等离子熔覆420不锈钢微观组织及力学性能分析【字数：10531】
在再制造的研究背景下，使用等离子熔覆手段修复某些受损零件，为了确保其修复后的涂层性能能够达到指标，于是本文借助等离子喷焊机制备了等离子熔覆420不锈钢的熔覆层，使用光学显微镜、扫描电镜、硬度计和拉伸性能测试仪研究了在不同的电流参数、不同的热处理制度下熔覆层的显微组织观察以及力学性能。结果表明在熔覆电流为130A时，熔覆层具有较好的稀释率。在淬火温度为1010℃时，熔覆层的组织为板条状马氏体+残余奥氏体+碳化物组成，此时具有较高的硬度约为478HV。在回火温度为500℃时，熔覆层的组织由回火马氏体+M7C3碳化物+少量逆变奥氏体组成，在这个回火温度下，因M7C3的沉淀以及二次硬化，所以使得此时具有较高的硬度以及抗拉强度，分别为506HV与1285.5MPa。最终得出对420不锈钢熔覆层性能增强的较好制度为转弧电流为130A，热处理制度为1010℃淬火+500℃回火的调质处理。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 等离子熔覆技术 1
1.3铁基高温合金 2
1.4研究现状 3
1.5研究内容以及技术路线 4
第二章 实验材料及方法 6
2.1 实验材料 6
2.2 试样制备 6
2.3热处理制度 6
2.4显微组织观察 7
2.5力学性能测试 7
第三章 等离子熔覆420不锈钢熔覆层显微组织观察 8
3.1电流对熔覆层成型质量的影响 8
3.2热处理制度对显微组织的影响 10
3.2.1熔覆层的沉积态组织 10
3.2.2淬火对熔覆层显微组织的影响 10
3.2.3回火对熔覆层显微组织的影响 12
3.3本章小结 13
第四章 等离子熔覆420不锈钢熔覆层力学性能测试 14
4.1硬度 14
4.1.1 热处对熔覆层硬度的影响 14
4.1.2 不同淬火温度对熔覆层硬度的影响 15
4.1.3 不同回火温度对熔覆层硬度的影响 15
4.2拉伸性能 16
4.2.1热处理对熔覆层抗拉强度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的影响 16
4.2.2不同回火温度对熔覆层抗拉强度的影响 16
4.2.3熔覆层的断口形貌分析 17
4.3本章小结 18
第五章 结论 20
参考文献 21
致谢 24
绪论
1.1课题背景
表面工程技术随着现代制造业的发展而成为人们的关注点。表面工程是指表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，以此来改变金属材料表面的物理和力学性能[1]。随着现代制造业的兴起以及迅猛发展，对各种恶劣服役环境下的金属性能的要求日趋严格，甚至苛刻。例如在酸、碱、盐等腐蚀介质性质强的工况下，可以通过对表面改性增强其表面抗腐蚀性替代全部使用抗腐蚀金属；在零件因使用时间较长而造成磨损或损坏的情况下，可以通过表面涂覆来修复，并且能确保其拥有较好的性能[2]。
表面涂层技术是表面工程技术的一种，它是指在基体金属表面涂覆上一层金属层，并且与基体金属有着很好的冶金结合，主要包括热喷涂（焊）、电镀、气相沉积、高能束熔覆[3]。其中高能束熔覆是用高能束（等离子和激光等）作为移动热源，在材料表面熔覆一层由金属粉末（铁基，钴基，镍基）熔化凝固形成表面熔覆层[4]。在现代制造业中，表面涂层技术是再制造的一个分支，它对于在一些恶劣工况下的零件的修复有着很好的效果，其修复的涂层性能目前国内外已有许多研究者对其进行研究[5]。
1.2 等离子熔覆技术
