激光熔覆新型Co基合金組織及擦性能研究 5

1、激光激光熔覆新型熔覆新型CoCo基合金組織及擦傷基合金組織及擦傷 性能性能研究研究 Study of Microstructure and Abrasion Resistance of Novel Co-Based Alloy Laser Cladding Coatings 答辯人：任方成答辯人：任方成 Candidate Candidate: : RenRen FangchengFangcheng 導(dǎo)導(dǎo) 師：姚建華教授師：姚建華教授 AdvisorAdvisor: : Prof. Yao Prof. Yao JianhuaJianhua 時(shí)時(shí) 間：間：2015.5.262015.5.26 激

2、光先進(jìn)制造研究院激光先進(jìn)制造研究院 目 錄(contents) 研究背景及意義(Background and significance) Co基合金熔覆工藝與組織研究(Microstructure) Co基合金熔覆層的性能分析(Performance) 閥門(mén)密封面應(yīng)用研究(Application) 結(jié)論與展望(Conclusions and prospects) 一一 研究背景及意義研究背景及意義(Background and significance) 煤制油化工閥門(mén)工況要求(Coal liquefaction process) 直接液化 Direct liquefaction 間接液化 I

3、ndirect liquefaction 430470 1730MPa 350 2-3MPa 由 H2S, NH3, H2, CO, O2, Cl-等腐蝕性物質(zhì)引起的腐蝕 (Corrosion) 流體介質(zhì)中大量硬質(zhì)顆粒 造成的磨損、 (Wear, abrasion caused by massive hard particles from liquid phase) 擦傷失效 Failure 沖蝕，氣蝕(Erosion, cavitation) 擦傷 HVOF工藝 表面堆焊工藝(Welding)ENP(化學(xué)鍍鎳磷合金)工藝 優(yōu)點(diǎn)：效率高，得到高性能涂層 (Advantages: High ef

4、ficiency) 缺點(diǎn)：涂層結(jié)合力弱，涂層薄 (Disadvantages: Low bonding strength) 優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好，技術(shù)門(mén)檻低 (Advantages: High economic efficiency) 缺點(diǎn)：稀釋率大，熱影響區(qū)大 (Disadvantages: Higher dilution rate) 優(yōu)點(diǎn)：大批量生產(chǎn)，涂層性能穩(wěn) 定均勻 (Advantages: Uniform properties ) 缺點(diǎn)：涂層薄，結(jié)合力較弱 (Disadvantages: Thin coating, low bonding strength) 相比以上工藝，激光熔覆技術(shù)具有

5、涂層結(jié)合力強(qiáng)，涂層相比以上工藝，激光熔覆技術(shù)具有涂層結(jié)合力強(qiáng)，涂層 厚度可控，稀釋率小，熱影響區(qū)小。厚度可控，稀釋率小，熱影響區(qū)小。 (Strong bonding, lower dilution rate, adjustable coating thickness) 激光熔覆工藝(laser cladding) 存在問(wèn)題：高硬度、耐磨損、耐腐蝕合金粉末大面積應(yīng)用 易出現(xiàn)裂紋，孔洞等缺陷。 (Problems: Cracking in the high hardness coatings) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(Advantage)： 一一 研究背景及意義研究背景及意義(Background and si

6、gnificance) 一一 研究背景及意義研究背景及意義(Background and significance) 激光熔覆Co合金粉末沿用熱噴涂粉末，主要類型有： Thermal spray powder: 研發(fā)研發(fā)成本低，且大面積應(yīng)用時(shí)無(wú)裂紋、內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的高性能激光熔覆用粉末是激光熔成本低，且大面積應(yīng)用時(shí)無(wú)裂紋、內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的高性能激光熔覆用粉末是激光熔 覆材料技術(shù)的難點(diǎn)。覆材料技術(shù)的難點(diǎn)。 Challenge of laser cladding: No cracking in large-area coatings and low R Cracking found in coatin

7、gs) 成型能力、造渣能力及對(duì)熔池的保護(hù)差。 (Poor weld pool protection) 硬質(zhì)顆粒在潤(rùn)濕性、穩(wěn)定性及熱膨脹系數(shù) 方面的不同導(dǎo)致力學(xué)性能不均勻。 (Non-homogenous mechanical properties caused by different coefficients of thermal expansion) 一一 研究背景及意義研究背景及意義(Background and significance) 課題的課題的意義和創(chuàng)新點(diǎn)意義和創(chuàng)新點(diǎn)(Significance and innovation) 獲得了熔覆層在碳含量降低與 Mo 元素增加后的組織與

