激光熔覆原位自生碳化物陶瓷增强铁基表面复合材料的研究

论文摘要

激光熔覆是一种重要的材料表面改性技术，也被称作激光镀覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。获得的熔覆合金材料自身具有较好的耐侵蚀、耐腐蚀、耐磨损性能以及基材所欠缺的使用性能。原位自生工艺是近年来发展的一种制备复合材料的新技术，它是利用熔融的液态金属与高反应活性的非金属气相或固相，在高温下发生化学反应生成细小弥散的陶瓷增强相，并与基体金属形成紧密的结合。原位自生得到的增强体在熔体内反应生成，具有尺寸小、界面洁净无污染、热稳定性好以及与基体界面相容性好等许多特点。本文通过激光熔覆与燃烧合成技术的结合，以45号钢为基体，成功制备碳化物陶瓷增强铁基表面复合材料。采用添加稀土元素等措施细化晶粒，借助控制有效碳含量等方法提高增强相的体积分数，经过建立数学模型和多次试验得到了能够获得平整熔覆层的试验参数，利用X射线分析等研究手段，揭示碳化物增强相原位自生机理。通过激光熔覆原位自生的方法分别制备了碳化物陶瓷增强相以及复相碳化物增强相的熔覆涂层，并改进了试验参数。结果表明：涂层主要由碳化钨与碳化铬组成。W与C的存在形式有WC、Fe3W3C与W2C，Cr与C的存在形式以Cr7C3为主。通过SEM分析，碳化物的形貌有网络状、块状、鱼骨状、包状枝晶等。对激光熔覆原位自生碳化物陶瓷增强相和复相碳化物陶瓷增强相的制备工艺参数进行了优化。通过加入稀土氧化物的方法来研究晶粒的细化行为。得到的熔覆层中存在大量网络结构，网络均匀且致密，经过SEM、XRD、EDS和AFM的分析，表明由碳化物陶瓷增强相组成了网络结构，且网络结构为三维结构。加入稀土氧化物后能很好细化、均匀组织，提高熔覆层的显微硬度。对熔覆层力学性能的分析表明：熔覆层显微硬度值较基体有显著提高，从表面到基体呈平稳过渡的梯度分布；涂层强化机制主要有细晶强化、硬质相弥散强化、过饱和固溶强化及位错堆积强化等；生成的复合材料耐磨性明显提高，涂层中的磨损机制主要为显微磨削和微观撕裂。本研究将为铁基表面复合材料的设计、开发及应用提供指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 激光熔覆技术及其应用
• 1.1.3 燃烧合成－新兴的原位自生技术
• 1.1.4 激光熔覆原位自生金属陶瓷技术
• 1.1.5 课题研究意义
• 1.2 研究内容和创新点
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 创新点
• 1.3 激光熔覆金属陶瓷研究现状
• 1.4 激光熔覆原位自生碳化物陶瓷增强铁基复合材料研究现状
• 1.4.1 国内研究现状
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.5 稀土氧化物在激光熔覆中的应用
• 2O₃在激光熔覆中的应用'>1.5.1 La₂O₃在激光熔覆中的应用
• 2在激光熔覆中的应用'>1.5.2 CeO₂在激光熔覆中的应用
• 2O₃在激光熔覆中的应用'>1.5.3 Y₂O₃在激光熔覆中的应用
• 1.6 稀土氧化物在激光熔覆中的作用
• 1.6.1 稀土氧化物的微合金化或合金化及净化晶界作用
• 1.6.2 稀土氧化物对熔覆层显微组织的影响
• 1.6.3 稀土氧化物对熔覆层显微硬度及耐磨性能的影响
• 1.6.4 稀土氧化物对熔覆层耐蚀性能的影响
• 1.6.5 稀土氧化物对激光熔覆层的其他作用
• 1.7 激光熔覆原位自生技术存在的问题及发展趋势
• 1.7.1 激光熔覆原位自生技术存在的问题
• 1.7.2 激光熔覆原位自生技术的发展趋势
• 第二章 实验原理、材料及方案
• 2.1 实验原理
• 2.2 实验材料
• 2.1.1 基材的选择
• 2.1.2 增强相的选择
• 2.1.3 粘结相金属的选择
• 2.1.4 涂层材料
• 2.1.5 粘结剂
• 2.3 实验步骤及研究方法
