（机械设计及理论专业论文）4s＃钢表面激光熔覆耐磨涂层的组织及性能研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 要 为提高模具寿命而进行的表面处理基本上可分为两大类：一是增加表面硬 度；二是采用润滑手段，使表面形成一层减摩性的化合物层。在新开发研究的表 面改性技术中，激光熔覆是其中较为先进有效也是近几年比较热门的研究方向之 一。利用激光熔覆，在模具表面熔覆耐磨金属陶瓷涂层，以获得较为满意的模具 综合性能，提高模具的使用寿命，也就成了现代模具行业的热门研究领域。 本论文采用7 k w 横流c 0 2 激光器，以w c n i 、纳米t i c 为原料，在4 5 撑模 具钢基体上制得w c - n i t i c 复合涂层，用扫描电镜( s e m ) 对涂层的显微组织以及 磨损形貌进行观察。利用销盘式摩擦磨损实验机对涂层的摩擦磨损性能进行测 试，并分析了复合涂层的磨损机理。结果表明，涂层中有纳米相存在，但也有部 分团聚，经纳米t i c 弥散强化，固溶强化以及激光快速加热快速冷使晶粒细化， w c - n i t i c 复合涂层的平均硬度达到l5 0 0 h v o 1 0 以w c - n i 、纳米t i c 和m o s 2 n i 为原料，在4 5 撑模具钢基体上制得 w c n i t i c m o s 2 - n i 复合涂层，并进行了相同的测试和分析。结果表明，在强激光 作用下，m o s 2 部分分解，以复杂化合物存在。由于m o s 2 使涂层硬度降低，m o s 2 含量为9 时，平均硬度约9 4 6 8 h v o i 。涂层有自润滑性能，平均摩擦系数约o 2 6 。 涂层的摩擦磨损性能是摩擦副系统的综合特性，具有极强的的系统依赖性 和复杂的时空特性。基体以及两种涂层在相同实验条件下，摩擦副为：4 0 c r 涂 层时，w c - n i t i c 涂层的耐磨性为基体的7 6 3 倍。w c n i t i c m o s 2 n i 涂层的耐 磨性为基体的4 0 倍。摩擦副为：高速钢涂层时，w c - n i t i c 涂层的耐磨性为基 体的2 2 5 倍。w c - n i t i c m o s 2 - n i 涂层的耐磨性为基体的1 8 2 倍。同种涂层不 同对磨材料磨损量不同主要是由于：一方面4 0 c r 硬度比高速钢低，对涂层磨损 轻微；其次，w c n i t i c m o s 2 0 n i 涂层有自润滑效果。不同涂层同种对磨材料磨 损量不同主要是由于在实验条件下，磨削会残留在摩擦副之间，起到磨粒作用， 因此磨损机制都主要是磨粒磨损。由于添加m o s 2 的涂层硬度降低，抗磨粒磨损 性能降低，虽然有一定润滑效果，但涂层磨损量仍然有一定程度的增加。 关键词：激光熔覆；4 5 群钢；组织性能；摩擦磨损；自润滑 浙江理工大学硕士学位论文 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e ss t u d yo fl a s e r c l a d d i n g w e a r a b l ec o a t i n g so n4 5 撑s t e e l a b s t r a c t t h e r er r et w ow a y so fs u r f a c et r e a t m e n t s t oi m p r o v et h ep r o p e r t i e s o ft h e m o u l d o n ei si m p r o v i n gt h eh a r d n e s so ft h em o u l ds u r f a c e ，t h eo t h e ri su s i n gl u b r i c a t e m e a n st of o r mal u b r i c a n tc o a t i n go nt h em o u l ds u r f a c e a m o n gt h en e wd e v e l o p e d m e t h o d si nt h ep a s tf e wy e a r s ，l a s e rc l a d d i n gi sc o m p a r a t i v e l ym o r ei d e a l ，a n dm o r e p o p u l a r m a k i n gu s eo fl a s e rt om e l t - c e r a m i c s ，a n dg e t t i n gt h ec o a t i n go nt h es u r f a c e o fm o u l dc a ng a i nt h ec o m p a