8、耐磨性的變化規(guī)律；制備新型 Co 基高性能激光熔覆層克服了高硬度 Co 基合金大面積應(yīng)用時(shí)易裂的技術(shù)瓶頸。 (Development of novel laser cladding Stellite alloy powder with 70wt% high-carbon Stellite alloy plus 30wt% low carbon Stellite alloy to reduce cracking in the coating layer.) 采用自動(dòng)劃痕儀進(jìn)行單點(diǎn)劃痕模擬避免了傳統(tǒng)閥門(mén)擦傷試驗(yàn)必須在進(jìn)行實(shí)體閥門(mén)開(kāi)關(guān)閉測(cè) 試的限制。對(duì)劃痕深度、加工硬化特性，切向力與劃痕形貌進(jìn)行了分

9、析。 (This novel coating has been applied on the sealing surface of ball valves and butterfly valves. The performance of the coating is investigated under work hardening test.) 激光熔覆專用 合金粉末的調(diào) 配 (Special powder preparation) 優(yōu)化工藝參數(shù)： 1 不同粉末配比 2 工藝與涂層硬度 3 金相組織 (Process parameter optimization) 單道多道搭接試驗(yàn)、 制備試

10、樣。進(jìn)行組 織物相與性能的分 析 (Performance analysis) 球閥、蝶閥實(shí) 體熔覆與擦傷 泄露測(cè)試。 (Valve sealing surface laser cladding) 本文的工作本文的工作內(nèi)容內(nèi)容(Work contents) 二二 Co基合金熔覆工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Microstructure) 煤制油閥門(mén)密封面工況特殊要求 (Coal liquefaction process) 需具有抗沖蝕、抗氣蝕與抗擦傷的能力 (Erosion, cavitation and abrasion reisitance) 抗H+、 H2S 、Cl-腐蝕的能力

11、 (Corrosion caused by H+, H2S, Cl-) 粉末的調(diào)配粉末的調(diào)配 (Powder preparation) numbermaterialsability 1Co-Cr-W alloyexcellent 217-4PH or 17-7PHgood 3SA 182-F316 or SA 182-F316Lgood 4Cr-Mo steelcommon 5Cast ironcommon (Strong carbide-forming elements)結(jié)合力強(qiáng)弱：FeMnCrMoW Mo + Sprecipitation Alloy CrWMoCFeNiSiMnHRCap

12、plication Stellite 330.512.5 -2.453.52260Valve seat etc. Stellite 4301410.57332141Hot embossing mould etc. Stellite 628.54.51.51532240Engine valve etc. Stellite 12308.3 -1.431.50.72.542Sawtooth etc. Stellite 2127 -5.50.2532.751128Turbine blade etc. Stellite 31227.5 -0.51.5100.50.531Turbine blade etc

13、. Stellite 8033.519 -2.0- - - - 52Bearing sleeve etc. Alloy CrWMoCFeNiSiMnHRCapplication Stellite 330.512.5 -2.453.52260Valve seat etc. Stellite 2127 -5.50.2532.751128Turbine blade etc. 合金的選擇(Selection of alloy)： 1、Co基合金基合金 (Co-based alloy ) 2、合金中需含有足夠的強(qiáng)化相（碳化物等）阻止擦傷合金中需含有足夠的強(qiáng)化相（碳化物等）阻止擦傷 (Enough str

14、engthening phase to prevent abrasion) Stellite 3 Co-Cr-W Higher carbon content, higher hardness Wear and abrasion resistance Stellite 21 Co-Cr-Mo Lower carbon content, lower hardness, better work hardening Relatively low wear resistance New alloy Co-Cr-W-Mo Good Macroscopic feature Wear and abrasion

15、 resistance High hardness, work hardening 二二 Co基合金熔覆工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Microstructure) Crack occurs in laser cladding coatings 3、合金中需要強(qiáng)碳化物形成元素合金中需要強(qiáng)碳化物形成元素W、Cr去防止氫腐蝕的發(fā)生；去防止氫腐蝕的發(fā)生；Mo元素可以與元素可以與S形成形成彌散彌散 析出析出物，削弱物，削弱H2S腐蝕腐蝕 （The new alloy needs containing W、Mo and Cr element） No crack formation in las

16、er cladding coatings 序號(hào)序號(hào) Stellite 3Co-1Co-2Co-3 層高層高層高層高 1 #445475512536 2 #482468523532 3 #473495518550 4 #712739725793 5 #748774791820 6 #797810833920 7 #1047116312201254 編號(hào)編號(hào) 功率功率 kW 掃描速度掃描速度 mm / min 送粉量送粉量 g / min 比能比能 kJ / cm2 1 #0.6180105 2 #0.8180105.83 3 #1180106.66 4 #1.2360135 5 #1.43601

17、35.83 6 #1.6360136.66 7 #1.8540165 Stellite 3: Stellite 21=7:3(wt%) (Co-3) 激光工藝優(yōu)化激光工藝優(yōu)化(Laser process optimization) Stellite 3 Stellite 3: Stellite 21=9:1(wt%) (Co-1) Stellite 3: Stellite 21=8:2(wt%) (Co-2) Stellite 3 Co-3Co-2 Co-1 7#1# (Coating layer height)單層高度測(cè)試 (m) (Hardness test)硬度測(cè)試 二二 Co基合金熔覆

