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激光熔覆Fe-Al复合涂层研究及数值模拟

作　者: 李德英
导　师: 张坚
学　校: 华东交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 激光熔覆 Fe-Al复合涂层数值模拟组织结构硬度耐磨性
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

激光熔覆是一种新型材料表面改性处理技术,可提高钢材表面的硬度、耐磨和耐腐蚀等性能,从而提高零部件的服役寿命,因而广泛应用于航空航天、机械、电力、石油、汽车和军事等行业。本文采用粉末预置法,在Q235钢表面激光熔覆Fe-Al复合涂层,利用ANSYS软件对Fe-Al复合涂层的温度场和应力场进行数值模拟,采用XRD、SEM等方法分析了熔覆层的组织及物相结构,并研究了熔覆层的硬度和耐磨性。数值模拟结果表明:温度场呈动态分布,且呈椭圆形;熔覆层中存在较大的温度梯度,达到106K/m数量级。基体与熔覆层的界面处温度和基体熔池深度随激光功率的增大而逐渐增加,随扫描速度的增大而逐渐减小;熔覆层表面和基体与熔覆层的界面处的Von Mises热应力均为压应力,与扫描速度成反比,与激光功率成正比。Z方向的拉应力幅值较大,易在熔覆层与基体的界面处形成裂纹源;X方向的拉应力远大于Y方向的拉应力,使裂纹大多垂直于扫描方向。激光熔覆Fe-Al复合涂层的试验结果表明:Fe-Al复合涂层内部基本无裂纹,气孔、夹杂较少;熔覆层表面附近组织为少量等轴晶,熔覆层中部组织为柱状晶、界面附近组织为平面晶。Fe-Al复合涂层主要由Fe、Al、Al₂O₃以及Fe₃Al等相组成。随着激光功率和扫描速度的增加,熔覆层的硬度和耐磨性先增加后减小;熔覆层的硬度约为298HV,与基体相比,Fe-Al复合涂层的硬度提高了1倍,耐磨性提高了50%。最佳工艺参数为:激光功率为1400W,扫描速度为400mm/min,这与模拟结果一致。Si可作为强化元素加入到Fe-Al复合涂层中,使熔覆层的组织得到显著细化,同时可改善熔覆层的硬度和耐磨等性能。Fe-Al-Si复合涂层表面平整,内部基本无裂纹、气孔,熔覆层质量优异;随着距界面距离的增加,熔覆层组织分别为平面晶、胞状晶和等轴晶,主要由Fe、SiO₂以及Al₂Fe₃Si₄等相组成。Fe-Al-Si复合涂层的硬度约为556HV,与Fe-Al复合涂层相比,硬度提高了1倍,耐磨性提高了1倍;与基体相比,其硬度提高了近3倍,耐磨性提高了2.5倍。通过正交试验优化得到Fe-Al-Si复合涂层的最佳工艺参数为:Fe、Al、Si质量分数为8:1:1,激光功率为1600W,扫描速度为400mm/min。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
主要符号说明  9-10
第一章绪论  10-20
  1.1 前言  10
  1.2 激光熔覆技术  10-12
    1.2.1 激光熔覆技术的原理及特点  10-11
    1.2.2 激光熔覆工艺方法  11-12
  1.3 激光熔覆技术的研究现状  12-16
    1.3.1 激光熔覆材料体系  12-14
    1.3.2 激光熔覆材料选择  14-15
    1.3.3 激光熔覆技术存在的问题  15-16
  1.4 激光熔覆技术的数值模拟  16-18
    1.4.1 激光熔覆技术数值模拟的意义  16-17
    1.4.2 温度场与应力场数值模拟研究现状  17-18
  1.5 课题研究目的和意义  18-19
  1.6 本文主要研究内容  19-20
第二章激光熔覆温度场和应力场数值模拟  20-37
  2.1 温度场有限元模型  20-24
    2.1.1 热传导控制方程  20-21
    2.1.2 有限元模型的建立  21
    2.1.3 热源模型  21-22
    2.1.4 材料热物性参数  22-24
  2.2 激光熔覆温度场模拟与结果分析  24-29
    2.2.1 表面效应单元  24-25
    2.2.2 相变潜热  25
    2.2.3 模拟结果与分析  25-29
  2.3 应力场有限元模型  29-31
    2.3.1 应力场分析基本理论  29-30
    2.3.2 材料力学性能参数  30-31
  2.4 激光熔覆应力场模拟与结果分析  31-35
    2.4.1 热力耦合技术  31-32
    2.4.2 模拟结果与分析  32-35
  2.5 小结  35-37
第三章激光熔覆Fe-Al复合涂层试验研究  37-45
  3.1 试验材料、设备及方法  37-39
    3.1.1 试验材料  37
    3.1.2 试验设备  37
    3.1.3 试验方法  37-39
  3.2 组织结构及性能测试方法  39-40
    3.2.1 显微组织结构分析方法  39
    3.2.2 显微硬度的测试  39-40
    3.2.3 耐磨性的测试  40
  3.3 结果与分析  40-44
    3.3.1 熔覆层物相分析  40-41
    3.3.2 熔覆层组织分析  41-42
    3.3.3 熔覆层硬度分析  42-43
    3.3.4 熔覆层耐磨性分析  43-44
  3.4 小结  44-45
第四章激光熔覆Fe-Al-Si复合涂层试验研究  45-55
  4.1 试验材料  45
  4.2 正交试验参数设计  45-46
  4.3 结果与分析  46-52
    4.3.1 熔覆层物相分析  46-47
    4.3.2 熔覆层组织分析  47-49
    4.3.3 熔覆层硬度分析  49-51
    4.3.4 熔覆层耐磨性分析  51-52
  4.4 激光熔覆工艺方案优化  52-54
  4.5 小结  54-55
第五章结论与展望  55-56
  5.1 结论  55
  5.2 展望  55-56
参考文献  56-60
个人简历在读期间发表的学术论文  60-62
致谢  62

激光熔覆Fe-Al复合涂层研究及数值模拟

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