45钢SiC粉激光表面熔覆层的组织与性能研究.docx

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45钢SiC粉激光表面熔覆层的组织与性能研究

45钢SiC粉激光表面熔覆层的组织与性能研究

摘要：

本课题的主要目的是研究45钢表面激光熔覆SiC-Ti涂层，熔覆后组织与性能的变化。

其中以功率的改变对熔覆组织的影响为研究重点。

本课题研究结果对于改善材料的性能提供了良好的理论基础，同时为利用廉价金属来满足更高性能的要求，从而降低原材料成本具有重要的实际意义。

本课题实验材料是45钢、SiC粉和Ti粉。

先将SiC粉和Ti粉混合制备好熔覆层涂在基体表面，然后在不同的激光功率下进行激光熔覆实验，最后进行金相观察熔覆后组织。

熔覆后的组织分为熔覆层、过渡层和基体组织，随着激光功率的增加，熔覆层和过渡层的宽度逐渐增加。

相对于激光功率为1.4Kw和1.8Kw，激光功率为1.6Kw时，熔覆组织中未熔的SiC颗粒和柱状晶较少，得到较好的熔覆组织。

关键词：

激光熔覆；激光功率；45钢；SiC+Ti粉；显微组织

Studyofthepropertiesandmicrostructureon45SiCpowderlasercladdingofsteel

ZhangXiao

Supervisor：

XiaoYahang

（BaojiUniversityofArtsandSciences,DepartmentofElectricalandMechanicalEngineering,Materialsformingandcontrolengineering,ShaanxiBaoji,721016）

Abstract:

Themainpurposeofthisprojectistostudy45steelsurfaceoflasercladdingSiC-Tiaftercoating,claddingmicrostructureandpropertiesofchange.Amongthemwiththepowertochangetheinfluenceofthecladdingorganizationfortheresearchfocus.Thistopicresearchresultstoimprovethepropertiesofmaterialsprovidedatheoreticalfoundation,atthesametimetotakeadvantageofcheapmetaltomeethigherperformancerequirements,thusreducerawmaterialcosthasimportantpracticalsignificance.Thistopicexperimentmaterialis45steel,SiCpowderandTipowder.FirstwillSiCpowderandTipowdermixturepreparationgoodcladdinglayercoatedinthesurfaceofthematrix,andtheninthelaserpowerunderdifferentlasercladdingexperiment,finallyaftermetalloscopeobservationcladdingorganization.

Theorganizationisdividedintocladdinglayercladdinglayer,thetransitionmatrixorganization,aswiththeincreaseofthelaserpower,claddinglayerandthewidthofthetransitionlayersincreasegradually.Relativetothelaserpowerof1.4Kwand1.8Kw,laserpoweris1.6Kw,thecladdingorganizationofSiCparticlesandnotmeltlesscolumnarcrystal,getbettercladdingorganization.

Keywords:

