NbC顆粒相對鎳基非晶復(fù)合涂層力學(xué)性能的影響.pdf

1、激光熔覆非晶涂層制備技術(shù)是通過添加特定成分合金，利用連續(xù)激光對待加工零部件表面進(jìn)行均勻掃描，提高其表面硬度、耐蝕及耐磨等性能。本文采用大功率光纖激光器同軸送粉熔覆的方式，通過一步法在中碳鋼表面獲得非晶復(fù)合涂層，在本課題組的前期研究基礎(chǔ)上，本文對該非晶復(fù)合涂層進(jìn)行更深入的探討，主要研究內(nèi)容包括：分析鎳基非晶復(fù)合涂層的相組成及組織形貌，研究NbC顆粒相在涂層力學(xué)性能方面發(fā)揮的作用，探討激光熱輸入對涂層組織及力學(xué)性能的影響以及激光熔覆過程熱循

2、環(huán)和涂層殘余應(yīng)力分布。主要研究成果如下：
　　采用一步法激光熔覆在中碳鋼表面成功制備了由非晶相、NbC相和細(xì)小枝晶組成的非晶復(fù)合涂層。觀察分析了在熱輸入為56.3 J/mm時激光熔覆涂層的組織分布，結(jié)果表明，從涂層與基體的界面到涂層的頂端，組織呈梯度分布：基體/涂層界面生成了平面晶、胞狀晶和柱狀樹枝晶，隨后發(fā)生柱狀晶細(xì)化并生成細(xì)小等軸晶；在涂層中部主要由非晶相、NbC顆粒相以及細(xì)小等軸晶相組成，NbC顆粒相彌散分布于整個涂層中。隨

3、著激光熱輸入的增加，涂層寬度基本不變而高度顯著增加，涂層中非晶含量下降，樹枝晶逐漸取代非晶/細(xì)小等軸晶。
　　系統(tǒng)測試了Ni-Fe-B-Si-Nb-C非晶復(fù)合涂層的力學(xué)性能，并分別研究了NbC顆粒相及激光熱輸入對涂層力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示熱輸入為52.5 J/mm條件下涂層中部顯微硬度約1049.3 HV，壓痕形貌顯示NbC顆粒相對涂層的硬度值有貢獻(xiàn)。加載5 mN載荷條件下，涂層中非晶/細(xì)小等軸晶基底（不含 NbC顆粒相）納米硬

4、度值約為1500.8 HV，彈性模量290 GPa，遠(yuǎn)高于涂層的顯微維氏硬度。利用Nix-Gao模型擬合計算，得到基底層的顯微硬度為952.6 HV，NbC顆粒相對涂層的硬度增強(qiáng)96.7 HV，根據(jù)Orowan-Ashby公式和Tabor關(guān)系理論估算NbC顆粒對基體的硬度貢獻(xiàn)值為92.5 HV，與實(shí)際測量值基本一致。通過維氏硬度壓頭加載大載荷，使壓痕涂層橫截面開裂，觀察裂紋擴(kuò)展方向，結(jié)果表明NbC顆粒對裂紋具有阻礙作用和增殖效應(yīng)。另外，

5、增加熱輸入使得涂層非晶含量減少，造成涂層硬度值下降，摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，熱輸入較低時涂層硬度值較高，NbC顆粒相能夠阻止Al2O3磨球?qū)ν繉颖砻娴那邢?，阻礙了涂層的塑性形變，提高涂層耐磨性能；激光熱輸入較高時涂層硬度值較低，NbC顆粒容易在摩擦過程中與涂層材料一起發(fā)生脫落，跟隨Al2O3磨球?qū)ν繉颖砻孢M(jìn)行磨損，降低涂層耐磨性能。
　　采用 ANSYS有限元軟件，并利用其單元生死功能模擬了激光熔覆鎳基非晶復(fù)合涂層制備過程的溫度場分

6、布，并采用間接法對涂層應(yīng)力場進(jìn)行模擬。通過X射線應(yīng)力測定對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在垂直于掃描方向路徑上的橫向殘余應(yīng)力的測試結(jié)果與模擬值基本吻合；而縱向應(yīng)力測試基本無應(yīng)力，這可能的原因在于涂層產(chǎn)生裂紋，釋放了應(yīng)力。熔覆結(jié)束后涂層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，沿橫向和縱向的應(yīng)力分布大小不同，縱向應(yīng)力大于橫向應(yīng)力，涂層材料沿激光掃描方向發(fā)生塑性拉伸變形，形成了比較大的縱向殘余應(yīng)力，是造成涂層開裂的主要原因，涂層與基材結(jié)合處存在相對較大的應(yīng)力集中，增加