激光熔覆高速线材轧辊熔覆层开裂问题的研究

论文摘要

钴基硬面合金具有良好的高温强度和耐磨性,广泛在等离子喷涂、火焰喷涂中应用。激光熔覆技术是一种具有良好应用前景的表面处理技术。与传统的表面技术(等离子喷涂、堆焊等)相比,它具有热输入少、工件的变形小、稀释率低,熔覆层与基体材料的界面结合为冶金结合,同时熔覆层的凝固速度快,得到的熔层晶粒细小;熔覆层的耐磨损、耐腐蚀性能优于传统技术加工的涂层性能。采用激光熔覆技术制造高速线材轧辊,代替传统的粉末烧结辊环,可以节约大量的贵重金属,简化轧辊制造的工艺流程,具有实际的社会效益。熔覆层的裂纹是阻碍激光熔覆技术制造高速线材轧辊的关键问题。本文分别采用CO2激光和YAG激光对熔覆高速线材轧辊所用钴基合金开裂进行了研究,主要研究成果如下:激光熔覆工艺参数对钴基合金熔覆层的裂纹敏感性有着重要影响。当增大激光功率、减少送粉速率时,熔覆层的裂纹率下降;提高熔覆速度,采用CO2激光进行熔覆时,熔层的裂纹率提高;而采用YAG激光进行熔覆时,熔层的裂纹率反而下降。两者比较而言,YAG激光熔覆的开裂倾向大。原因在于YAG激光波长短,粉末对YAG激光的吸收系数大,熔层高度与宽度的比值大。采用积分镜宽带熔覆时,激光光斑形状由原始激光的圆形光斑转换成矩形光斑,激光能量密度均匀,导致积分镜宽带熔覆层中热应力分布均匀,熔覆层的开裂敏感性显著降低。研究中,采用熔覆层几何形状参数,用单位长度上熔覆层中裂纹的开裂面积作为评价熔覆层开裂敏感性指标。钴基合金激光熔覆层组织特征是在快速凝固的钴的过饱和固溶体基体相中分布着网络状的共晶组织。X射线衍射表明基体为面心立方结构的γ?Co和α?Co过饱和固溶体,骨架相为CrB、M23C6、M23(CB)6、M2B。裂纹一般萌生在熔覆层与基体材料界面处产生的微孔处、熔覆层中共晶组织间及熔覆层中夹杂物处。熔层组织中共晶组织和熔覆层底部粗大的树枝晶是熔覆层的薄弱区,易于产生裂纹。裂纹在共晶组织中扩展,裂纹扩展方式主要是沿晶扩展,也存在穿晶扩展。熔覆层裂纹属于凝固裂纹。熔层裂纹断口观察显示熔层开裂属于脆性断裂。优化工艺参数,均匀化激光能量密度,减少搭接的次数,均可以显著降低熔层开裂倾

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 激光在材料加工中的应用概况
• 1.2.1 激光技术发展简史
• 1.2.2 激光与物质的相互作用
• 1.2.3 激光在材料加工中的应用
• 1.3 激光熔覆技术发展概况
• 1.3.1 激光熔覆原理与方式
• 1.3.2 激光熔覆材料体系
• 1.3.3 激光熔覆在工业中的应用
• 1.4 高速线材轧辊简介
• 1.4.1 高速线材轧辊的工作环境
• 1.4.2 高速线材轧辊工作表面的破坏机理
• 1.4.3 硬质合金辊环的制造方法
• 1.4.4 激光熔覆制造高速线材轧辊合金粉末的选择
• 1.5 激光熔覆裂纹的国内外研究现状
• 1.6 论文研究内容与结构
• 第2章 激光熔覆工艺参数对钴基合金熔覆层开裂敏感性的研究
• 2.1 实验设备及材料
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 实验材料
• 2.2 实验设计及结果
• 2.2.1 实验设计
• 2.2.2 实验结果
• 2.3 分析讨论
• 2.3.1 工艺参数对稀释率的影响
• 2.3.2 工艺参数对熔覆层性能的影响
• 2.3.3 熔覆层开裂敏感性评价方法的讨论
• 2激光熔覆与YAG激光熔覆熔覆层开裂倾向的对比研究'>2.3.4 CO₂激光熔覆与YAG激光熔覆熔覆层开裂倾向的对比研究
• 2.3.5 单位质量的熔覆层吸收的比能量对熔覆层开裂的影响
• 2.3.6 积分镜宽带熔覆熔层开裂敏感性降低原因分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光熔覆高速线材轧辊熔覆层开裂行为及机理的研究
• 3.1 熔覆层组织、微观裂纹与熔层开裂断口形貌的观察分析
• 3.1.1 熔覆层微观组织
• 3.1.2 熔覆层微观裂纹的观察
• 3.1.3 熔覆层横向开裂裂纹的断口观察
• 3.2 分析讨论
• 3.2.1 合金粉末强化机理对熔层开裂敏感性的影响
• 3.2.2 熔层组织对开裂敏感性的影响
• 3.2.3 熔层形状对开裂的影响
• 3.2.4 熔层开裂机理的探讨
• 3.3 防止熔层开裂的措施
• 3.3.1 工艺参数
• 3.3.2 预热
• 3.3.3 基体形状和热物理性能
• 3.3.4 激光光源形状及能量密度分布
• 3.4 大面积搭接熔覆层开裂性研究
• 3.4.1 搭接工艺性研究
• 3.4.2 搭接熔层开裂性研究
• 3.4.3 激光熔覆技术制造高速线材轧辊
• 3.5 激光熔覆过程中残余应力的形成分析
• 3.5.1 内应力概念及分类
• 3.5.2 激光熔覆中残余应力产生原因
• 3.5.3 激光熔覆残余应力的测量
• 3.5.4 一个估计熔层应力的模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光熔覆温度场与应力场的模拟
• 4.1 有限元计算步骤
• 4.2 温度场理论基础
• 4.2.1 热传导定律
• 4.2.2 对流传热定律
• 4.2.3 辐射传热定律
• 4.2.4 热传导微分方程
• 4.3 应力场理论基础
• 4.3.1 弹塑性问题
• 4.3.2 热力耦合分析
• 4.4 应用 Ansys 软件模拟激光熔覆
• 4.4.1 Ansys 软件简介
• 4.4.2 激光熔覆模型的建立
• 4.5 温度场的分析讨论
• 4.6 应力场的分析讨论
• 4.7 本章小结
• 第5章 全文总结及展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