18、工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Microstructure) Stellite 3 Co-1 Co-3Co-2 3#熔覆層 6#熔覆層 6#熔覆層 3#熔覆層 (Dilution rate)稀釋率：稀釋率：55.1% (Dilution rate)稀釋率：稀釋率：32%(Dilution rate)稀釋率：稀釋率：33% (Dilution rate)稀釋率：稀釋率：42% (Layer height)高度：高度：473m(Layer height)高度：高度：495m (Layer height)高度：高度：833m(Layer height)高度：高度：920m Stellite

19、 21的逐漸增多 (Addition of Stellite 21) 新合金中B、Si含 量減少，熔點(diǎn)升高 (Decrease of B, Si content) 熔池流動(dòng)性變差、 黏度增大，熔融狀 態(tài)不易外流 (Liquidity variation) 稀釋率 更小 (Lower dilution rate) Stellite 3Co-1Co-2Co-3 優(yōu)化的參數(shù): (Optimal parameters)： Co-3合金 (Stellite 3: Stellite 21= 7: 3) (wt%) 6# (功率: 1600W, 送粉量: 13g/min, 掃描速度: 6mm/s) 二二 C

20、o基合金熔覆工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Microstructure) 層高更高 (Thicker layer ) 激光工藝激光工藝優(yōu)化優(yōu)化(Laser process optimization) 較大面積的搭接試驗(yàn)(large overlaping test ) 涂層顯微組織分析涂層顯微組織分析 （Microstructure analysis） Stellite 3 Co-3Co-2 Co-1 Stellite 21的加入 (Addition of Stellite 21) 新合金組織粗大 (Coarse grains) 新合金中W含量減少, Mo含量增加 (W content

21、 decreases, Mo content increases) W元素細(xì)化晶粒的能 力強(qiáng)于Mo元素 (W element is better than Mo element in the ability of grain refinement ) Co-3合金面掃秒分析(Map analysis of Co-3) AreaCCrWMoFeCo 15.2319.6120.975.806.35Bal. 24.9625.3615.744.287.39Bal. 39.2535.999.192.596.41Bal. 1 2 3 二二 Co基合金熔覆工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Micros

22、tructure) 物物相分析相分析(Phase analysis) Stellite 3 Stellite 21Co-3 fcc-Co, (Co,W)6C, Cr7C3 fcc-Co, Co7Mo6, Co3Mo, Cr23C6 fcc-Co, (Co,W)3C, Co3Mo, Cr7C3, Cr23C6 Co-3合金 灰色(gray): fcc-Co 白色(white): (Co, W)3C, Co3Mo 黑色(black): Cr7C3, Cr23C6 較高的較高的W、Mo含量更容易形成含量更容易形成 (Co,W)6C, Co7Mo6 (Higher W and Mo content i

23、s easier to form (Co,W)6C, Co7Mo6) 相反的，較低的相反的，較低的W、Mo含量更容易含量更容易 形成形成(Co, W)3C, Co3Mo (Lower W and Mo content easily forms (Co,W)3C and Co3Mo) 二二 Co基合金熔覆工藝基合金熔覆工藝與與組織研究組織研究(Microstructure) 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance) 摩擦磨損性能分析摩擦磨損性能分析(Wear performance investigation) Stellite 3Stellite 21Co-

24、3 三種合金磨損體積 (wear loss) 摩擦系數(shù)曲線 (Friction coefficient curves) Stellite 3 Co-3Stellite 21 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance) 摩擦磨損性能分析摩擦磨損性能分析(Wear surface analysis) 添加了添加了Stellite 21的的Co-3合金中，合金中，Co3Mo阻礙磨損的作用與阻礙磨損的作用與(Co,W)3C相似相似 Co3Mo phase has similar effect on wear resistance to (Co,W)3C phase.

25、擦傷性能分擦傷性能分析析 (Abrasion performance analysis) 最大載荷下的劃痕深度 Indentation depth at maximum load: SS316: 17.1m Co-3: 8.1m SS316Co-3 Hardness unchanged Hardness increased to 835HV0.2 Scratch groove Section SS316 Co-3 Hardness unchanged Hardness increased to 918HV0.2 Plastic deformation fcc-Cohcp-Co Hardness

26、 劃傷影響區(qū)約為劃傷影響區(qū)約為120m，新型，新型Co基合金存在加工硬化基合金存在加工硬化 現(xiàn)象現(xiàn)象(Work hardening phenomenon can be found on new alloy coating surface) 加工硬化性能測(cè)試（Work hardening） 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance) SS316與Co-3合金的劃痕深度隨載荷 的變化 Indentation depth variations with load increase for SS316 and new alloy Stable stage SS316

