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交变磁场下激光熔覆Fe基涂层的宏观质量及其耐磨性

作　者: 蔡川雄
导　师: 刘洪喜
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 激光熔覆交变磁场 Fe基复合涂层宏观质量组织结构摩擦磨损
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文通过特殊设计的控制电路及自制励磁线圈而组成的交变磁场发生装置,利用其产生的交变磁场作用于激光熔池,对熔体实行现非接触式处理,使凝固过程中树枝晶或难以长大,或被折断、击碎,成为新的晶核,以达到细化Fe基涂层凝固组织,改善涂层内部裂纹和气孔等缺陷,提高涂层质量的目的,以期为细化熔覆层组织和改善涂层内部缺陷提供了一种全新的工艺方法。通过体式显微镜分析了交变外磁场对Fe基复合涂层宏观形貌及其内部气孔等缺陷的影响,借助Auto CAD软件研究了不同磁场强度下涂层的几何形状特征。运用OM、XRD、SEM和EDS,探讨了激光熔覆Fe基复合涂层的组成与结构,阐明交变外磁场对Fe基复合涂层组织结构的影响,揭示交变磁场促使熔覆层由柱状晶向等轴晶转变机理。采用端面摩擦磨损试验机测试不同磁场强度下Fe基复合涂层的摩擦磨损特性,并结合涂层组织结构,揭示了交变磁场可提高Fe基涂层耐磨性的主要原因。复合涂层宏观形貌分析显示,在外加交变磁场作用下,激光熔池受到交变电磁力作用引起熔池内部产生波动,导致涂层表面形态由光滑向波浪形变化,且随磁场强度的增加,涂层表面波浪形状越趋明显,其严重影响熔覆层表面质量,应予消除或抑制。涂层形状特征研究表明,交变磁场作用下Fe基涂层的熔高H和横截面积S随磁场强度的增强出现逐渐减小的趋势,而熔宽W由于受取决于光斑与粉斑重合面积的大小限制,基本保持不变。涂层OM分析显示,在一定的磁场强度下,熔池内部产生的电磁力驱动熔体流动会使树枝晶或难以长大,或被折断、击碎,成为新的晶核,增加了形核率和改变熔池内部过冷度,促使熔覆层组织由树枝晶向等轴晶转变,随着磁场强度的增加,等轴晶区扩大,但涂层底部的组织变化不大。随磁场强度的进一步增加,涂层组织有被粗化的趋势,甚至呈长条状分布于熔覆层内部,交变磁场强度与晶粒细化效果之间应当是极值曲线的关系。XRD分析表明,未加磁场和辅加磁场作用下,激光熔覆Fe基涂层的物相变化不大,均匀由白色初生γ-(Fe,Cr)固溶体相和其间黑色的γ-(Fe,Cr)共晶相组成,同时含有少量Fe3(B,C)、Cr7(B,C)3、CrFeB等碳化物和硼化物。涂层EDS微区和线扫描分析表明,与未加磁场相比,磁场作用下制备Fe基涂层网状织构的共晶相和初生相的Fe元素的含量明显增加,但Cr元素的含量反而减小了。常温干摩擦磨损试验表明,外加磁场所制备的涂层耐磨性能明显提高,其磨损失重仅为未加磁场的50%,且摩擦系数波动较小。借助SEM分析了未加和辅加磁场作用下涂层的磨损形貌显示,未加磁场的Fe基涂层磨损表面上留有犁沟痕迹,其磨损形式主要为犁削。磁场处理的Fe基涂层磨损表面也存在犁沟,但大多数犁沟未能贯穿整个磨损面,且局部表面分布着细小的磨屑,其磨损方式为犁削和局部的疲劳脱落。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-25
  1.1 激光熔覆技术  9-14
    1.1.1 激光熔覆基本原理  9-10
    1.1.2 激光熔覆工艺参数  10-11
    1.1.3 激光熔覆工艺方法  11-12
    1.1.4 激光熔覆材料体系  12-14
  1.2 激光熔覆Fe基涂层的研究进展  14-18
    1.2.1 激光熔覆Fe基涂层的研究现状  14
    1.2.2 激光熔覆Fe基涂层存在问题及解决措施  14-18
  1.3 外加磁场作用金属凝固过程的研究进展  18-19
  1.4 磁控焊接技术的研究进展和机理分析  19-23
    1.4.1 磁控焊接技术的研究现状  19-21
    1.4.2 磁控焊接技术的特点和机理分析  21-23
  1.5 课题意义与研究内容  23-25
    1.5.1 课题的提出及意义  23
    1.5.2 研究内容  23-25
第二章实验材料、设备及方法  25-33
  2.1 实验材料  25-26
  2.2 实验设备  26-29
    2.2.1 激光熔覆设备  26-27
    2.2.2 交变磁场装置  27-29
    2.2.3 交变磁场辅助激光熔覆工艺原理  29
  2.3 试验工艺方案  29-30
  2.4 复合涂层性能表征  30-31
    2.4.1 涂层宏观质量表征  30
    2.4.2 SEM和XRD测试  30-31
    2.4.3 涂层端面摩擦磨损性能测试  31
  2.5 本章小结  31-33
第三章交变磁场下激光熔覆Fe基涂层的宏观质量  33-41
  3.1 交变磁场对Fe基涂层宏观形貌的影响  33-35
  3.2 交变磁场作用下Fe基涂层的形状特征  35-39
  3.3 交变磁场对Fe基涂层内部缺陷的影响  39-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章交变磁场下Fe基涂层的微观组织演变  41-57
  4.1 涂层组织分析  41-54
    4.1.1 不同磁场强度下涂层的微观组织分析  41-49
    4.1.2 涂层柱状晶向等轴晶转变的主要机制  49-54
  4.2 交变磁场对Fe基涂层物相的影响  54-55
  4.3 本章小结  55-57
第五章变磁场下Fe基涂层的摩擦磨损特性  57-63
  5.1 交变磁场下Fe基涂层的摩擦磨损特性  57-60
  5.2 本章小结  60-63
第六章结论与展望  63-65
  6.1 结论  63-64
  6.2 展望  64-65
致谢  65-67
参考文献  67-73
附录作者在攻读硕士学位期间发表论文及专利情况  73-75

交变磁场下激光熔覆Fe基涂层的宏观质量及其耐磨性

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