lasercladding;Laserpower;45steel;SiC+Tipowder;microstructure

目录

1前言1

1.1金属材料表面熔融强化技术的研究现状1

1.1.1金属材料表面堆焊强化技术的研究现状1

1.1.2金属材料表面热喷涂强化技术的研究现状2

1.1.3钢基材料热熔凝强化技术的研究现状4

1.2本课题研究的内容6

1.2.1研究背景及意义6

1.2.2研究内容8

2实验方案的确定8

2.1实验材料的选择8

2.2实验工艺参数的确定9

2.3研究技术路线11

3实验方法13

3.1实验材料及仪器设备13

3.1.1本课题所用到的实验材料13

3.1.2本课题所用到的实验设备13

3.2激光处理前试样的制备14

3.2.1基体材料的处理14

3.2.2涂覆层的预置14

3.3金相组织观察14

4实验结果及分析16

4.1不同功率下熔覆层的表像及分析16

4.2不同功率下熔覆层和过渡层的微观组织分析16

4.3不同功率下熔覆层以及过渡层的宽度分析19

4.3.1不同功率下熔覆层的宽度及分析19

4.3.2不同功率下过渡层的宽度及分析19

5结论20

参考文献21

谢辞22

1前言

1.1金属材料表面熔融强化技术的研究现状

表面熔融强化技术就是利用热源将熔融或软化的强化材料熔覆到基体表面，使基体表面强化和表面防护的一项表面强化技术，是表面工程中的一项重要技术。

可将其分为堆焊技术和热喷涂技术[1]。

随着现代工业的发展，对机械产品零件表面的性能要求越来越高，要求能在高速、高温、高压、重载荷以及腐蚀介质工况下可靠持续地工作，这就对制造技术提出了挑战。

一般金属材料在经过表面强化后，在许多场合可以替代贵重的金属材料，甚至由于表面性能的改善，延长了机械产品的使用寿命，提高了生产力，减少了环境污染。

表面熔融强化技术能直接针对许多贵重金属零部件的失效原因，实行局部表面强化、修复、预保护，以达到延长寿命或重新恢复使用价值的目的[2]。

如果再考虑在能源、原材料和因腐蚀、磨损所造成的停产费用，其经济效益和社会效益是巨大的[3]。

1.1.1金属材料表面堆焊强化技术的研究现状

堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸，是用焊接的方法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法[2]。

堆焊可分为以下四种：

包层堆焊，当焊件表面与腐蚀介质接触时,为使其表面具有耐腐蚀性,而在碳钢或合金钢母材上堆焊一定厚度的填充金属层；耐磨堆焊，为减轻焊件表面磨粒磨损、冲击、腐蚀、气蚀而采用的堆焊层；增厚堆焊，在焊件表面、接头边缘或者先前熔敷的金属上为恢复构件所要求的尺寸而添加焊缝金属；隔离层堆焊，焊接异种材料或有特殊要求的材料时,为保证接头质量和性能,预先在母材表面（或坡口面）上熔覆的一定成分的金属层称隔离层（熔覆隔离层的工艺过程称隔离层堆焊）[2-3]。

堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。

因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，各工业发达国家的相关学术机构设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展。

堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。

我国堆焊专家围绕提高堆焊质量和效率开展大量工作。

堆焊方面，相继开发了电弧堆焊（单丝、多丝、单带极、多带极）、电渣堆焊（窄带极、宽带极、躺极）、MIG堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束（激光、聚焦光束）粉末堆焊等。

就熔覆效率而言，已从单丝电弧堆焊的11发展到多极电弧堆焊的70【4】，而稀释率从电弧堆焊的30%~60%低到等离子弧、激光、聚焦光束堆焊的5%左右【5】。

堆焊材料方面，针对被修复零件的服役要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料，耐冷热疲劳的及镍马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧辊修复的低合金钢堆焊材料（30Cr，MnSi，40CrMn）、热作模具钢堆焊材（3Cr2W8,Cr5Mo）、弥散硬化钢堆焊材料（15Cr3Mo2MnV，25Cr5WmoV,27Cr3Mo2W2MnVSi）、马氏体不锈钢堆焊材料（1Cr13NiMo配SJ11烧结焊剂，0Cr14Ni2Si配SJ11烧结焊剂）等。

在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。

堆焊技术在我国历经50年的发展历程，其应用遍及基础工业诸领域。

我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但堆焊材料的开发、堆焊设备的自动化和智能化水平、精密高效堆焊技术的应用水平等方面与国外存在一定差距，堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，研究开发优质、高效、低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，并将其广泛应用于先进制造业亟待发展和提高。

1.1.2金属材料表面热喷涂强化技术的研究现状

热喷涂技术是利用各种热源，将欲喷涂的固体涂层材料加热至熔化或熔融状态，借助于高速气流的雾化效果使其形成微细熔滴，喷射沉积到经过预处理的工件基体表面形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的新兴表面工程技术热喷涂的一般原理[2]。

在热喷涂过程中，一般经历四个阶段：

喷涂材料（粉末、线材等）在喷涂枪中被加热、熔化或软化；熔化的喷涂材料被雾化；熔化或软化的微细颗粒的喷射飞行；粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积。

涂层与基材表面之间的结合以及涂层颗粒之间的结合相同，均为物理—化学结合，包括以下几种类型：

机械结合；冶金—化学结合；物理结合[5]。

热喷涂技术根据热源不同和喷涂材料不同来分类的，根据热源不同可分为以下几种：

电弧喷涂，火焰喷涂，激光喷涂。

根据材料不同可分为以下几类：

丝材喷涂（所喷涂的材料是丝材），粉末喷涂（所喷涂材料是金属或合金粉末、陶瓷粉末、塑料粉末等），棒材喷涂（一般所用尺寸为6×600mm）。

热喷涂材料一般具有这几种工艺性能：

稳定性好；粉末材料应具有良好的流动性，良好的润湿性；形成涂层的线膨胀系数应尽可能与基材相近，便于涂层形成不产生龟裂有利于形成致密的，平整光滑，结合强度高的涂层[2-4]。