27、Co-3 擦傷性能分析擦傷性能分析(Abrasion performance analysis) 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance) SS316 Co-3 擦傷性能分析擦傷性能分析(Abrasion performance analysis) small change stage SS316 Co-3 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance) SS316 Co-3 large change stage SS316 Co-3 45 F 90 三三 Co基合金熔覆層性能分析基合金熔覆層性能分析(Performance)

28、擦傷性能分析擦傷性能分析(Abrasion performance analysis) Co-3 SS316 No crack formation in the coating 四四 閥門(mén)密封面應(yīng)用研究閥門(mén)密封面應(yīng)用研究(Application) Laser cladding of ball valve sealing surfaceLaser cladding of butterfly valve sealing surface Macroscopic feature and dye detection 編號(hào)編號(hào) 激光光斑直徑激光光斑直徑 mm 線速度線速度 mm / min 送粉量送粉量

29、g / min 搭接率搭接率 比能比能 kJ / cm2 6 #43601350 %6.66 激光熔覆工藝參數(shù)(Laser cladding process parameters:) 粉末成分(Powder chemical composition:) Stellite 3 : Stellite 21 CCrWMoFeNiSiMnB 7 : 31.7629.458.751.654.403.201.701.700.70 實(shí)體實(shí)體閥門(mén)閥門(mén)熔覆熔覆(Laser cladding of valve sealing surface) 四四 閥門(mén)密封面應(yīng)用研究閥門(mén)密封面應(yīng)用研究(Application)

30、Switch frequency SS316Co-3 3000 No leakage occurrence No leakage occurrence 5000 Leakage occurrence No leakage occurrence 10000- No leakage occurrence 15000- No leakage occurrence 25000- No leakage occurrence 50000- No leakage occurrence 閥門(mén)擦傷試驗(yàn)機(jī) Valve switch tester 在WI-0916 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試下，蝶閥在50000次開(kāi)關(guān)閉測(cè)試中 無(wú)泄露

31、發(fā)生，符合企業(yè)生產(chǎn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。 No leakage occurs in the sealing surface of laser cladding on butterfly valve under specified duration. 實(shí)體實(shí)體閥門(mén)閥門(mén)擦傷試驗(yàn)擦傷試驗(yàn) (Valve switch test) pStellite 3 與 Stellite 21 的最優(yōu)質(zhì)量配比為7:3；物相主要由 fcc-Co、Co3Mo、(Co,W)3C、Cr7C3、 Cr23C6 組成；含碳量的降低與強(qiáng)韌相金屬間化合物 Co3Mo 的出現(xiàn)使熔覆層在保持較高硬度的 情況下有效阻止了裂紋的形成。 pThe op

32、timal chemical composition with 70wt% Stellite 3 plus 30wt% Stellite 21 exhibits a microstructure containing fcc-Co, Co3Mo, (Co,W)3C, Cr7C3 and Cr23C6. These phases provide high hardness but no crack formation in the coating. p新型 Co 基合金熔覆層的常溫磨損機(jī)理主要為氧化物的黏著與表面持續(xù)受到?jīng)_擊應(yīng)力形成的 碳化物與金屬間化合物的脆性剝落；擦傷機(jī)理主要為塑性變形引起的

33、裂紋的擴(kuò)展與塑性去除。 p The wear mechanisms of the new coating includes adhesion of oxides and brittle spallation of carbides and intermetallic compounds. The abrasive wear is caused by the plastic deformation at the sub-layer and removal of the surface layer. p實(shí)體閥門(mén)激光熔覆顯示閥門(mén)表面形貌良好，無(wú)裂紋產(chǎn)生；蝶閥在 WI-0916 標(biāo)準(zhǔn)下50000次開(kāi)關(guān)

34、 閉測(cè)試中無(wú)泄漏發(fā)生，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。 p Good appearance and no crack formation in the coating layer on the valve sealing surface in application. No leakage occurs on the sealing surface with the new alloy coating on butterfly valves under specified duration of 50000 cycles. 五五 結(jié)論與展望結(jié)論與展望(Conclusions and prospects)

35、結(jié)論結(jié)論(Conclusions) 展望展望(Prospects) p實(shí)驗(yàn)室下一步計(jì)劃制備出規(guī)格一致的新型 Co 基粉末顆粒，便于產(chǎn)業(yè)化。 pNovel laser cladding single Stellite alloy powder which can be applied on the sealing surface of should be fabricated with the required chemical composition p可以增加細(xì)化組織的Nb 元素，生成高熔點(diǎn)的穩(wěn)定相 NbC。得到組織更細(xì)密、均 勻、耐磨性更好、硬度更高的熔覆層。 pNb element may be added to this new powder to refine microstructure