激光熔覆(TiV-VC)p-Fe復合層組織與性能的研究.pdf

1、工程應用中工件的磨損與腐蝕往往同時發(fā)生，當兩者交互作用時，腐蝕會加速磨損，磨損又促進腐蝕，極大地加速了材料的破壞，造成巨大的經濟損失。通過激光熔覆技術在工程部件表面制備一層高耐磨耐腐蝕熔覆層，能顯著改善其表面性能，有效地提高其使用壽命。因而，設計研發(fā)一種性優(yōu)價廉的激光熔覆鐵基合金粉末，使熔覆層同時具有較佳的耐磨與耐蝕性，不僅具有較高的科研價值，而且有利于促進表面工程技術的應用與發(fā)展。
　　本文以鐵基激光熔覆合金粉末為研究基礎，通過

2、研究粉末組分與熔覆層性能之間的關系確定粉末的最終組成。研究合金元素對熔覆層組織及性能的影響規(guī)律，著重研究了熔覆層耐腐蝕性能，分析了熔池的凝固過程，包括碳化物的形核機理及碳化物與熔覆層基體的形核界面等，同時探討了熔覆層中碳化物增強相的細化途徑。
　　通過低碳鋼表面單道重熔及鐵基自熔性合金粉末熔覆成形實驗，優(yōu)化了激光熔覆的工藝參數(shù)。工藝參數(shù)確定為預置粉層厚1mm，激光功率1000W，掃描速度5mm/s，離焦量15mm，搭接率30％，保

3、護氣流量10L/min。Fe-Ti-V-C系熔覆合金粉末初步設計為鈦釩碳原子比為1∶1∶3.2，TiC-VC名義生成含量為20％。當熔覆粉末中石墨含量過高時，熔覆層中出現(xiàn)殘余奧氏體，導致熔覆層的硬度與耐磨性下降，同時熔覆層基體中低碳馬氏體向片狀馬氏體轉變，多層熔覆時會出現(xiàn)回火軟化現(xiàn)象，即熔覆后一層時會對前一層產生回火軟化的作用，且熔覆層硬度越高，回火軟化現(xiàn)象越明顯。
　　熔覆粉末中Cr元素或稀土CeO2的添加均影響熔覆層的組織與性

4、能。粉末中隨Cr含量的增加，熔覆層中殘余奧氏體的數(shù)量先增多后減少再增多，而熔覆層的硬度則先顯著提高而后降低并趨于穩(wěn)定，熔覆層硬度最高可達1090HV0.2。當Cr為12.0wt.％或更高時，熔覆層中出現(xiàn)呈長條狀的Cr3C2。隨CeO2含量的增加，熔覆層中殘余奧氏體的數(shù)量逐漸減少，而片狀珠光體的數(shù)量逐漸增多，且當CeO2含量達2.0％時，熔覆層中出現(xiàn)少量CeC。
　　適量的Cr或CeO2均能明顯提高熔覆層的耐蝕性，當粉末中含12.0

5、wt.％ Cr或0.5wt.％ CeO2時，熔覆層耐蝕性顯著提高，分別為原來的4.50倍與3.57倍。隨Cr、CeO2含量的增加，熔覆層耐蝕性先升高后降低。經優(yōu)化研究，熔覆粉末中合金元素的最優(yōu)添加量為3.0 wt.％Cr與0.25wt.％CeO2，熔覆層耐蝕性顯著提高，提高到7.33倍，電化學阻抗譜分析及腐蝕形貌表明熔覆層中的點蝕現(xiàn)象消失，腐蝕表面呈現(xiàn)光滑平整。X射線光電子能譜及Mott-Schottky曲線分析結果表明，熔覆層表面鈍化

6、膜半導體特征由p型轉變?yōu)閚-p型，鈍化膜中Fe3O4呈p型半導體特征，n-p型半導體中Fe(OH)3呈n型半導體特征，Cr(OH)3呈p型半導體特征。
　　Fe-Ti-V-C-3.0Cr-0.25CeO2合金粉末熔覆層成形良好，熔覆接頭中無氣孔與裂紋缺陷。熔覆層物相為α-Fe，γ-Fe，TiC，VC與TiVC2，碳化物顆粒大小不等，呈多角塊狀或呈長條狀均勻分布于熔覆層基體中。元素面分布及所萃取出的碳化物高分辨晶格像分析結果表明Cr

7、元素均勻固溶于熔覆層基體中，0.5-2μm的多角塊狀碳化物是由納米級的TiC、VC及TiVC2組成的復合碳化物;而長條狀碳化物則主要為單一的VC。熔覆層基體組織為板條馬氏體與少量殘余奧氏體，使其具有較佳的抗裂性。熔覆層硬度達到1030 HV0.2，其高硬度可歸因于板條馬氏體優(yōu)良的強韌性、碳化物的彌散強化作用以及Cr元素的固溶強化作用。
　　研究結果表明Fe-Ti-V-C-3.0Cr-0.25CeO2粉末熔覆層的耐磨性與耐蝕性相對低

8、碳鋼基體顯著提高，分別為低碳鋼基體的16.85倍與9.06倍。
　　熔覆過程中熔池凝固時，TiC與VC碳化物熱力學形核析出溫度條件分別為:TTiC＜2599K，TVC＜1894K。當熔池溫度降至2599-1894K溫度之間時，熔池中只有TiC析出，當熔池溫度降至1894K以下時，VC開始析出，則其可存在兩種形核方式，一種為依附TiC非自發(fā)形核，另一種為在熔池中自發(fā)形核。通過計算可知，在碳化物與初生奧氏體的低指數(shù)晶面中，(110)T

9、iC//(111)γ-Fe的錯配度為9.66％，(110)VC//(111)γ-Fe的錯配度為8.40％，兩者的錯配度介于6％-12％之間，說明TiC與VC能有效地作為γ-Fe的異質形核核心，而且相比TiC，VC更能有效地作為γ-Fe形核核心。
　　通過脈沖模式激光熔覆可顯著細化熔覆層晶粒尺寸及碳化物顆粒尺寸，碳化物尺寸分布更為集中，且隨脈沖頻率的增加，細化作用逐漸增強。當脈沖頻率為4500HZ，占空比為90％時，熔覆層平均晶粒尺