• 2.3.1 组织结构的观察
• 2.3.2 X 射线衍射分析
• 2.3.3 显微硬度
• 2.3.4 TEM 分析
• 2.3.5 摩擦磨损性能
• 2.3.6 腐蚀试验
• 2.3.7 抗热震性及结合强度实验
• 2.3.8 原子力显微镜
• 第三章 原位自生碳化物增强铁基表面复合材料的影响因素及工艺参数的优化与建模
• 3.1 涂层配比的影响
• 3.2 添加剂稀土氧化物的影响
• 3.3 激光工艺参数的影响
• 3.4 原位自生碳化物激光熔覆工艺参数的优化-神经网络法
• 3.4.1 实验过程
• 3.4.2 实验数据及模型的建立
• 3.4.3 基于遗传算法和神经网络模型的工艺参数优化
• 3.4.4 神经网络建模实验
• 3.4.5 基于神经网络模型的遗传算法优化结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 激光熔覆原位自生碳化钨陶瓷增强铁基表面复合材料的研究
• 4.1 激光熔覆原位自生碳化钨陶瓷增强相的制备
• 4.1.1 试验方案
• 4.1.2 激光熔覆碳化钨涂层的试验现象
• 4.1.3 熔覆层的显微结构与组织
• 4.1.4 熔覆层的成分分析
• 4.1.5 熔覆层的显微硬度值
• 4.2 激光熔覆原位自生碳化钨陶瓷工艺参数的优化
• 4.2.1 试验准备及工艺参数的确定
• 4.2.2 陶瓷涂层的组织特征与分析
• 4.2.3 激光熔覆原位自生碳化钨搭接区域的显微组织与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 激光熔覆原位自生碳化铬陶瓷增强铁基表面复合材料的研究
• 5.1 激光熔覆原位自生碳化铬陶瓷增强相的制备
• 5.1.1 试验方案
• 5.1.2 熔覆层的显微结构与组织
• 5.1.3 熔覆层的成分分析
• 5.2 激光熔覆原位自生碳化铬陶瓷工艺参数的优化
• 5.2.1 试验准备及工艺参数的确定
• 5.2.2 陶瓷涂层的组织特征与分析
• 5.2.3 激光熔覆原位自生碳化铬搭接区域的组织与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 激光熔覆原位自生复相碳化物增强相增强铁基表面复合材料的研究
• 6.1 激光熔覆原位自生复相碳化物陶瓷增强相的显微组织
• 6.1.1 试验方案
• 6.1.2 熔覆层的显微结构与组织
• 6.1.3 熔覆层的物相组成
• 6.2 激光熔覆原位自生碳化物复相陶瓷熔覆层搭接区域的显微组织
• 6.3 工艺参数对激光熔覆原位自生碳化物陶瓷熔覆层的影响
• 6.3.1 厚试片上的激光熔覆原位自生碳化钨陶瓷熔覆层
• 6.3.2 厚试片上的激光熔覆原位自生碳化铬陶瓷熔覆层
• 6.3.3 厚试片上的激光熔覆原位自生碳化物复相陶瓷熔覆层
• 6.4 本章小结
• 第七章 激光熔覆原位自生复相碳化物增强相晶粒细化行为的研究
• 7.1 试验方案
• 7.2 碳化钨增强相的不同熔覆层配比的晶粒细化行为
• 7.2.1 加入 1%氧化钇的熔覆层
• 7.2.2 加入 5%氧化钇的熔覆层
• 7.3 不同工艺参数熔覆层的晶粒细化行为
• 7.4 碳化铬增强相的不同熔覆层配比的晶粒细化行为
• 7.4.1 加入 1%氧化钇的熔覆层
• 7.4.2 加入 5%氧化钇的熔覆层
• 7.4.3 不同工艺参数熔覆层的晶粒细化行为
• 7.5 晶粒细化行为对激光熔覆层硬度的影响
• 7.6 细化行为机理研究
• 7.6.1 高的加热及冷却速度、非均质形核、位错运动
• 7.6.2 稀土氧化物的晶粒细化行为机理
• 7.7 本章小结
• 第八章 性能研究
• 8.1 摩擦磨损性能及作用机理
• 8.2 涂层的耐蚀性
• 8.3 涂层的结合性能
• 8.4 涂层的显微硬度试验分析
• 8.5 本章小结
• 第九章 总结与展望
• 9.1 总结
• 9.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