随着热喷涂技术的飞速发展，在传统喷涂技术基础上出现了等离子喷涂，利用等离子弧的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。

涂层与母材的结合主要是机械结合（高温下不分解的任何材料皆可作为喷涂材料以获得各种特殊性能的图层）。

超音速电弧,是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。

这两种方法所得表面涂层的工艺性能更佳，具有更加广泛的应用范围。

我国热喷涂技术近期发展的概况及特点是：

设备方面（喷枪）向高能、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。

目前，国内外的热喷涂设备正朝着高能、高速、高效发展的同时，轴向送粉技术多功能集成技术和实时控制技术也将成为热喷涂设备的发展方向。

设备的不断发展将使可喷涂材料的范围更广，制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、身等功能涂层将成为热喷涂研究的热点。

利用各种在线监测技术确定粉末在喷涂过程中的流体动力学特征，建立喷涂粒子的温度场和速度场，深入理解涂层的形成过程，从而得出各个喷涂参数对涂层结构和性能的影响规律。

采用各种先进的声、光、电无损检测技术，对涂层性能进行在线诊断，评估涂层质量和预测涂层寿命，是未来热喷涂涂层质量监控的重要研究方向。

1.1.3钢基材料热熔凝强化技术的研究现状

随着金属材料表面热熔凝强化技术的发展，在堆焊、热喷涂等传统表面处理技术上,又出现了激光熔覆技术。

该技术可显著改善金属表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，具有诸多优点,如适用的材料体系广泛、熔覆层稀释率可控、熔覆层与基体为冶金结合、基体热变形小、工艺易于实现自动化等。

因此,20世纪80年代以来,激光熔覆技术得到了国内外的广泛重视,并已在诸多工业领域获得应用。

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法[6]。

钢表面进行激光合金化及熔覆处理是目前研究和应用最广的领域。

在钢表面进行熔覆处理的熔覆材料最常用的是Fe基、Co基与Ni基等。

刘志勤等[7]研究人员研究了在45钢表面制备Co-TiC-WC金属陶瓷复合层，硬度和耐磨性高。

周二华等[8]研究人员在Q235钢表面制备了Fe-Co金属陶瓷复合层，并研制了一种适用于激光熔覆的Cu基合金和SiC的复合粉。

一方面兼顾Cu基合金的优良性能，另一方面通过加入SiC改善组织，提高覆层的硬度和耐磨性。

近十年来，激光熔覆强化钢基表面的研究发展很快，有些已在国内生产实际中推广应用。

但这些研究者较多集中在钢基表面上熔覆金属粉末合金，也有一些熔覆陶瓷材料。

陶瓷材料具有高的耐酸碱性，高抗氧化性、高硬度、耐磨性,固溶于晶内、晶界或其附近，甚至能形成金属间化合物RE2Fe17；经过稀土和激光熔覆处理的表面具有较高的耐蚀性能。

石世宏等[9]在耐酸不锈钢基体上激光熔覆Co基合金，得到的熔层与等离子焊层对比，激光熔层缺陷率低，成品率高，其组织细密均匀，晶粒细小，成分稀释率更小，对基体热影响小，熔层硬度与强韧性提高。

性能试验表明：

激光熔覆层具有更高的耐蚀性能。

激光处理已逐渐成为提高材料耐腐蚀性的有效表面处理的方法。

钢基材料进行激光熔覆发展很快，国内有许多学者在进行研究。

陈惠芬等[10]激光熔覆生物陶瓷材料的研究起步虽然较晚,但发展非常速,是一个前景广阔的研究方向。

陈惠芬等[10]在16Mn钢表面熔Fe2Cr2N自熔性合金粉末,结果表明熔覆层组织是树枝晶和胞状晶,熔覆层以非平衡（Fe、Cr）相和（Fe、Ni）相存在。

张锦英等[11]在12Cr2Ni4A钢表面激光熔覆FeCSiB+V（+Ti）合金粉末,研究了加V及复合加V和Ti时激光熔覆涂层的组织和性能。

结果表明:

熔覆层显微属基复合涂层,它将金属的强韧性、良好的工艺性和陶瓷材料优异的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化特性有机结合起来,是目前激光熔覆技术领域研究发展的热点。

目前应用和研究较多的复合粉末体系主要包括:

碳化物合金粉末（如WC、SiC、TiC、B4C、Cr3C2等）、氧化物合金粉末（如Al2O3、Zr2O3、TiO2等）、氮化物合金粉末（TiN、Si3N4等）、硼化物合金粉末、硅化物合金粉末等。

