高強(qiáng)鋼寬束激光熔覆鎳基-陶瓷復(fù)合層組織與性能的研究.pdf

1、采用TMCP工藝制造的高強(qiáng)鋼具有比強(qiáng)度高、焊接性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、汽車、工程機(jī)械等行業(yè)，在以煤礦液壓支架為代表的煤機(jī)設(shè)備中，高強(qiáng)鋼用料占比可達(dá)70％。由于煤機(jī)設(shè)備工況比較惡劣，在煤礦井下等復(fù)雜的工況中服役時(shí)工件表面易受到磨損和腐蝕。激光熔覆具有冶金結(jié)合緊密、熔覆層性能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，利用激光熔覆技術(shù)在高強(qiáng)鋼表面制備一層具有高硬度、高耐磨性的鎳基/陶瓷復(fù)合熔覆層，可以大大延長液壓支架構(gòu)件的使用壽命，在工程裝備再制造行業(yè)也有廣闊

2、的應(yīng)用前景。
　　本文針對Q550高強(qiáng)鋼，采用激光熔覆技術(shù)制備高性能鎳基/陶瓷復(fù)合熔覆層。對熔覆層合金系進(jìn)行設(shè)計(jì)，選取Ni60/WC為熔覆層材料，對比研究了寬束激光和圓束激光熔覆工藝。通過優(yōu)化熔覆工藝參數(shù)和添加Cr、Ti、Y2O3等熔覆層改性材料對熔覆層組織和性能進(jìn)行調(diào)控。針對寬束激光熔覆層中的微觀-宏觀界面展開研究，探索原位生成強(qiáng)化相的生長控制方法，利用剪切試驗(yàn)對熔覆層界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行定量表征，研究宏觀界面斷裂機(jī)理。
　　

3、采用直徑5mm圓束激光在Q550鋼表面熔覆Ni60和Co12自熔性合金粉末，并添加一定量的WC顆粒強(qiáng)化。結(jié)果表明Ni60/WC復(fù)合熔覆層組織以鎳基樹枝晶和晶間析出相為主，物相組成為γ-Ni(Fe)、Fe-Cr，Cr7C3、 Cr23C6及W2B5等。鎳基復(fù)合熔覆層硬度較高、強(qiáng)化效果較好。選用Ni60/WC作為Q550鋼熔覆層材料，并采用17mm×1.5mm寬束激光進(jìn)行熔覆，針對寬束激光功率和激光掃描速度展開優(yōu)化。
　　對比研究寬束

4、激光和圓束激光制備的Ni60/WC熔覆層，結(jié)果表明寬束激光熔覆層中原位生成了一種結(jié)構(gòu)特殊的帶核共晶組織，其具有星狀的(Cr, W)5B3內(nèi)核，外部為延續(xù)生長的(Cr，W)23C6/γ-Ni片層共晶。寬束激光熔覆層顯微硬度提高到600～800HV0.1，耐磨性提高了30％以上。加入Cr元素后熔覆層析出相仍以(Cr, W)5B3和(Cr，W)23C6為主，但出現(xiàn)了部分Cr7C3碳化物。Cr元素添加量達(dá)到wt.8％時(shí)，原位析出相形態(tài)由星狀和塊

5、狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條狀，結(jié)合硬度和耐磨性分析，Cr元素添加量在wt.4％時(shí)強(qiáng)化效果最好。稀土氧化物Y2O3的加入增加了熔池中的形核質(zhì)點(diǎn)，對熔覆層顯微組織起到了細(xì)化作用。
　　通過調(diào)整寬束激光功率實(shí)現(xiàn)了對Ni60/WC熔覆層原位強(qiáng)化相的生長控制，生成了三種不同類型的強(qiáng)化相。寬束激光功率3.6kW時(shí)生成的強(qiáng)化相具有硼化物內(nèi)核+鎳基樹枝晶+片層共晶的復(fù)雜形態(tài)，耐磨性最好。通過添加Ti元素實(shí)現(xiàn)了寬束激光Ni60/WC熔覆層組織的均質(zhì)化。Ti元素與

6、熔池中的C通過原位化合反應(yīng)形成了網(wǎng)狀TiC組織，使原(Cr, W)5B3相由自由生長轉(zhuǎn)變?yōu)槭芟奚L，并且抑制了(Cr, W)23C6共晶碳化物的形成。熔覆層顯微組織發(fā)生顯著均質(zhì)化，耐磨性也得到改善?？疾炝藢捠す馊鄹?圓束激光重熔的組合熔覆工藝對熔覆層組織均勻化的影響，結(jié)果表明激光重熔可以消除界面上沉積的WC顆粒，使原位強(qiáng)化相的形態(tài)和分布都更加均勻。
　　對寬束激光Ni60/WC熔覆層界面組織及演變機(jī)理進(jìn)行了研究。通過寬束激光能量

7、密度的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了原位強(qiáng)化相/γ-Ni微界面形態(tài)的控制，三種微界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的激光能量密度閾值在50J/mm2和67J/mm2附近。熔覆層/基體界面區(qū)的顯微組織以鎳基平面晶、樹枝晶和沉積的WC顆粒構(gòu)成。提高激光能量密度使Q550母材熔化量增加，促進(jìn)了界面區(qū)平面晶和樹枝晶的生長。
　　采用剪切試驗(yàn)定量表征了熔覆層/基體界面結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明熔覆層界面剪切強(qiáng)度與激光能量密度呈正相關(guān)，激光能量密度超過55J/mm2時(shí)，熔覆層界面剪切強(qiáng)度達(dá)到