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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。
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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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