学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究

作　者: 王传琦
导　师: 周荣
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 机械振动激光熔覆凝固组织裂纹特征应力控制
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 42次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

激光熔覆能使金属材料快速熔凝,但高裂纹敏感性镍基合金涂层制备过程中一直受到涂层开裂的影响,阻碍了该技术在表面工程领域的发展进程。为解决此问题,本文首次提出了机械振动辅助激光熔覆新技术,拓展了机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织形成机理及应力控制理论研究。涵盖复合技术所制备涂层的组织凝固特征、宏观形貌、开裂机理、开裂行为、应力控制和性能等主要内容。采用了有限元数值模拟、实际测试结果和理论分析相结合的方式,探讨了机械振动对涂层表面、结合界面、基材热影响区等部位应力分布的影响,对激光熔覆镍基合金涂层的应力控制、改善和消除裂纹具有理论指导和现实意义。采用ANSYS有限元软件,以无和有机械振动辅助Ni60合金涂层的最终凝固尺寸为基础,模拟了材料热物性参数随时间变化的涂层沿激光扫描方向(Z轴)的应力场,讨论了机械振动对其应力-应变场分布规律的影响,预测最优的机械振动工艺参数。结果表明,优化的振动参数使得残余应变峰值在涂层表面由4.36×10-4降至3.17×10-4,结合界面边缘处由2.88×10-4降至2.1×10-4,在基材热影响区由4.24×10-5降至3.09×10-5。表面残余拉应力峰值在涂层表面由114MPa降至19.7MPa,在结合界面处压应力峰值由197MPa降至165MPa,在基材热影响区拉应力峰值由74.8MPa降至50.5MPa。证明机械振动能改善激光熔覆Ni60合金涂层及其周边的应力-应变分布状态,起到应力控制的作用。利用X射线衍射法进行涂层表面、结合界面、基材热影响区的Z轴方向残余应力分布测量。结果表明,有和无机械振动辅助试样相比在涂层表面的残余拉应力值,结合界面到基材热影响区的残余压应力值呈下降趋势。比较有限元数值模拟与实际测量值之间的关联性发现,应力性质在不同区域的模拟和实测结果是几乎相同的,而且模拟数值反映出的应力变化规律与实测值较为符合,证明了数值模拟的可行性。最优振动参数下Z轴方向测量值在涂层表面残余拉应力为251.1±60MPa,结合界面处残余压应力为121.6MPa,基材热影响区残余压应力为13.5MPa。通过SEM、EDS、XRD等观察和表征手段,研究了机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的凝固组织特征。发现机械振动作用下Ni60/TiC复合涂层的组织更加均匀,基体相由树枝晶向近等轴晶转变、细化,碳化物数量及尺寸有明显增加；晶间网状相的分离使得基体相的连续性增强,且晶体结构完整性得到改善。Ni60CuMoW合金涂层基体相向短小枝晶和近等轴晶转变,硬质相分布均匀性增强,残留气孔减少。机械振动作用下激光熔覆过程受激振能量的影响,凝固过程转变为固-液前沿多游离核心,推进速度放缓的胞状晶、等轴晶的方式。熔池微区内存在的“平流层”影响了涂层液相的凝固机理,表现在冲断了基底胞状初生枝晶,增加了熔池内固-液界面前沿游离核心数量；削弱了结晶前沿与液相的成分过冷,抑制了胞状晶向树枝晶的转变进程；减缓了液相中形核长大的颗粒随固-液界面推进的上浮速率和熔池内各元素的浓度起伏。起到的效果体现在改善了硬质相颗粒尺寸并优化了其分布状态；增强了基体相的连续性,降低了镍基合金涂层的裂纹敏感性。在涂层表面宏观质量影响方面,“平流层”缓解了熔池内的对流翻转,涂层表面的波纹状不再明显,整体分布也较为平滑。考察定振幅机械振动辅助Ni60CuMoW合金涂层的宏观裂纹分布时发现,涂层表面裂纹交叉减少,单位长度内裂纹数由0.17条/mm下降至0.08条/mm。而定频率的涂层在振幅为0.17mm时宏观裂纹数为零。激光熔覆镍基合金涂层开裂的发展源于在结合界面处的萌生,后以穿晶开裂和沿晶开裂方式向涂层顶部扩展,且存在内部裂纹交叉现象。而有机械振动辅助的涂层内部已无裂纹交叉,换以单个贯穿方式存在,削弱了裂纹对涂层的破坏作用。有和无机械振动Ni60CuMoW合金涂层相比,自腐蚀电位正移了1134.9mVSCE,腐蚀电流密度从0.076到0.008μA·cm-2,下降了近一个数量级,耐蚀性能显著提高。熔覆区平均显微硬度由720上升到835HVo.5,提高了近16%,且显微硬度值波动明显减缓。热影响区到基材远端的显微硬度值从468迅速且无波动地下降到182HV0.5。合金涂层的平均磨损质量损失由9.2mg降至7.6mg,下降了17%；平均摩擦系数由0.081降至0.068,下降了16%,且曲线波动减弱。磨损表面无深沟,呈现出均匀的浅犁沟状分布,只有少量黏着磨损发生,归因于基体相与颗粒之间结合强度的增强：优化了涂层的抗磨损性能和磨损过程的稳定性。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章绪论  14-38
  1.1 金属材料的表面改性  14-16
  1.2 激光熔覆技术及其应用  16-20
    1.2.1 激光熔覆技术  16-18
    1.2.2 激光熔覆技术的应用  18-19
    1.2.3 激光熔覆亟待解决的问题  19-20
  1.3 激光熔覆技术制备合金涂层的研究进展  20-33