r a t i v e l ys a t i s f y i n gs y n t h e t i c a lp r o p e r t i e s ，a n di n c r e a s et h e s e r v i c el i f eo ft h em o u l d ，t h u s ，i ti sah o tf i e l dt os t u d y i nt h i sp a p e r , a7 k wc o n t i n u o u sw a v ec 0 2l a s e rw a su s e dt oc l a dw c n i t i c c o m p o s i t ec o a t i n g so nt h es u r f a c eo fa4 5 群m o l ds t e e ls u b s t r a t e t h ew c n ic o m p o s i t e p o w d e ra n dn a n o t i cp o w d e rw a sa p p l i e d t h em i c r o s t r u c t u r ea n dw o r ns u r f a c eo f t h ec o a t i n g sa r eo b s e r v e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i r r o r t h ef r i c t i o na n dw e a r p e r f o r m a n c eo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g sa r et e s t e du s i n gap i n o n - d i s kt e s tr i g f r o m t h et e s t , t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n g si sa n a l y z e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h e r ee x i s t sn a n o p h a s ei nt h ec o a t i n g sa l t h o u g hs o m er e u n i t e d t h ew e a r r e s i s t a n c ei si m p r o v e db yd i s p e r s a ls t r e n g t ho fn a n o t i ca n df i n e rc r y s t a lw h i c h r e s u l t sf r o mt h er a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n go fl a s e r t h ea v e r a g eh a r d n e s s o ft h e w c - n i f r i cc o m p o s i t ec o a t i n g si s15 0 0h v 0 i a n dw c n i t i c m o s 2 n ic o m p o s i t ec o a t i n g sa l s ob ec l a d d e do nt h es u r f a c e o fa4 5 捍m o l ds t e e ls u b s t r a t e t h ew c - n ic o m p o s i t ep o w d e r 、l l a n o t i cp o w d e ra n d m o s 2 - n iw a sa p p l i e d t h es a m et e s ta n da n a l y s i sw e r ed i d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t p a r to fm o s 2d e c o m p o s e du n d e rt h ep r o c e s so ft h es t r o n gl a s e r t h e h a r d n e s s r e d u c e d i t sa v e r a g eh a r d n e s so ft h ew c - n i t i c m o s 2 一n ic o m p o s i t ec o a t i n g si s9 4 6 8 h v 0 1w h e nt h ec o n t e n to fm o s 2i s9 i te x h i