激光熔覆(TiV-VC)p-Fe復(fù)合層組織與性能的研究.pdf

1、工程應(yīng)用中工件的磨損與腐蝕往往同時發(fā)生，當(dāng)兩者交互作用時，腐蝕會加速磨損，磨損又促進(jìn)腐蝕，極大地加速了材料的破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過激光熔覆技術(shù)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(shè)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(jìn)表面工程技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
　　本文以鐵基激光熔覆合金粉末為研究基礎(chǔ)，通過

2、研究粉末組分與熔覆層性能之間的關(guān)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(jī)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(qiáng)相的細(xì)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(yù)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(hù)氣流量10L/min。Fe-Ti-V-C系熔覆合金粉末初步設(shè)計為鈦釩碳原子比為1∶1∶3.2，TiC-VC名義生成含量為20％。當(dāng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(chǎn)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(dá)1090HV0.2。當(dāng)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(dāng)CeO2含量達(dá)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(dāng)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(jīng)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(xué)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(jié)果表明，熔覆層表面鈍化

6、膜半導(dǎo)體特征由p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚-p型，鈍化膜中Fe3O4呈p型半導(dǎo)體特征，n-p型半導(dǎo)體中Fe(OH)3呈n型半導(dǎo)體特征，Cr(OH)3呈p型半導(dǎo)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(jié)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(fù)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(dá)到1030 HV0.2，其高硬度可歸因于板條馬氏體優(yōu)良的強(qiáng)韌性、碳化物的彌散強(qiáng)化作用以及Cr元素的固溶強(qiáng)化作用。
　　研究結(jié)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(xué)形核析出溫度條件分別為:TTiC＜2599K，TVC＜1894K。當(dāng)熔池溫度降至2599-1894K溫度之間時，熔池中只有TiC析出，當(dāng)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(zhì)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(xì)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(xì)化作用逐漸增強(qiáng)。當(dāng)脈沖頻率為4500HZ，占空比為90％時，熔覆層平均晶粒尺