其中,碳化物合金粉末和氧化物合金粉末研究和应用最多,主要应用于制备耐磨涂层。

复合粉末中的碳化物颗粒可以直接加入激光熔池或者直接与金属粉末混合成混合粉末,但更有效的是以包覆型粉末（如镍包碳化物、钴包碳化物）的形式加入。

在激光熔覆过程中,包覆型粉末的包覆金属对芯核碳化物能起到有效保护、减弱高能激光与碳化物的直接作用,可有效减弱或避免碳化物发生烧损、失碳、挥发等现象。

吴莹等[12]在Q235钢基体上激光熔覆添加有WC的Ni基合金。

研究表明,当添加WC低于30%时,激光熔覆不出现裂纹,而当WC质量分数增加到30%时,熔覆层平均硬度增加,出现裂纹。

熔覆层中WC完全熔化并溶解,凝固组织主要由枝晶和枝晶间共晶组成,熔覆层呈胞状或条带状快凝亚稳的两相组织。

张维平等[13]用激光熔覆在中碳钢表面原位合成硬质陶瓷颗粒增强金属基复合材料涂层,该涂层由粘结金属基体和弥散分布于其中的稳定和亚稳定硬质颗粒增强相组成,相对于中碳钢基体强化效果显著。

研究表明:

涂层中存在细晶强化、硬质颗粒弥散强化、固溶强化和位错堆积强化等强化机制。

吴萍等[14]在A3钢上熔覆Ni2-WC复合涂层,研究了不同激光功率下复合涂层中WC颗粒的形貌与分布及其对涂层耐磨性能的影响。

结果表明,在Ni2-WC复合涂层中,合理的激光功率使WC颗粒部分熔化,并在颗粒周围重新凝固且析出针状碳化物,这既有利于提高涂层的硬度又能使未熔化的WC颗粒与涂层基体合金牢固结合。

斯松华等[15]在16Mn钢上熔覆Ni基B4C复合粉末,发现添加的B4C颗粒对激光熔覆涂层也起到了细晶强化、固溶强化及第二相强化的增强作用,激光熔覆NiB4C复合合金粉末涂层的硬度和耐磨性都明显高于Ni60涂层。

张大伟等[16]在低碳马氏体不锈钢上激光熔覆添加Cr3C2和WC颗粒的镍基粉末,发现前者中Cr3C2颗粒完全溶解,熔覆层组织由包覆C2M7C3共晶的奥氏体枝晶组成,后者熔覆层组织由弥散分布的不完全溶解WC颗粒增强体组成。

何宜柱等[17]在低碳钢表面激光熔覆添加了25%Cr3C2的Co60合金涂层,通过与未添加Cr3C2的Co60合金熔覆层对比,发现添加的Cr3C2改变了Co60涂层的凝固特征,Co60涂层的亚共晶结晶方式转变为Cr3C2/Co涂层的过共晶结晶方式,未熔Cr3C2粒子起到了非自发形核作用,在其周围形成了许多富Cr碳化物,并细化了涂层枝晶组织,同时发现Cr3C2/Co涂层的显微硬度以及在不同腐蚀介质中的耐磨性比Co60涂层都有明显提高。

唐人剑等[18]用激光重熔等离子喷涂锌铝铜基Al2O3陶瓷复合层,结果表明,等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层主要由等轴晶状的A2Al2O3陶瓷相组成,长条状的C2Al2O3陶瓷相量较少,主要分布在A2Al2O3陶瓷相的相界面和几A2Al2O3陶瓷相晶粒的交汇处,激光重熔后基体相树枝晶得到明显细化,熔池区只存在单一的D2Al2O3陶瓷相,原A2Al2O3陶瓷相、C2Al2O3陶瓷相均转变为D2Al2O3陶瓷相,陶瓷颗粒独立地分布于基体相中,表层陶瓷颗粒数目众多,并有局部富集现象,次表层次之,而在过渡区只能偶尔发现。

1.2本课题研究的内容

1.2.1研究背景及意义

本课题研究的是激光熔覆技术。

目前，激光熔覆技术在激光熔覆理论、物理数学模型、合金材料、工艺参数、涂层组织性能研究，设备自动化、柔性化、熔覆过程监控，专用功能部件的研制以及生产应用方面取得重要进展。