b i t ss e l f - l u b r i c a t i n gp r o p e r t ya n dt h e f r i c t i o nc o e m c i e n ti s0 2 6 t h ef r i c t i o na n dw e a r p r o p e r t i e s o ft h ec o a t i n g sa l et h e s y n t h e t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r i c t i o n p a i r s i td e p e n d s o ns y s t e ms t r o n g l ya n dh a v e c o m p l i c a t e ds p a c e - t i m ec h a r a c t e r i s t i c t h ew e a rm a s sl o s so ft h ec o a t i n g 4 0 c rf r i c t i o n n 浙江理工大学硕士学位论文 p a i r i sm o r et h a nt h a to fc o a t i n g h i g hs p e e ds t e e lf r i c t i o np a i ra tt h es a m e c o n d i t i o n a n dw c - n i f r i cc o a t i n gr e g i s t e r sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c ei ns l i d i n ga g m n s t b o t h4 0 c ra n dh i 曲s p e e ds t e e la tt h es a m ec o n d i t i o nt h a nw c - n i t i c m o s 2 - n i c o a t i n g s f o r4 0 c r c o a t i n gf r i c t i o np a i r , t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ew c - n i t i cc o a t i n g i s7 6 3t i m e sa sm u c ha st h a to ft h eb a s ea n dw c n i t i c m o s 2 - n ic o a t i n gi s4 0t i m e s a sm u c ha st h a to ft h es u b s t r a t e f o rh i g hc o a t i n g s p e e ds t e e lf r i c t i o np m r ，t h ew e a r r e s i s t a n c eo ft h ew c - n i t i cc o a t i n gi s2 2 5t i m e sa sm u c ha st h a to ft h eb a s ea n d w c - n i t i c m o s 2 - n ic o a t i n gi s18 2t i m e sa sm u c ha st h a to ft h es u b s t r a t e t h er e a s o n i st h a tt h ec o a t i n g sa r ec h a r a c t e r i z e db ya b r a s i v ew e a r , a n dt h eh a r d n e s so ft h e w c - n i t i c m o s 2 - n ic o a t i n gi sl o w e rt h a nt h a to fw c - n i t i cc o a t i n gw h i c hr e s u l t s i t sa b r a s i v ew e a rr e s i s t a n c er e d u c e da l t h o u g hi te x h i b i t ss e l f - l u b r i c a t i n gp r o p e r t y k e yw o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ；4 5 捍s t e e l ；m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ；f r i c t i o na n d w e a r ；s e l f - l u b r i c a t i n g h i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：芩挚敛 日期：泐孑年事月膨e t 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密i ：l，在 不保密 学位论文作者签名：召酌够终 日期：洲年乡月哆e 1 年解密后使用本版权书。 