材料研究進展新型激光熔覆涂層的制備與性能研究

1、徐鵬料與冶金進展材料與冶金進展特種加工技術(shù)特種加工技術(shù)參考教材：參考教材： 精密與特種加工技術(shù)精密與特種加工技術(shù) 北京大學(xué)出版社北京大學(xué)出版社特種加工技術(shù)分類特種加工技術(shù)分類激光加工激光加工電火花加工電火花加工電化學(xué)加工電化學(xué)加工電子束、離子束加工電子束、離子束加工超聲波、超高壓水射流加工超聲波、超高壓水射流加工第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.1 7.1 激光的概念及特點激光的概念及特點激光：laser 激光的特點激光的特點(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 高單色性高單色性

2、高相干性高相干性 高亮度高亮度 高方向性高方向性第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.1 7.1 激光產(chǎn)生的原理激光產(chǎn)生的原理圖一 碳原子示意圖 （1）物質(zhì)的結(jié)構(gòu)）物質(zhì)的結(jié)構(gòu) （2）電子的躍遷電子的躍遷 圖二 原子內(nèi)電子的躍遷過程 (a)(a)自發(fā)吸收自發(fā)吸收 (b)(b)自發(fā)輻射自發(fā)輻射 (c)(c)受激輻射受激輻射自發(fā)吸收自發(fā)吸收:電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階；電子透過吸收光子從低能階躍遷到高能階；自發(fā)輻射自發(fā)輻射:電子自發(fā)地通過釋放光子從高能階躍遷到低能階；電子自發(fā)地通過釋放光子從高能階躍遷到低能階；受激輻射受激輻射:光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階光子射入物質(zhì)誘發(fā)

3、電子從高能階躍遷到低能階第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.1 7.1 激光產(chǎn)生的原理激光產(chǎn)生的原理（3）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài) 定義：電子長時間留在亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致在亞穩(wěn)態(tài)的電子數(shù)目多于在基態(tài)的電子數(shù)目，此現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.2 7.2 激光加工系統(tǒng)激光加工系統(tǒng)電源無論是哪一種激光加工的方法，都要將一定功率激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質(zhì)相互作用。光闌：限制光束通過光學(xué)系統(tǒng)的光孔。 第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.3 7.3 激光加工分類激光加工分類激光加工激光切割激光焊接激光打孔激

4、光打標激光熔覆第七章：激光加工技術(shù)第七章：激光加工技術(shù)7.4 7.4 激光熔覆激光熔覆定義：激光熔覆是指通過不同的添料方式將所選擇的涂層材料放置在被涂覆基體表面，經(jīng)高能密度激光束輻照，使之與基體表面薄層同時熔化，并快速凝固形成稀釋率極低，且與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善金屬表面性能的工藝方法。（1）基本概念基本概念 1. 預(yù)置粉末法2. 同步送粉法SubstratePresetting powderLaser beamCladding layer304不銹鋼激光熔覆涂層不銹鋼激光熔覆涂層304不銹鋼不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層復(fù)合涂層Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層形狀記憶合金涂層

5、主要主要內(nèi)容內(nèi)容一一二二三三v1. 1. 工藝流程工藝流程OM 、Hv0.2、XRD、SEML、V、P 、搭接率、搭接率1mm厚厚粉末、基材粉末、基材檢測檢測激光熔覆激光熔覆預(yù)置粉末預(yù)置粉末前處理前處理304粉末基材一、304不銹鋼激光熔覆涂層v2. 2. 宏觀形貌宏觀形貌一、304不銹鋼激光熔覆涂層單道熔覆層多道熔覆層缺陷根瘤孔隙v3. 3. 截面形貌截面形貌一、304不銹鋼激光熔覆涂層V=200 mm/minV=600 mm/minV=400 mm/minV=800 mm/minV=1000 mm/minV=1200 mm/minCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCL

6、HAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstratev4. 4. 微觀形貌微觀形貌一、304不銹鋼激光熔覆涂層熔覆層顯微組織圖 (a) 頂端；(b) 中部；(c) 底端熱影響區(qū)顯微組織圖 (a) 全貌；(b) 淬火區(qū)；(c) 正火區(qū)等軸晶柱狀晶胞狀晶v5. 5. X射線衍射分析射線衍射分析一、304不銹鋼激光熔覆涂層XRD衍射圖譜 (左) 304不銹鋼粉末；(右) 熔覆層v6. 6. 結(jié)論結(jié)論一、304不銹鋼激光熔覆涂層優(yōu)化工藝參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)表面質(zhì)量優(yōu)異表面質(zhì)量優(yōu)異工藝參數(shù)影響工藝參數(shù)影響稀釋率合理稀釋率合理耐蝕性增強耐蝕性增強v1.

