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镍基合金及其纳米复合材料激光熔覆涂层的研究

作 者: 张世宏
导 师: 李明喜
学 校: 安徽工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: 激光熔覆 纳米CeO2/Sm2O3 组织结构 性能 数值模拟
分类号: TG174.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2007年
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内容摘要


利用激光熔覆技术在低碳钢基体表面制备了纳米和微米CeO2、Sm2O3/Ni基合金激光熔覆层。利用金相显微镜、扫描电镜及X射线衍射仪研究了熔覆层的组织结构;通过显微硬度、电化学和失重腐蚀、滑动磨损等方法进行性能测试。利用非线性瞬态传热理论和弹塑性有限元变形理论,建立镍基合金激光熔覆层三维非线性有限元模型,通过MARC非线性有限元软件模拟了熔覆层的温度场及应力场。结果表明:在适当的工艺参数条件下(P=2.0 kW,V=180 mm/min),加入适量(1.5%)纳米CeO2与Ni基合金粉末经湿球磨后,制备了表面光滑、平整的激光熔覆层。经球磨的纳米CeO2、Sm2O3/Ni基合金熔覆层中合金元素的分布和组织比较均匀。Ni基合金熔覆层的主要相组成为γ-Ni、Cr23C6和Ni3B;加入纳米CeO2的熔覆层出现了CeNi5相;加入Sm2O3的熔覆层出现了Fe7Sm和Ni3Si。1.5%微米CeO2/Ni基合金熔覆层近界面区枝晶为定向生长;1.5%纳米CeO2/Ni基合金熔覆层的组织细小,枝晶方向紊乱;而加入3.0%纳米CeO2的熔覆层近界面区主要表现为致密的放射状枝晶。1.5%微米Sm2O3/Ni基合金熔覆层近界面区组织以枝晶方式生长;而1.5%纳米Sm2O3/Ni基合金熔覆层近界面区即出现了等轴晶。加入稀土氧化物的Ni基合金涂层的平面晶宽度明显减小;纳米CeO2/Ni基合金涂层组织比纳米Sm2O3/Ni基合金的细小。加入纳米CeO2涂层的显微硬度和耐磨性大幅度提高,磨损机理由黏着磨损转变为磨粒磨损。在酸性腐蚀介质中,Ni基合金涂层和微米CeO2/Ni基合金涂层表现为较严重的选择性腐蚀;纳米CeO2/Ni基合金涂层表现为均匀腐蚀;当纳米CeO2的添加量为1.5%时,熔覆层的耐蚀性能大幅度提高。与纳米CeO2相比,纳米Sm2O3对Ni基合金涂层的硬度平均值、相对耐磨性较低,平均腐蚀速率有所增大。在激光比能相同条件下,适当降低扫描速度可减小涂层的平均应力;对工件预热,适当控制两道之间的时间间隔,并且改变扫描路径为从工件中间向两侧对称扫描时,熔覆层的应力集中区较小且平均应力大幅下降。应力产生的第一道裂纹形成主要是在第二道熔覆开始时,与扫描方向成45°角。

全文目录


摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
引言  8-10
第一章 绪论  10-25
  1.1 激光熔覆的研究现状  10-15
    1.1.1 激光熔覆材料  10
    1.1.2 激光熔覆的工艺参数  10-11
    1.1.3 激光熔覆组织性能的研究  11-13
    1.1.4 激光熔覆层的质量  13-15
  1.2 纳米金属基复合材料  15-16
    1.2.1 金属材料表面纳米化的研究现状  15
    1.2.2 激光熔覆纳米复合材料的研究  15-16
  1.3 稀土元素改性激光熔覆层  16-18
  1.4 激光熔覆层的强化机制  18-20
    1.4.1 弥散强化  18-19
    1.4.2 固溶强化  19
    1.4.3 位错强化  19-20
    1.4.4 晶界强化  20
  1.5 激光熔覆层的数值模拟  20-24
    1.5.1 数值模拟的意义及亟待解决的问题  20-21
    1.5.2 激光熔覆温度场及应力场的数值模拟  21-23
    1.5.3 激光熔覆数值模拟的研究现状  23-24
  1.6 选题的意义及主要研究内容  24-25
    1.6.1 本文的研究内容  24
    1.6.2 选题意义  24-25
第二章 试验材料和试验方法  25-28
  2.1 试验材料  25
  2.2 激光熔覆试验  25-26
  2.3 试验方法  26-28
    2.3.1 金相试样制备及显微组织观察  26
    2.3.2 涂层相成分分析  26
    2.3.3 性能试验  26-28
第三章 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的组织与性能  28-55
  3.1 球磨对熔覆材料粒晶的影响  28-29
  3.2 激光熔覆层的表面质量  29-31
  3.3 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的相分析  31-32
  3.4 纳米Ce0_2/Ni基合金激光熔覆层的显微组织  32-41
    3.4.1 球磨混粉对熔覆层组织的影响  33-34
    3.4.2 不同粒度Ce0_2对Ni基合金熔覆层组织的影响  34-36
    3.4.3 纳米Ce0_2含量对Ni基合金熔覆层组织的影响  36-38
    3.4.4 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的搭接区显微组织  38-40
    3.4.5 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的面扫描  40-41
  3.5 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的性能  41-54
    3.5.1 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的显微硬度  41-42
    3.5.2 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的滑动磨损性能  42-44
    3.5.3 纳米Ce0_2/Ni基合金涂层的耐腐蚀性能  44-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的组织与性能  55-73
  4.1 球磨制备纳米Sm_20_3/Ni基合金熔覆材料  55
  4.2 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的相分析  55-57
  4.3 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的显微组织  57-61
    4.3.1 不同粒度Sm_20_3对Ni基合金涂层组织的影响  57-58
    4.3.2 纳米Sm_20_3含量对Ni基合金涂层组织的影响  58-59
    4.3.3 扫描速度对熔覆层组织的影响  59-61
    4.3.4 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的面扫描  61
  4.4 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的性能  61-68
    4.4.1 显微硬度  61-63
    4.4.2 滑动磨损性能  63-65
    4.4.3 纳米Sm_20_3/Ni基合金涂层的耐腐蚀性能  65-68
  4.5 比较Ce0_2与Sm_20_3对组织与性能的影响  68-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章 Ni基合金熔覆层温度场和应力场的数值模拟  73-85
  5.1 模型建立  73-77
    5.1.1 激光熔覆的物理模型  73-74
    5.1.2 几何模型  74
    5.1.3 模型中的约束边界条件  74-75
    5.1.4 热源及控制方程  75-76
    5.1.5 材料热物性参数  76
    5.1.6 数值模拟激光熔覆工艺  76-77
  5.2 结果及分析  77-84
    5.2.1 温度场数值模拟  77-79
    5.2.2 应力场数值模拟  79-84
  5.3 本章小结  84-85
第六章 结论与展望  85-87
  6.1 结论  85-86
  6.2 后续工作展望  86-87
参考文献  87-96
在学研究成果  96-97
致谢  97

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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