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 模具损伤的基本形式有五种：塑性变形；磨损；疲劳；冷热疲劳；断裂及开 裂。冷热疲劳主要出现于热作模具，在冷作模具上不出现，其他四种损伤形式在 冷、热作模具上均可能出现。为了推迟模具的磨损破坏，要求模具具有良好的耐 磨性。模具磨损可分为两类：二类在模具与锻造材料滑动摩擦少的地方发生的麻 点状表面。这种磨损的发生有热和机械原因，但主要是接触应力。另一类主要是 模具与锻造材料之间的滑动摩擦。此时，主要是受剪切应力作用，由于同时发生 氧化磨损和粘着磨损，所以在模具型腔表面生成了凹凸的线状沟槽。模具中常见 的磨损形式有：磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损。为提高模具工作寿 命而进行的表面处理基本上可分为两大类：( 1 ) 增加表面硬度；( 2 ) 采用润滑手 段，使表面形成一层减摩性的化合物层【l 】。 1 1 模具表面改性技术的发展状况 实践证明，表面强化处理是提高模具质量和延长模具寿命的重要途径。目前， 在模具工业中已经发展了多种表面处理技术，常用表面处理方法如下【2 j ： ( 1 ) 镀硬铬具有镀层摩擦系数小、硬度高( 1 i o o h v 左右) 、应用简便、可反 复处理的优点。但要注意，如果镀层厚度选择不合理，就会造成模具过早破坏。 在模具承受强压或冲击时镀层容易剥落，造成模具过早破坏。所以冷墩模和冲裁 模不可使用镀硬铬，它只适合于加工应力较小的压弯和成形等模具。 ( 2 ) 镀镍磷合金将经过预处理的工件浸入含有镍盐、还原剂和其他添加剂 的溶液中，便会在工件表面发生自催化还原反应，使溶液中的镍离子还原为金属， 并沉积在工件( 模具) 表面形成镀层。镍磷合金镀层的化学稳定性高，空隙率低， 耐蚀性优于铬镀层。同时，镀层表面光滑，对钢的摩擦系数小，且润滑性良好， 脱模容易。可用于冷作模具和塑料模具的表面防护，可提高其耐磨性、耐蚀性和 抗咬合性能。 ( 3 ) 化学热处理化学热处理包括渗碳、渗氮、渗硼、多元共渗等。按处理 方法可分为气体法、固体法、盐浴法。由于盐浴渗碳和盐浴渗氮需采用含氰的盐 或反应中出现氰化物，这都属于剧毒品，应慎重选用。以渗氮为主的气体氮碳共 浙江理工大学硕士学位论文 渗具有处理温度低、表层性能好的优点，在各种冷冲模、压铸模等模具中应用广 泛。渗硼工艺中采用固体渗硼和盐浴渗硼最多，渗硼可得到效果显著的硬化层， 适用于冷冲模、压铸模和热锻模。多元共渗常见的有硼硫共渗、碳硼共渗、碳氮 硼共渗、硫氮共渗、硫氮碳共渗等。 ( 4 ) 气相沉积气相沉积工艺是通过化学反应或热蒸发等物理过程，产生沉 积材料的气体原子、离子、分子或集合体在基体表面形成固体膜层的方法。根据 成膜过程机理的不同，可分为化学气相沉积( c v d 法) 和物理气相沉积( p v d 法) 。 c v d 的处理的温度较高，基体硬度降低，处理后还需要进行淬火处理，基体内 容易产生较大的应力，引起镀层的变形和开裂，使镀层性能下降，因此c v d 镀 层不适合于高精度的模具【3 l 。物理气相沉积法克服了c v d 法沉积温度高、废气 中含有害气体等缺点，具有沉积温度低、沉积层成分与结构可以控制、工件尺寸 精度和表面精度高等优点，在小型挤压、滚轧成型模具方面得到了广泛的应用。 但是p v d 法存在膜层与基体结合力差及绕镀性差等缺点，不适合型腔复杂的模 具。另外，由于受沉积室体积的限制，仅局限于小型模具的应用【3 】。 ( 5 ) t d 处理( t o y o t ad i f f u s i o nc o a t i n gp r o c e s s ) t d 处理是熔盐浸渗法、电解法 及粉末法进行扩散表面硬化处理技术的总称。这种工艺所用的设备简单、成本低、 操作方便，处理后可直接淬火，且无公害。t d 处理几乎能在需要耐磨性的所有 领域应用，对模具行业来说，t d 处理在冲压模、冷墩模和铸模等方面应用较多。 t d 在国外是很受重视的表面强化技术。但是，由于t d 处理的温度高达9 0 0 一- l1 0 0 ，往往会导致模具变形，不适合复杂型腔的模具，镀层与基体没有过渡， 耐冲击差，只适合精度要求不高的模具。另外，这种处理一般是对模具表面的整 体处理，很难对模具进行局部处理。 ( 6 ) 电火花表面强化处理该法是利用火花放电时释放的能量，将一种导电 材料熔渗到工件表面，构成合金化的表面强化层。其特点是：电火花强化层是电 极与工件材料的合金层。 随着产品规模化的发展，特别是国内外不断出现的高速、高效及高精度塑性 加工工艺的出现，对模具的综合性能要求变得越来越苛刻，模具寿命问题日益突 出；传统的表面处理技术越来越难以满足现实的需要，于是，利用激光对模具表 面进行处理也就走进了人们的视线。激光表面处理技术是利用高能量密度的激光 2 浙江理工大学硕士学位论文 对模具进行表面处理，从而改变模具表层的显微结构或成分，实现模具的表面强 化或修复。目前，我国已开展这方面的研究，这些研究主要集中在激光表面淬火、 激光表面熔凝、激光表面合金化、激光熔覆。经激光表面淬火强化，表面硬化层 硬度高，耐磨性好，但它只适宜于长件、薄件及精细零件的表面；经激光表面熔 凝后，能形成组织细密、性能得到改善的强化层，它较适于铸铁、铸钢类材料【4 】； 激光合金化与激光熔覆的不同在于：前者是在基层的表面熔层内加入合金元素， 从而形成以基材为基的合金层，后者则是覆层材料完全熔化，而基材熔化层极薄， 因而对覆层的成分影响极小。但它们都是利用高能密度的激光束所产生的快速熔 凝过程，在基材表面形成与基材相互熔合的、且具有不同成分与性能的合金覆层。 尤其是激光熔覆技术，能构成一种新的可控成分的复合材料，以弥补基体所不具 备的高性能，充分发挥二者的优势，克服彼此的不足，因此，自从激光熔覆技术 出现以来，就一直是国际上激光先进制造技术研究发展的重要热点方向之一【5 6 】。 1 2 激光熔覆技术 1 2 1 激光熔覆技术的涵义和特点 激光熔覆是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利 用高能密度激光束使之与基材表面薄层一起快速熔凝，在基材表面形成与基材相 互融合的且具有不同成分与性能的合金覆层【j 7 1 。它是利用高能密度的激光使材料 表面成分、组织结构和性能实现预期变化的高新技术；同时也是涉及光、机、电、 计算机、材料、物理、化学等多门学科领域的跨学科的高新技术。它能使廉价、 低性能的的材料实现表层高性能化，实现零件的低成本与表面高性能的最佳组 合，解决材料通用性能与高强综合性能之间的矛盾，对较重要的零部件的设计、 制造将产生极为有利的影响，对零部件的设计和工艺都将产生深远的影响。与传 统技术方法相比这种技术有着如下几方面的独特优势【8 】： ( 1 ) 激光熔覆的粉体和基体表层加热与冷却速度极快，发生非平衡凝固，熔 覆层晶粒细小，结构致密，硬度一般较高，耐磨、耐蚀等性能优异。 ( 2 ) 激光熔覆层与基体冶金结合，结合强度高，基体对涂层的稀释率低。热 影响区小，不破坏基体的力学性能。工件变形小，一般可忽略不计，熔覆成品率 高。 3 浙江理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 可实现选择性精确加工，用极小的成本在零件不同部位实现不同的力学 性能。可在覆层较薄的情况下，获得所要求的成分及性能，节约昂贵的覆层材料， 最大充分发挥基材成本经济上的优势。 ( 4 ) 熔覆材料品种多，包括镍基、钴基、铁基自熔性合金甚至陶瓷、非金属 材料；且对基体材料的要求低，几乎绝大多数的材料上都可应用此项技术。 ( 5 ) 熔覆层与基材间实现的是冶金结合，结合强度高，可实现较大面积和较 深厚度的修复。 ( 6 ) 熔覆层宽度、厚度可控，易于实现自动化，发挥智能优势。 1 2 2 激光熔覆技术的理论基础 激光熔覆的原理就是利用激光的光子和材料表面的声子( 代表点阵能量的 量子) 的相互作用，吸收激光的能量而被加热的。电子和电子、声子与声子的能 量交换，使处理层材料的温度急速提升。激光熔覆时，光束的功率密度约1 0 4 1 0 6 w e r a 2 ，照射时间约l o 之1 s ，当光束移丌时，热量从工件表面向内部传导而 冷却，金属材料本身具有优良的导热性，使加热部位快速冷却，只要工件具有足 够的热容量，即使不附加其他冷却措施，冷却速度也可达1 0 4 1 0 6 s 以上【9 , 1 0 】。 1 2 2 1 激光熔池的温度场及其影响因素1 1 1 - 1 3 l 激光熔池的温度场指的是熔池内的温度分布状况。由于激光熔池内温度场的 分布直接影响着熔池内的对流、传热、和传质，进而影响其凝固过程和成分的均 匀性。因此了解温度场的分布规律及其影响因素，对于熔覆工艺参数的选择和覆 层质量的控制都是十分有利的。由于实测温度场的分布十分困难，目前激光加热 时熔池温度场的分布理论是依据热传导偏微分方程，通过假设具体的边界条件， 经过计算而得出的。其表达式【i l 】为： 上塑- v 2 t = 旦 口0 t名 ( 1 1 ) 式中，a 为热扩散系数，t 温度，t 为时间，0 为功率密度，九导热系数。 