紅外測控溫系統(tǒng)，對復(fù)合熔覆過程中基體的感應(yīng)加熱溫度進行控制，保證了大面積大厚度復(fù)合層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的均勻性，為有效實現(xiàn)激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　激光-感應(yīng)復(fù)合工藝試驗結(jié)果表明，光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆Cr13Ni5Si2基復(fù)合層成形良好，其極限沉積速率可達單純光纖激光熔覆的3.1倍，傳統(tǒng)CO2激光熔覆的3.8倍。主要原因在于，感應(yīng)加熱有效地提高了基體對激光能量的吸收率，并降低了熱傳導(dǎo)損失，使得激光能量能夠更

3、多地應(yīng)用于熔化合金粉末。當(dāng)激光功率為4.5 KW時，光纖激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆的極限沉積速率可達74.6 g/min，激光能量利用率可達60％。有效地提高生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
　　系統(tǒng)研究了不同工藝條件下激光-感應(yīng)復(fù)合層的成分、組織和性能演變規(guī)律，基于材料熱力學(xué)分析了復(fù)合層組織結(jié)構(gòu)的演變機理。激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆多道多層復(fù)合層時，復(fù)合層/基體界面、復(fù)合層不同道次搭接界面和復(fù)合層不同層間界面均結(jié)合良好，無冶金缺陷。對于大厚度復(fù)合層而

4、言，基體的稀釋作用主要集中在復(fù)合層的底部，復(fù)合層中上部的稀釋作用基本可以忽略不計。這種梯度成分結(jié)構(gòu)有利于改善復(fù)合層與基材的結(jié)合力，并在重載荷下得到應(yīng)用。
　　激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆Cr13Ni5Si2基復(fù)合材料有其特殊性，即其硬度的高低主要取決于初生相Cr13Ni5Si2的體積比，后者取決于復(fù)合層結(jié)晶的熱力學(xué)條件。隨著激光功率、感應(yīng)預(yù)熱溫度、掃描速率和送粉量的升高，復(fù)合層中Cr13Ni5Si2的體積比均先增加后減少。其中Cr13Ni5

5、Si2體積比最高的為80.6％，而最低只有44％，差異顯著。主要原因在于，工藝參數(shù)的變化影響激光熔池的結(jié)晶過冷度，并改變合金元素在金屬硅化物相和Ni-Cr合金固溶體相中的分配，從而導(dǎo)致復(fù)合層中Cr13Ni5Si2相的體積比發(fā)生變化。因此，通過合理控制工藝參數(shù)，可以獲得多道多層大面積硬度均勻的Cr13Ni5Si2基熔覆層。
　　采用X射線衍射法測試了復(fù)合層的殘余應(yīng)力，并采用滲透探傷法檢測復(fù)合層的開裂行為；基于彈塑性理論，建立了復(fù)合層

6、殘余應(yīng)力演變模型。研究結(jié)果表明，由于激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)有效地降低了復(fù)合層的殘余應(yīng)力，因此成功解決了大面積、大厚度、高硬度金屬硅化物基復(fù)合層易開裂的難題。彈塑性力學(xué)分析表明，復(fù)合層與基體的熱膨脹系數(shù)和溫度差異是導(dǎo)致殘余應(yīng)力的主要原因。而復(fù)合層在低溫區(qū)間停留時間t8-5是影響殘余應(yīng)力釋放的主要因素。溫度差異越小，t8-5越大，殘余應(yīng)力越低。通過合理調(diào)整激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆工藝參數(shù)，可以使得基體與復(fù)合層的溫差降低，t8-5提高，有利于降低殘

7、余應(yīng)力，避免復(fù)合層開裂。
　　采用激光-感應(yīng)復(fù)合熔覆技術(shù)制備的金屬硅化物基復(fù)合層具有優(yōu)異的耐磨性能，其室溫滑動磨損性能是軸承鋼GCr15的5.76～103.75倍，高溫滑動磨損性能是不銹鋼1Cr18Ni9Ti的22.9～26.7倍。復(fù)合層的磨損取決于其組織結(jié)構(gòu)，其中，金屬硅化物內(nèi)部疲勞裂紋擴展導(dǎo)致的剝落和Ni-Cr合金固溶體與對磨盤之間的粘附、焊合和撕裂是復(fù)合層磨損的主要機制。復(fù)合層硬度H越高，其抵抗粘附磨損的能力越強；復(fù)合層的彈