因此，激光熔覆技术不仅引起西方各国的关注，也同时引起了国内的广泛关注被广泛的应用于航天、汽车、化工、石油、冶金、电力、机械、工模具和轻工业领域等。

随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。

国外在这方面做的比较好。

从直线和旋转的一维激光熔覆,经过X和Y两个方向同时运动的二维熔覆,到上世纪90年代初开始向三维同时运动熔覆构造金属零件发展。

如今,已经把激光器、五轴联动数控激光加工机、外光路系统、自动化可调合金粉末输送系统（也可送丝）、专用CAD/CAM软件和全过程参数检测系统,集成构筑了闭环控制系统,直接制造出金属零件。

标志着激光熔覆技术的发展登上了新的台阶。

各国在激光控制方面的研究的新成果往往都以专利的形式进行保护,如高质量的同轴送粉熔覆系统以及闭环反馈控制系统等。

国内西北工业大学、清华大学、北京工业大学、上海交通大学和中国科学院等单位在激光熔覆过程控制方面做了许多研究工作,国内还有许多单位正在积极开展这方面的研究工作[5]。

清华大学机械系激光加工研究中心己研制出适合于直接制造金属零件的各种规格的同轴送粉喷嘴和自动送粉器,已申请相关发明专利两项。

中科院已经开发出集成化激光智能加工系统。

但相对国外的研究和开发水平,国内在控制方面的研究还处在起步阶段,控制措施和手段还不完善。

对激光熔覆融池温度的闭环控制鲜有报道,对熔覆质量的闭环控制系统研究的并不充分。

可见，激光熔覆技术在国内有很大的发展空间。

在实际生产中，人们正越来越多的考虑使用这一技术。

例如，机械零件的失效多数发生在零件的表面或者是从表面开始的，因此表面涂层技术开始被人们关注。

与传统的表面强化技术，如热喷焊、堆焊、PVD等相比，激光熔覆技术以其具有快速凝固，使组织细化；涂层与基体呈冶金结合；在耐磨、抗蚀、热障等涂层制备方面显示出良好的应用前景。

陶瓷颗粒增强金属基复合材料（CPRMMC）兼有金属性能（塑性和韧性）和增强相优点（高硬度、高模量），具有高强度、高模量和低膨胀系数和更高的使用温度、热稳定性以及抗磨损性能，以及高的导热系数与导电率等优点，具有广阔的应用前景[19]。

于是，激光熔覆金属陶瓷技术得到了世界各国的广泛注意和研究。

虽然激光熔覆技术取得很大发展，但仍然存在许多问题。

目前激光熔覆仍然停留在工艺参数和微观组织的研究上，无论是国内还是国外，目前对激光熔覆的研究相当部分只限于在各种各样的基体材料上熔覆各种各样材料或几种混合熔覆材料，然后对激光熔覆层的显微组织、耐磨性以及耐腐性等性能进行定性研究。

而对不同工艺参数（激光功率、功率分布、激光扫描速度、光束直径、搭接率、外部环境影响、有无辅助气体及其种类和成份、熔覆材料特性）的条件下，对激光熔覆加工系统稳定性和加工过程参数的作用规律和决策机制、从定性认识到定量的控制的研究以及激光熔覆高精度高质量加工系统信息的获取、处理、融合研究较少。

还有裂纹是大面积激光熔覆技术中最棘手的问题，这是由于激光熔覆时快速加热和冷却，凝固过程中不可能有足够的液体金属补充，以及在随后的固态冷却收缩过程中受到周围较冷基材束缚，造成的这些应力往往难以得到释放，而一旦释放就会造成裂纹。

激光熔覆中，材料间热膨胀系数、弹性模量的明显差别及激光熔池区域的温度梯度所决定的热应力是裂纹形成的根源，而熔覆层成分与组织梯度导致的微观应力则促使裂纹扩展。

要彻底解决熔覆层开裂问题，应从更微观的角度人手，分析裂纹的形成过程。

目前我国有些专家在熔覆层中加人不锈钢网，降低了熔覆层中的应力值，控制了熔覆层中的裂纹。

还有人提出了激光感应复合快速熔覆的新方法，研究发现，该方法不仅使熔覆效率大大提高，而且获得了无裂纹的金属陶瓷复合涂层。

激光熔覆层的材料一直是制约激光熔覆技术应用的重要因素。

目前，激光熔覆材料存在的主要问题是激光熔覆专用材料体系较少，缺乏系列化的专用粉末材料，缺少熔覆材料评价和应用标准。

现在国内许多高校和研究单位已经开展了激光熔覆专用粉末材料的研究