影响激光熔池温度场的工艺因素主要是激光束的能量密度、能量分布、扫描 速度及其几何形状。一般来说，在上述诸因素中，辐照光束的功率密度影响效果 4 浙江理工大学硕士学位论文 最为明显，功率密度越大，其深度方向的温度梯度也越大。采用能量成高斯分布 和均匀分布的激光束熔化材料时，温度场一般是对称分布的。熔池内沿深度方向 上的温度和熔化时间的分布都是不均匀的。在上部区域，熔化时间最长，温度也 最高；在熔池底部液、固界面附近，几乎只有瞬时的熔化，温度最低。激光扫描 速度与光斑几何尺寸会影响扫描方向上的温度峰值位置。对于匀强矩形或方形光 斑，沿扫描方向的光斑尺寸越大，则温度峰值越靠近光斑的后沿。温度峰值靠近 光斑后沿会使加热前沿过大，有效加热部分相对变小。 1 2 2 2 激光熔池的对流及其影响因素1 1 0 - 1 3 i 激光熔池内存在着对流现象早已为研究证实，对它令人较为接受的解释是因 为熔池内因温度分布不均所造成的表面张力差驱使熔液由低张力区域流向高张 力区域，从而使液面产生了高度差，由此形成的重力梯度又驱使溶液回流，从而 使熔池产生了对流。在激光熔覆过程中，当激光与金属的交互作用达到稳念时， 可以建立下列方程式。 连续方程： 运动方程： 能量方程： 边界条件： 塑+ 堡+ 塑：o 舐砂 如 u - - u i + v j + w k 鲁+ 似罢+ v 考+ w 笔，= 一! p 塞+ y c 窘+ 雾+ 鲁， + i “+ v + w ) = 一一上+ 州一+ ：- + 一l 所 、苏却玉7缸、苏2却2如 加，加 加 加、1 劾，a 2 ya 2 1 ，a 2 v 、 瓦+ 似瓦面+ w 瓦) 2 一万茜+ v 萨+ 矿+ 萨) 西、缸 西 如7p 却 、苏2却2 色 跏，知 o w o w 、 1a 伊 ，a 2 wa 2 wa 2 w 、 百+ 似瓦石+ w o z ) 一一p 专万+ 矿+ 可) 西、锄 咖 7 瑟、苏2 却2 龙 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 0 - 5 ) ( 1 6 ) 詈m 罢+ v 等+ w 争= k c 窘+ 窘+ 窘， m 7 ， 5 浙江理工大学硕士学位论文 y = o( 1 - 8 ) v = 0 ( 1 - 9 ) 乩a ta 6 一= 。砂0 xo t ( 1 1 0 ) 0 w8 t8 6 “= 一 。砂0 zo t ( 1 1 1 ) 式中，。u 为流速矢量，u 、v 、w 分别为u 矢量在x 、y 、z 方向上的分量，i 、j 、k 分别为笛卡儿坐标系中的x 、y 、z 轴上的单位矢量，p 为熔体的密度，p 为压力， a r a ra 丁 a 万 v 为运动学粘度，“为粘度，k 为热扩散系数，0 x 砂o z 为温度梯度，o t 为 表面张力的温度系数。 从上可知，影响对流的因素主要是激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能 量分稚这些熔覆工艺参数，以及熔覆材料的化学成分、粘度、密度、热物性参数 等物化性质。 1 2 2 3 稀释率i t 4 - t $ 1 稀释率是指在激光熔覆中，由于熔化的基材的混入而引起的熔覆合金成分 的变化程度，用基材合金在熔覆层中所占的百分率表示。其计算公式： p ，( x 尸+ s x ，) 。风( 以一砟+ s ) + p p ( x e + s 一砟) ( 1 1 2 1 式中，t l 为稀释率，p p 、p s 分别为熔覆层合金和基材的密度，x p 、x s 、s 分别为 熔覆合金、基材和熔覆层中x 元素的质量百分数( w t ) 另外，还有一种较为简便的计算方法，即按熔覆道横截面积的测量值计算。 计算公式为： 刁= j 而a t ( 1 - 1 3 ) 式中，t 1 为稀释率，a l 为基体熔区截面积，a 2 为覆层截面积。 在激光熔覆中，要想获得冶金结合熔覆层，必须使基材表面熔化。因此，基 材对熔覆合金的稀释是不可避免的。从主观上说，在保证熔覆材料和基体材料达 6 浙江理工大学硕士学位论文 到冶金结合的前提下，希望基体材料熔化量越少越好，尽量减少基材稀释的有害 影响，将稀释率控制在最优的程度，以保证熔覆层合金原有的优良性能。实验表 明，对于不同的基材与覆层合金化化合所能得到的最低稀释率并不相同，如铁基 熔覆s t e l l i t e 6 合金的最低稀释率为1 0 ，而镍基合金熔覆的c r 3 c 2 时则为3 0 。 一般认为，保持在1 0 以下较好。 1 2 2 4 材料的线膨胀系数与润湿性 在选择覆层材料时，不能单一的追求覆层材料的使用性能，还要考虑覆层材 料是否在热膨胀系数等性质上与基材具有良好的匹配关系，因为这是覆层产生开 裂的重要原因之一。