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铝合金表面激光熔覆Ni基合金及其摩擦学特性研究

作　者: 余先涛
导　师: 莫易敏
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 铝合金激光表面熔覆稀土摩擦学特性
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文深入研究了铝合金表面激光熔覆Ni基合金的工艺和材料配方,得出了熔覆层激光熔池的流动性是铝合金表面激光熔覆的关键的重要结论,为铝合金表面激光熔覆的激光扫描参数、熔覆层粉末的物理参数和成分配方的确定奠定了基础。本文的研究具体体现在以下方面: 1、理论分析了激光作用下熔覆层粉末材料在基体表面的熔凝过程和成型机理,推导了表现熔覆层主要特征的熔覆层横截面面积和熔覆层稀释率的理论公式,并详细论述了铝合金表面对激光能量吸收率的影响因素和确定方法。 2、提出了铝合金表面激光熔覆参数确定的一般原则,即熔覆层激光熔池流动性控制原则,在此原则下,激光功率密度、扫描速度、熔覆层粉末粒度、预置厚度和粉末成分配方的确定必须使激光熔池具有合适的流动性。 3、对比了不同激光功率密度、扫描速率和不同粉末粒度、粉末预置厚度条件下所形成的熔覆层,确定了铝合金表面激光熔覆的工艺参数范围。 4、通过对多种Ni基金属粉末配方的铝合金表面激光熔覆层断面的显微硬度分布、金相组织图、表面形貌的SEM图和熔覆层的不同部位的元素成分组成的能谱图的分析表明:(1)单一Ni基粉末的的熔覆层气孔和微观裂纹少,熔覆层质量好;(2)WC粉末和Si粉末的添加提高了熔覆层硬度,但它使熔池流动性变差,容易使熔覆层中的气孔增多和出现裂纹,应用中要控制它们的量或添加稀土元素;(3)稀土的添加可以增强熔池的流动性:(4)在粉末配方中,考虑各种元素对熔覆层性能提高的同时,更要考察其对熔池流动性的影响。 5、提出了采用基体预热和改变激光扫描参数解决铝合金表面激光多道熔覆中的基体表面欠熔和过熔问题的方法。 6、利用显微硬度数据、摩擦系数的变化、表面的SEM形貌分析和能谱分析手段对熔覆层进行干摩擦的磨损试验,阐述了熔覆层的磨损机理,评价了不同配方熔覆层的磨损性能,进一步确立了铝合金表面激光熔覆Ni基合金的工艺参数和熔覆层粉末配方。 7、设计了发动机铝合金活塞环槽的激光熔覆加工装置,提出了活塞环槽激光熔覆中的关键技术及其解决办法,获得了活塞环槽的熔覆层及其分析数据。

全文目录

第1章绪论  10-30
  1.1 铝合金材料和热处理工艺的发展  10-14
  1.2 铝合金表面改性强化技术  14-24
    1.2.1 化学转化膜处理  14-16
    1.2.2 铝合金表面金属涂层处理  16-18
    1.2.3 铝合金激光表面强化  18-24
  1.3 铝合金表面激光熔覆中的CO_2激光加工设备  24-28
    1.3.1 TJ-HL-2000激光加工机的工作原理及基本结构  25-28
    1.3.2 激光加工机辅助设备  28
  1.4 本文的主要研究内容  28-30
第2章铝合金表面激光熔覆层的熔凝行为  30-52
  2.1 激光熔覆的横截面分析  30-40
    2.1.1 激光熔覆层横截面分析模型的建立  30-35
    2.1.2 铝合金基体材料的激光热能吸收率  35-40
  2.2 熔覆层合金粉末在激光辐照下的熔凝行为  40-51
    2.2.1 合金粉末的熔凝性  40-45
    2.2.2 激光辐照下合金粉末的熔凝特征  45-51
  2.3 本章小结  51-52
第3章铝合金表面激光熔覆试验设计  52-70
  3.1 引言  52-53
  3.2 铝合金激光表面熔覆层的成分设计  53-56
  3.3 熔覆材料的添加  56-57
  3.4 铝合金表面的预处理  57-59
  3.5 铝合金表面激光熔覆的试验设计  59-60
    3.5.1 铝合金表面激光熔覆的激光工艺参数试验设计  59
    3.5.2 不同熔覆层合金粉末配方的试验设计  59-60
  3.6 试件的制备  60-68
    3.6.1 试验材料的化学成分  60-61
    3.6.2 确定激光扫描参数和粉末配方的试件制备  61-62
    3.6.3 摩擦学特性研究的试件制备  62
    3.6.4 铝合金表面熔覆层激光扫描参数计算  62-64
    3.6.5 文中试件编号  64-68
  3.7 试验设备及试验方法  68-69
  3.8 本章小结  69-70
第4章铝合金表面激光熔覆层形貌及其组织  70-101
  4.1 铝合金表面激光熔覆的形貌及其分析  70-73
  4.2 熔覆层的显微硬度分布与稀释率  73-84
    4.2.1 显微硬度分布  73-83
    4.2.2 熔覆层稀释率  83-84
  4.3 熔覆层金相组织特征  84-92
  4.4 铝合金表面熔覆层的扫描电镜和能谱分析  92-100
  4.5 本章小结  100-101
第5章铝合金表面激光熔覆层摩擦学特性  101-115
  5.1 磨损机理与试验设计  101-102
  5.2 试验结果  102-108
    5.2.1 试验过程中的摩擦系数记录  102-107
    5.2.2 不同配方条件下的试件的表面硬度及其磨损量  107-108
  5.3 试验分析  108-114
    5.3.1 试件磨损后的表面形貌  108-110
    5.3.2 试件表面的扫描电镜和元素成分的能谱分析  110-114
  5.4 本章结论  114-115
第6章铝合金表面激光熔覆Ni基粉末的应用研究  115-124
  6.1 引言  115-117
  6.2 铝活塞环槽激光熔覆工艺  117-119
    6.2.1 活塞的预加工及装夹  117
    6.2.2 合金粉末的添加  117-118
    6.2.3 活塞熔覆中的数控  118-119
  6.3 熔覆层分析  119-123
  6.4 本章小结  123-124
第7章总结与展望  124-126
参考文献  126-134
致谢  134-135
附录一博士期间发表的论文  135-136
附录二博士期间完成的科研项目  136

铝合金表面激光熔覆Ni基合金及其摩擦学特性研究

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