激光重熔工艺参数对喷涂Fe基Ni/WC涂层微观缺陷的抑制机制研究

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大多数零件的失效都是由零件表面发生的磨损、腐蚀、压溃和扭曲甚至疲劳断裂所引起的。从表面开始并慢慢地向内部蔓延,逐渐地演变成各类裂纹源痕迹,最后导致断裂促使整个零件报废。采用等离子喷涂和激光重熔技术复合工艺对基材表面进行强化处理,可以有效地提高基材表面耐磨、耐高温和耐冲蚀等相关性能,促使更多高熔点高硬度材料被广泛应用,拓宽了材料使用范围。本文采用等离子喷涂设备在45钢表面上制备了Fe基Ni/WC涂层,再进行激光重熔处理。并建立三维有限元分析模型,探讨了激光重熔工艺参数对重熔过程温度场变化规律的影响,深入研究了激光重熔Fe基Ni/WC陶瓷涂层工艺参数优化的界面行为,并基于响应曲面法建立激光重熔工艺参数与涂层孔隙率之间预测模型。主要研究成果包括以下几方面:(1)通过热结构有限元基本理论,施加合理的热边界条件。计算出相应材料热物性参数,选取高斯移动热源模型。通过ANSYS有限元软件建立激光重熔三维温度场模型,得出了不同激光工艺参数下重熔过程温度场的变化情况。为后续章节中实验过程参数的优化提供了理论支撑。(2)采用SEM设备检测出喷涂层界面分布着较大的孔洞和明显的层间裂纹,表现为机械结合,经激光重熔处理后,界面组织结构为网状和发达的枝晶组织,涂层与基体均形成了冶金结合。XRD设备检测出喷涂层除了[Fe,Ni]、Cr和WC相之外,还含有Cr7C3,Fe0.04Ni0.36等硬质相,不同工艺参数重熔后均出现了Fe2Si、Cr2Si等硬质中间相,且重熔层中的相组成几乎没有变化。激光功率越大,材料的硬度就越高,晶粒越小,孔隙率也越小;扫描速度越快,其半峰高越宽,晶粒尺寸越小,晶粒细化越明显,相应的显微硬度有所提高,最高约提高47%。二次枝晶间距伴随扫描速度的加快表现递减现象。涂层和基体元素相互扩散。(3)通过响应曲面法建立各工艺参数(激光功率P、扫描速度V和光斑直径D)下激光重熔涂层孔隙率的试验方案,进行测试并获取响应值数据,得到各工艺参数与孔隙率Y的二次多元回归方程模型。最后通过该模型得出预测最优工艺参数:激光功率600w,扫描速度150mm/min,光斑直径2mm,其最小孔隙率约为0.28%。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
第一章 绪论第10-21页
    1.1 课题研究的背景和意义第10-11页
    1.2 课题来源第11页
    1.3 热喷涂技术第11-12页
        1.3.1 等离子喷涂技术第11-12页
        1.3.2 等离子喷涂存在的优点和不足第12页
    1.4 激光表面改性技术第12-16页
        1.4.1 激光重熔技术原理第12-13页
        1.4.2 激光重熔工艺特点第13-14页
        1.4.3 激光工艺参数对复合涂层质量影响第14-16页
    1.5 激光重熔层微观缺陷的国内外研究现状第16-19页
        1.5.1 激光重熔层微观缺陷产生的研究现状第16-17页
        1.5.2 激光重熔层微观缺陷消除的研究现状第17-19页
    1.6 激光重熔有限元模拟的研究现状第19-20页
    1.7 研究的主要内容第20-21页
第二章 实验材料、设备及方法第21-28页
    2.1 实验材料第21-22页
        2.1.1 基体材料的选择第21-22页
        2.1.2 涂层材料的选择第22页
    2.2 实验设备及过程第22-24页
        2.2.1 等离子喷涂设备第22-23页
        2.2.2 激光重熔设备第23-24页
    2.3 组织与性能测试第24-27页
        2.3.1 微观组织第24-25页
        2.3.2 孔隙率测定第25-26页
        2.3.3 显微硬度第26页
        2.3.4 二次枝晶间距第26-27页
    2.4 文章小结第27-28页
第三章 基于ANSYS的激光重熔温度场有限元分析第28-44页
    3.1 激光重熔温度场的热分析理论第28-30页
    3.2 激光重熔有限元模型的建立第30-34页
        3.2.1 模型建立及网格划分第30-31页
        3.2.2 激光热源的确定第31-32页
        3.2.3 材料热物性参数第32-33页
        3.2.4 工艺参数的设置第33-34页
    3.3 温度场分布第34-35页
    3.4 激光功率对温度场的影响第35-39页
        3.4.1 同一时刻的温度场分析第35-37页
        3.4.2 不同节点的温度场分析第37-38页
        3.4.3 实验验证第38-39页
    3.5 扫描速度对温度场的影响第39-43页
        3.5.1 同一时刻的温度场分析第39-40页
        3.5.2 不同节点的温度场分析第40-42页
        3.5.3 实验验证第42-43页
    3.6 本章小结第43-44页
第四章 激光重熔层工艺参数优化的界面行为研究第44-61页
    4.1 等离子喷涂的微观形貌第44-45页
    4.2 激光功率对重熔层界面微观组织及性能的影响第45-52页
        4.2.1 微观形貌第45-47页
        4.2.2 物相分析第47-48页
        4.2.3 界面元素分布第48-50页
        4.2.4 孔隙率分析第50-51页
        4.2.5 显微硬度分析第51-52页
    4.3 扫描速度对重熔层界面微观组织及性能的影响第52-60页
        4.3.1 微观形貌第52-54页
        4.3.2 物相分析第54-55页
        4.3.3 界面元素分布第55-58页
        4.3.4 枝晶生长行为第58-59页
        4.3.5 显微硬度分析第59-60页
    4.4 本章小结第60-61页
第五章 基于响应曲面法的重熔层孔隙率工艺参数优化第61-68页
    5.1 响应曲面方法概述第61-62页
        5.1.1 响应曲面法的特点第61-62页
        5.1.2 响应曲面法的分类第62页
    5.2 试验设计与分析第62-67页
        5.2.1 显著性分析与响应方程的建立第62-64页
        5.2.2 孔隙率的响应曲面第64-66页
        5.2.3 模型最优预测第66-67页
    5.3 本章小结第67-68页
第六章 总结与展望第68-70页
    6.1 主要研究结论第68-69页
    6.2 展望第69-70页
参考文献第70-74页
致谢第74-75页
攻读学位期间的研究成果第75-76页
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