传统的观点【17 】认为，为防止覆层的开裂和剥落，涂层的和基 材的热膨胀系数应尽可能的一致，考虑到基材的和覆层材料的加热和冷却的步调 并不同步的特点，熔覆层的热膨胀系数在一定范围内越小，对覆层的丌裂也就越 不敏感。宋武林【1 8 】认为激光熔覆材料与基材热膨胀系数应满足关系1 1 4 式，也 就是说，熔覆层的热膨胀系数也不是越小越好，而是有一定的限制范围，超出这 个范围，容易在熔覆表面产生残余应力，引发裂纹。 o 2 ( 1 一r ) ( e a t ) a c t 9 9 0 三d 3 4 0 5 1 0 2 4 激光熔覆实验的工艺方法 实验前将基体试样熔覆背面打钢印编号。采用预置材料供给方法，涂层制作 前，先将激光熔覆用的粉末材料称量，并按一定比例加入到粘结剂里，搅拌，调 和均匀，成稠糊状，用特制刷子均匀的平涂在基材表面上，厚度为0 1 l m m ， 厚度由刷涂的次数决定，常温阴干，备用。 预置涂覆层，其颗粒间存在空隙，容易使预置粉末层的导热性大大降低。如 果覆层粉末在粘结剂里没有搅拌开来，或者在刷涂时涂抹薄厚不均匀，将影响激 光的辐射能量的吸收。另外为保证覆层与基体的有效结合，在涂覆前对基体去油 污处理。 由于覆层的稀释率受激光工艺参数的影响较大，只有在较为合适的工艺参数 下才能获得致密无裂纹且与基材成冶金结合的熔覆层，本文在以前的实验基础 上，选取下述的参数。激光熔覆时的离焦量为2 5 0 m m ，光斑尺寸为9 m m x 2 m m , 并 浙江理工大学硕士学位论文 按照一定的扫描功率、扫描速度参数进行熔覆。将激光熔覆后的试样抛光，加工 成1 0 m m x1 0 m m x 4 m m 备用。 2 5 激光熔覆涂层的干摩擦磨损实验 本实验利用中国科学院兰州化学物理研究所的摩擦磨损实验机( w t m 一1 e ) 和m m w - i 摩擦磨损实验机测试各试样的摩擦磨损性能测。m m w - 1 摩擦磨损 实验机实验台见图2 2 。将各试样顺序放到磨损盘上固定，加载，在牵引力的作 用下作周期性转动。然后将各试样进行如下工艺参数的实验：转速、对磨时间、 负载，摩擦直径。在实验中实时测试各试样的摩擦系数，并在单次磨后测量各试 样的质量，然后计算出各试样的磨损量。对各试样的摩擦系数、磨损量进行比较。 最后用j s m 5 6 1 0 l v 扫描电镜观察表面磨损形貌特征，分析摩擦磨损性能。 其中磨损量的测定：本实验采用瑞士制造的，精度为l x l 0 。4 克的a g 2 8 5 电 子分析天平测量磨损前后的质量变化，每次称量前试样均放入无水酒精中用超声 波清洗器进行清洗。 2 6 实验分析表征手段 2 6 1 金相试样的制备 将线切割后的激光熔覆试样镶嵌、水磨、抛光、三氯化铁溶液侵蚀( 侵蚀时 间为l - 1 0 s ) ，清洗，烘干，制成标准金相试样，备用。 2 6 2 显微硬度的测量 激光熔覆的硬度用h x s 1 0 0 0 a 数字显微硬度仪测量。加载负荷为1 0 0 吕加载 时间为1 0 s 。在激光熔覆试样横截面上熔覆区、结合区以及热影响区由表及里测 量不同区域硬度分布，测量3 次取平均值。 2 6 3 熔覆层组织、成分、摩擦磨损形貌的分析 本实验采用j s m 5 6 1 0 l vs e m 电镜( 见图2 3 ) 观察形貌。 淅江理工大学硕士学位论文 圈2 2 m m w - 1 实验机工作台图2 3 j s m - 5 1 6 0 l v 扫描电镜( s e m 、 浙江理工大学硕士学位论文 第三章激光熔覆w c n i t i c 涂层的组织及摩擦磨损性能研究 3 1 引言 大量研究【5 0 5 1 1 表明，激光熔覆陶瓷金属复合涂层具有极其优异的耐磨性。 而金属加工模具的主要失效形式是磨损【5 2 1 ，为了推迟模具的磨损破坏，要求模 具钢具有良好的耐磨性。利用表面改性技术赋予模具表面的超强性能，是提高模 具性能、延长模具使用寿命的经济有效的措施。作为一种新的表面改性技术，激 光熔覆在耐磨、抗蚀、热障等涂层制备方面显示出良好的应用前景【5 3 矧。而混 入型纳米复合材料即将纳米粉体混入微米或亚微米的粉体中，是制备强度和韧性 都非常好的耐磨材料【5 5 1 。再利用激光熔覆能量密度高，材料在激光作用下快速 熔凝等特点，能够控制涂层制备过程中的纳米晶粒长大，而相界面的物理和化学 相容性决定了陶瓷金属复合材料在广泛温度范围内的工作性能。陶瓷一金属材料 的性能主要取决于晶粒尺寸大小以及陶瓷晶粒之问的会属层的厚度。如果黏结相 完全包围陶瓷相时，陶瓷晶粒问黏结相越薄，则陶瓷一金属复合材料的强度越高。 在陶瓷晶粒尺寸很小时，黏结相的厚度在相同含量的情况下则较薄，陶瓷金属 复合材料的强度也就较高。所以有望制备高性能复合涂层，提高模具寿命【5 6 1 。 本工作研究了4 5 撑钢表面激光熔覆w c n i t i c 复合涂层的组织、硬度和摩擦磨损 性能。 