    1.3.1 激光熔覆合金涂层组织与性能的研究现状  23-27
    1.3.2 激光熔覆应力场数值模拟的国内外研究现状  27-28
    1.3.3 激光熔覆合金涂层裂纹成因的研究现状  28-29
    1.3.4 激光熔覆合金涂层裂纹的控制方法  29-33
  1.4 机械振动及其在工程研究领域的应用  33-35
  1.5 研究背景及意义  35-36
  1.6 研究目的和主要研究内容  36-38
第二章机械振动辅助激光熔覆实验方案和性能表征方法  38-50
  2.1 实验方案  38-46
    2.1.1 实验系统  38-43
    2.1.2 实验材料  43-44
    2.1.3 工艺参数  44-46
  2.2 组织分析及性能表征方法  46-50
第三章机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层应力场数值模拟  50-74
  3.1 激光熔覆涂层应力场分析的理论依据  50-58
    3.1.1 能量控制方程  50-51
    3.1.2 基本热传导方式  51-53
    3.1.3 模拟条件  53-54
    3.1.4 激光的热量传递  54-55
    3.1.5 激光熔覆中的力学准则  55-56
    3.1.6 激光熔覆中的弹塑性  56-58
  3.2 激光熔覆涂层应力场的数值模拟  58-61
    3.2.1 激光熔覆涂层的热力耦合分析基础方程  58-59
    3.2.2 激光熔覆涂层的应变和应力分析基础方程  59-61
  3.3 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层应力场数值模拟  61-72
    3.3.1 激光熔覆镍基涂层的热力耦合场模拟流程  61-63
    3.3.2 镍基合金涂层热物理性能参数的测试  63-65
    3.3.3 镍基合金涂层力学性能参数的测试  65-68
    3.3.4 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的热力耦合场分析  68-72
  3.4 本章小结  72-74
第四章机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层凝固组织特征  74-96
  4.1 快速凝固理论基础  74-80
    4.1.1 快速凝固的动力学理论研究  74-76
    4.1.2 快速凝固熔池中的枝晶生长  76-77
    4.1.3 快速凝固的基础理论分析  77-79
    4.1.4 激光束与材料的相互作用  79-80
  4.2 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的凝固组织和机理分析  80-94
    4.2.1 机械振动对激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及颗粒相分布影响  80-86
    4.2.2 机械振动对激光熔覆镍基合金涂层相结构的影响  86-91
    4.2.3 机械振动对激光熔覆镍基合金涂层凝固机理的影响  91-93
    4.2.4 镍基合金涂层相组成和组织结构变化对裂纹敏感性的影响  93-94
  4.3 本章小结  94-96
第五章机械振动辅助激光熔覆镍基涂层裂纹形成机理及应力控制  96-116
  5.1 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的裂纹形成机理分析  96-106
    5.1.1 机械振动下合金涂层的宏观形貌及开裂行为  96-101
    5.1.2 机械振动下合金涂层的微观开裂行为  101-103
    5.1.3 机械振动下合金涂层的开裂敏感性  103-105
    5.1.4 镍基合金涂层中裂纹的形成机理  105-106
  5.2 机械振动对激光熔覆镍基合金涂层残余应力场的影响  106-114
    5.2.1 材料表面残余应力测试方法  106-107
    5.2.2 X射线衍射法测定原理  107-109
    5.2.3 X射线衍射法检测涂层及其周围的残余应力  109-113
    5.2.4 残余应力数值模拟与测量结果分析  113-114
  5.3 本章小结  114-116
第六章机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的性能  116-124
  6.1 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的耐蚀性能  116-118
  6.2 机械振动辅助激光熔覆镍基合金涂层的耐磨性能  118-123
    6.2.1 机械振动下合金涂层的硬度分布  118-119
    6.2.2 机械振动下合金涂层的耐磨性能  119-121
    6.2.3 机械振动下合金涂层的磨损形貌  121-123
  6.3 本章小结  123-124
第七章结论与展望  124-130
  7.1 结论  124-126
  7.2 主要创新点  126
  7.3 展望  126-130
参考文献  130-142
附录A 攻读博士学位期间论文发表情况  142-146
附录B 攻读博士学位期间专利申请情况  146-148
附录C 攻读博士学位期间获奖情况  148

机械振动作用下激光熔覆镍基合金涂层凝固组织及应力控制研究

内容摘要

全文目录

相似论文