材料研究进展新型激光熔覆涂层的制备与性能研究

徐鹏18984837170材料与冶金进展特种加工技术参考教材：《精密与特种加工技术》北京大学出版社特种加工技术分类激光加工电火花加工电化学加工电子束、离子束加工超声波、超高压水射流加工第七章：激光加工技术7.1激光的概念及特点激光：laser激光的特点(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)高单色性高相干性高亮度高方向性第七章：激光加工技术7.1激光产生的原理图一碳原子示意图（1）物质的结构（2）电子的跃迁图二原子内电子的跃迁过程(a)自发吸收(b)自发辐射(c)受激辐射自发吸收:电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；自发辐射:电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到低能阶；受激辐射:光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶第七章：激光加工技术7.1激光产生的原理（3）粒子数反转粒子数反转的状态定义：电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的电子数目多于在基态的电子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键。第七章：激光加工技术7.2激光加工系统激光器工件工作台光阑反射镜聚焦镜电源无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。光阑：限制光束通过光学系统的光孔。第七章：激光加工技术7.3激光加工分类激光加工激光切割激光焊接激光打孔激光打标激光熔覆第七章：激光加工技术7.4激光熔覆定义：激光熔覆是指通过不同的添料方式将所选择的涂层材料放置在被涂覆基体表面，经高能密度激光束辐照，使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释率极低，且与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善金属表面性能的工艺方法。（1）基本概念1.预置粉末法2.同步送粉法SubstratePresettingpowderLaserbeamCladdinglayer304不锈钢激光熔覆涂层304不锈钢/Al2O3复合涂层Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层主要内容一二三1.工艺流程OM、Hv0.2、XRD、SEML、V、P、搭接率1mm厚粉末、基材检测激光熔覆预置粉末前处理304粉末基材一、304不锈钢激光熔覆涂层2.宏观形貌一、304不锈钢激光熔覆涂层单道熔覆层多道熔覆层缺陷根瘤孔隙3.截面形貌一、304不锈钢激光熔覆涂层V=200mm/minV=600mm/minV=400mm/minV=800mm/minV=1000mm/minV=1200mm/minCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstrateCLHAZSubstrate4.微观形貌一、304不锈钢激光熔覆涂层熔覆层显微组织图(a)顶端；(b)中部；(c)底端热影响区显微组织图(a)全貌；(b)淬火区；(c)正火区等轴晶柱状晶胞状晶5.X射线衍射分析一、304不锈钢激光熔覆涂层XRD衍射图谱(左)304不锈钢粉末；(右)熔覆层6.结论一、304不锈钢激光熔覆涂层优化工艺参数表面质量优异工艺参数影响稀释率合理耐蚀性增强1.工艺流程二、304不锈钢/Al2O3复合涂层前处理熔覆制样检测2.显微组织二、304不锈钢/Al2O3复合涂层熔覆层硬化区部分相变区3.X射线衍射分析二、304不锈钢/Al2O3复合涂层原材料XRD衍射图谱熔覆层XRD衍射图谱2.硬度及耐磨性二、304不锈钢/Al2O3复合涂层熔覆层显微硬度耐磨性测试示意图2.硬度及耐磨性二、304不锈钢/Al2O3复合涂层摩擦系数失重量耐磨性结论：复合涂层304不锈钢熔覆层45钢基材3.耐蚀性二、304不锈钢/Al2O3复合涂层极化曲线自腐蚀电位自腐蚀电流耐蚀性结论：304不锈钢熔覆层复合涂层45钢基材1.研究背景三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层2011-2013国内研究现状1.研究背景三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层19801985199019952000200520102015050100150200250300350ChinaOverseasNumber国内外历年发表文章数量1.高效快速2.性能优异3.热影响区小4.结合力强5.基材、粉末范围广优点1.理论指导2.界面相容性3.粉末研制4.残余应力5.热致裂纹缺点试验方案粉末预置激光熔覆宏观观测质量合格质量不合格调整工艺参数试样制备光谱测试Fe17Mn5Si10Cr3Ni非Fe17Mn5Si10Cr3Ni调整粉末配比理论依据疲劳性能形变组织硬度耐磨耐蚀验证粉末配制基材预处理1.界面相容性2.应力自适应3.耐磨、耐蚀、耐疲劳三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层离焦量对光斑直径的影响制备工艺光斑直径扫描速度粉末配比激光功率搭接率Fe32Mn9Si4Cr3Ni3mm800mm/min2.5kW50%MaterialChemicalcompositionCMnSiCrNiFeBefore032943Bal.After0.0616.85.69.84.6Bal.(b)熔覆层表面形貌(a)固溶前，(b)固溶后三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层2.宏观形貌(a)结论：1、表层灰色氧化皮为Fe、Mn、Si的氧化物。2、表层黑色析出物为Mn、Si的氧化物。3、熔覆层顶端、中部及底端中的各元素含量不同，但大致在Fe17Mn5Si10Cr3Ni记忆合金范围之内。三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层3.微区成分(a)(c)4.显微组织熔覆层固溶前(a)、(b)及固溶后显微组织(c)、(d)三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层4060801000500100015002000CPS(°)(112)(103)(110)(222)(311)(220)(200)(111)(111)(a)4060801000100020003000(222)(311)(220)(200)(111)CPS(°)(b)熔覆层相组成(a)固溶前，(b)固溶后三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层5.相组成摩擦系数0510150.00.10.20.30.40.50.60.70.8摩擦系数时间/min304基材SMA熔覆层磨痕3D形貌(a)熔覆层，(b)基材磨痕显微形貌(a)熔覆层，(b)基材三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层6.耐磨性20406080100CPS(°)(220)(200)(111)磨损前磨损后(111)(111)(200)(110)(220)(112)(311)(103)(222)(311)(222)熔覆层磨损前后X射线衍射图谱结论：1、SMA涂层比基材摩擦系数小、稳定；2、SMA涂层比基材磨痕窄、浅；3、基材为黏着磨损，SMA涂层为磨粒磨损；4、基材磨损量为SMA涂层的3倍。因而，SMA涂层耐磨性能优于基材，摩擦过程中应力驱动奥氏体向马氏体转变是涂层耐磨性能优异的主要原因。0.00.20.40.60.81.0SMA304Wearloss/mg三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层6.耐磨性-6-4-20-1.0-0.50.0E/Vlogi/(Acm-2)Claddinglayer304stainlesssteelFeMnSi极化曲线：SMA涂层SMA合金=304不锈钢。化学侵蚀：304不锈钢固溶后SMA涂层固溶前SMA涂层三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层7.耐蚀性弹性回复角θe为31°，记忆回复角θm为14°，η=θm/(180-θe)×100%=9.4%(a)(b)三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层8.形状记忆效应9.残余应力形状回复率示意图熔覆试样形变程度(a)Co基粉末，(b)自制粉末结论：SMA涂层残余应力小，热应力驱动奥氏体向马氏体转变是残余应力减小的主要原因。10.结论优化工艺参数表面质量优异耐磨性增强耐蚀性优异残余应力低三、Fe-Mn-Si形状记忆合金涂层