3 2w c n i t i c 激光熔覆复合涂层的制备 熔覆材料选用n i 包w c ，平均粒度0 4 - 0 8 1 a m ，成分( 质量分数，下同) 为 n i 3 5 ，w c 6 5 ；纳米t i c ，平均粒度4 0 n m 。根据本课题组前期研列5 7 1 ，将复合 涂层配方中w c - n i ：t i c 质量比固定为7 ：3 。基体为4 5 群钢( 尺寸为 l o o m m x 5 0 m m x l o m m ) ，表面抛光并用丙酮清洗干净备用。将复合粉末用超声波 共混，采用预置方法用自制粘结剂将粉末涂覆在基材上，预涂厚度0 5 m m 。激光 熔覆实验采用7 k w 横流c 0 2 激光器。激光熔覆工艺参数为：矩形光斑尺寸 9 m m x 2 m m 、扫描速度2 0 0 r n m m i n ，输出功率2 0 k w 、2 5 k w 和3 0 k w ，对应试样 编号l 静、2 群和3 撑。激光熔覆时采用侧吹氮气保护。氮气流量为6 l m i n 。 浙江理工大学硕士学位论文 3 3 不同功率下w c n i t i c 涂层的显微组织 对预置粉末层的激光熔化过程，确定熔覆极限厚度对确定激光熔覆的工艺参 数有指导意义。激光熔覆的极限厚度是指在预置粉末熔覆中，对于确定的激光工 艺参数所能达到的最大熔覆厚度。与之相关的激光工艺参数主要是激光输出功 率、光斑尺寸和扫描速度，它们实际上决定了激光功率密度和交互作用时间。采 用比能量( 即单位面积的辐照能量) 可将功率密度和扫描速度综合在一起，即： e s = p d v ( j m m 2 )( 3 1 ) 式中，e s 为比能量；p 为激光功率；d 为光斑尺寸；v 为扫描速度。实验结果表 明，h m a x 与e s 存在良好的线性关系【5 8 】： n m a x - - - 0 7 3 7 + 0 0 8 0 p d v ( 3 - 2 ) 由式( 3 2 ) 可见，决定熔覆极限本质的是辐照比能量。要使一定厚度的粉术能 熔覆在基材上，所采用的比能量必须大于或等于式( 3 2 ) 所对应的值，这是激光熔 覆的必要条件。由于比能量是由激光输出功率、光斑尺寸和扫描速度所决定的， 因此这三个参数在确定熔覆极限时具有等价性，但是决定熔覆极限的比能量的等 价性不能移植到组织变化上，因为快速扫描的组织及性能与低速扫描时相比会有 较大的差别。除激光工艺参数外，粉末与基材从性质、预置方法等也不同程度地 影响激光熔覆的极限厚度，其中以粉末的熔点最为显著。此外，在实际熔覆中还 要考虑其它的因素，如覆层与基材的结合强度，表面粗糙度、组织与性能等，为 此实际选择的熔覆比能量往往大于熔覆极限的比能量。对于一定的合金粉末，如 何评价每个工艺参数在熔覆层形成过程中的作用是熔覆层设计的关键。国内外研 究者尤其是国内的研究者做了大量工作，但是还没有一个统一的评价标准。合金 成分一定时，激光熔覆层的组织结构很大程度上取决于激光束功率、激光束光斑 浙江理工大学硕士学位论文 直径及激光束扫描数独断合理匹配，为说明三者的综合作用，还提出了比能量密 度的定义，即单位体积的辐照能量，它是一个将功率密度和扫描速度等因素综合 在一起的概念： e = p ( d x v s x h )( 3 3 ) 式中：e - 比能量密度( j m m 3 ) ；p 一激光功率( 、聊；d 一光斑尺寸( i n m ) ；v s 一扫描 速度( m m s ) ：h 髂覆层厚度( m m ) 。 图3 1 所示为熔覆层截面的扫描电镜照片。截面为典型的熔覆区、冶金结 合区、热影响区和基材。当比能量较低时，涂层中有大量未熔w c 颗粒( 图3 1 a ) ， 随着功率增大，覆层熔覆比较良好( 图3 i b ) ，沿熔化深度方向其组织呈明显的不 连续变化【5 9 1 ，这与激光熔覆温度场分布以及温度梯度方向比较吻创5 瓢6 0 1 。高温 度梯度决定了熔覆层定向凝固的细化组织。在最大温度梯度的表层处【6 0 1 ，因此 形成无枝晶形式生长，整体得到细小的胞状组织，组织尺度大约o 5 岬，厚度大 约2 0 r t m 。与熔覆层中的枝晶区域相比，胞晶问析出相在数量上明显减少，在尺 度上更加弥散、细小，有利于w c t i c 在n i 中的均匀分布。然后过度为胞状枝 晶至完全树枝晶，晶粒也比较细小。可以看出，结合区附近稀释率偏高。激光束 的功率越大，在其他条件不变的情况下，输入覆层和基体表面的热能量就越大， 熔覆材料的加热温度则越高，基体材料的表面加热温度也会相应的提高，使基体 的熔化量增多，稀释率增大。在熔覆层和基体结合界面附近的区域旱形成比较发 达的沿热流方向生长的枝状晶。当功率增大到一定程度，使覆层里的陶瓷硬质相 发生分解而不能以原始状态存在于熔覆层，同时，熔覆层结晶析出的各种化合物 尺寸也变得较为粗大。当继续提高激光功率时，比能量密度增加