7、1. 工藝流程工藝流程二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層前處理前處理熔覆熔覆制樣制樣檢測檢測v2. 2. 顯微組織顯微組織二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層熔覆層硬化區(qū)部分相變區(qū)v3. 3. X射線衍射分析射線衍射分析二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層原材料XRD衍射圖譜熔覆層XRD衍射圖譜v2. 2. 硬度及耐磨性硬度及耐磨性二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層熔覆層顯微硬度耐磨性測試示意圖v2. 2. 硬度及耐磨性硬度及耐磨性二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層摩擦系數(shù)失重量耐磨性結(jié)論：復(fù)合涂層304不銹鋼熔覆層45鋼基材v3. 3. 耐蝕性耐蝕性二、304不銹鋼/Al2O3復(fù)合涂層

8、極化曲線自腐蝕電位自腐蝕電流耐蝕性結(jié)論：304不銹鋼熔覆層復(fù)合涂層45鋼基材v1. 1. 研究背景研究背景三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層2011-2013國內(nèi)研究現(xiàn)狀v1. 1. 研究背景研究背景三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層19801985199019952000200520102015050100150200250300350 China OverseasNumber 國內(nèi)外歷年發(fā)表文章數(shù)量1. 高效快速2. 性能優(yōu)異3. 熱影響區(qū)小4. 結(jié)合力強5. 基材、粉末范圍廣優(yōu)點優(yōu)點1. 理論指導(dǎo)2. 界面相容性3. 粉末研制4. 殘余應(yīng)力5. 熱致裂紋缺點缺點試驗方案粉末預(yù)置激光熔

9、覆宏觀觀測質(zhì)量合格質(zhì)量不合格調(diào)整工藝參數(shù)試樣制備光譜測試Fe17Mn5Si10Cr3Ni非Fe17Mn5Si10Cr3Ni調(diào)整粉末配比理論依據(jù)疲勞性能形變組織硬度耐磨耐蝕驗證粉末配制基材預(yù)處理1. 界面相容性2. 應(yīng)力自適應(yīng)3.耐磨、耐蝕、耐疲勞三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層離焦量對光斑直徑的影響制備工藝光斑直徑掃描速度粉末配比激光功率搭接率Fe32Mn9Si4Cr3Ni3 mm800 mm/min2.5 kW50%MaterialChemical compositionCMnSiCrNiFeBefore032943Bal.After0.06 16.85.69.84.6Bal. (b)熔

10、覆層表面形貌 (a) 固溶前，(b) 固溶后三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v2. 2. 宏觀形貌宏觀形貌(a) 結(jié)論：1 、表層灰色氧化皮為Fe 、 Mn 、 Si的氧化物。 2 、表層黑色析出物為Mn 、 Si 的氧化物。3 、熔覆層頂端、中部及底端中的各元素含量不同，但大致在Fe17Mn5Si10Cr3Ni記憶合金范圍之內(nèi)。三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v3. 3. 微區(qū)成分微區(qū)成分 (a)(c)v4. 4. 顯微組織顯微組織熔覆層固溶前(a)、(b)及固溶后顯微組織(c)、(d)三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層 4060801000500100015002000CPS()

11、(112)(103)(110)(222)(311)(220)(200)(111)(111) (a)4060801000100020003000(222)(311)(220)(200)(111)CPS() (b)熔覆層相組成 (a) 固溶前，(b) 固溶后三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v5. 5. 相組成相組成 摩擦系數(shù)0510150.00.10.20.30.40.50.60.70.8摩擦系數(shù) 時間/min 304 基材 SMA 熔覆層 磨痕3D形貌 (a) 熔覆層，(b) 基材磨痕顯微形貌 (a) 熔覆層，(b) 基材三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v6. 6. 耐磨性耐磨性 204

12、06080100CPS() (220) (200) (111) 磨損前磨損后(111)(111) (200) (110)(220) (112)(311) (103)(222) (311) (222) 熔覆層磨損前后X射線衍射圖譜結(jié)論：結(jié)論：1 、SMA涂層比基材摩擦系數(shù)小、穩(wěn)定；2 、SMA涂層比基材磨痕窄、淺；3 、基材為黏著磨損，SMA涂層為磨粒磨損；4、 基材磨損量為SMA涂層的3倍。 因而，SMA涂層耐磨性能優(yōu)于基材，摩擦過程中應(yīng)力驅(qū)動奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變是涂層耐磨性能優(yōu)異的主要原因。0.00.20.40.60.81.0 SMA304Wear loss / mg 三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v6. 6. 耐磨性耐磨性-6-4-20-1.0-0.50.0 E / Vlogi / (Acm-2) Cladding layer304 stainless steelFeMnSi極化曲線：SMA涂層SMA合金=304不銹鋼?；瘜W(xué)侵蝕：304不銹鋼固溶后SMA涂層固溶前SMA涂層三、Fe-Mn-Si形狀記憶合金涂層v7. 7. 耐蝕性耐蝕性 彈性回復(fù)角e為31，記憶回復(fù)角m為14，=m/(180-e)100%=9.4%(a)(b)三、Fe-Mn-Si形狀