等离子熔覆是指在等离子高能束流辐照下，将同步送到工件表面的合金粉末熔化，并且使工件较浅层同时熔化，在工件表面形成合金熔池，待等离子高能束流移开后，在工件自身的快速热传导以及工件周围空气的辐射传热作用下，合金熔池快速凝固，从而得到成分均匀致密的组织、无显微气孔及裂纹并且同工件形成良好的冶金结合的高质量涂层[6]。熔池金属是一个快速非平衡凝固过程。等离子熔覆过程如图1.1所示。
等离子熔覆技术属于表面改性技术，相较于喷涂、电镀（化学镀）处理、堆焊和气相沉积等传统表面改性技术，它有着如下的优点[7]：
（1）冶金层成形平整光滑，尺寸能够得到精准的控制。一次表面冶金可控制宽度340mm，厚度0.258mm，这是其他堆焊法难以实现的；
（2）等离子束表面冶金前只需要简单的表面预处理，所以其成本低，而且无污染。
（3）冶金层稀释率均匀可控，冶金层成分和组织均匀；
（4）等离子弧温度高可以进行各种材料的表面冶金，尤其是适用于难溶性材料的表面冶金。
（5）工艺稳定性好，对于等离子束表面冶金过程的自动化较易于实现。
与同为熔覆技术的激光熔覆有着如下的两个优点[8]：
（1）两种熔覆技术涂层内在的质量都是均匀致密的，但是等离子熔覆内部无烧蚀，激光内部有烧蚀
（2）等离子熔覆的生产效率高，经济成本低，有研究表明等离子熔覆的设备价格仅是激光熔覆的1/5，但是生产效率确实激光熔覆的610倍，粉末利用率也是激光熔覆24倍，这是由于前者相较于后者有着更高的能量转化效率。
综上所述，选择等离子束作为表面冶金技术，主要是考虑到等离子熔覆冶金结合好，生产效率高，涂层质量平整光滑，无需做过于复杂的预处理这几个优点。
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图1.1等离子熔覆示意图
1.3铁基高温合金
高温合金是指以铁、钴、镍为基，在6001200℃高温下仍能保证良好的表面稳定性和力学稳定性的合金材料[9]。它们在高温下能具有较高的强度，良好的疲劳性能、断裂韧度，以及强的抗氧化和抗热腐蚀性能，并保证良好的组织稳定性和可靠的使用性能等综合性能。按其主要成分分，可以分为铁基，钴基，镍基高温合金。其中铁基的最高服役温度为800℃，钴基的最高服役温度为1100℃，镍基的最高服役温度为1150℃[10]。
铁基体高温合金是一种在600~800℃高温下有一定的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀的材料[11]。它是由奥氏体不锈钢发展而来，主要是在188型不锈钢中加入钼、铌、钛等微量合金元素，其中镍是形成和稳定奥氏体的主要元素,并在时效处理过程中形成Ni3Ti和Ni3Al的沉淀强化相。铬主要用来提高抗氧化性、抗燃气腐蚀性。钼、钨用来强化固溶体。铝、钛、铌用于沉淀强化。碳、硼、锆等元素则用于强化晶界[12]。
铁基高温合金主要组织为：基体为奥氏体，主要的沉淀强化相有γ[Ni3(Ti、Al)]和γ"(Ni3Nb)相两类。此外，还有微量碳化物、硼化物、Laves（如Fe2Mo)相和δ相等[13]。为了获得较为合适的晶粒度，分布合适和大小适合的强化相，有利的晶界状态，使合金具有较为良好的综合性能，合金通常采用的热处理主要是固溶处理和时效处理[14]。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 等离子熔覆技术 1
1.3铁基高温合金 2
1.4研究现状 3
1.5研究内容以及技术路线 4
第二章 实验材料及方法 6
2.1 实验材料 6
2.2 试样制备 6
2.3热处理制度 6
2.4显微组织观察 7
2.5力学性能测试 7
第三章 等离子熔覆420不锈钢熔覆层显微组织观察 8
3.1电流对熔覆层成型质量的影响 8
3.2热处理制度对显微组织的影响 10
3.2.1熔覆层的沉积态组织 10
3.2.2淬火对熔覆层显微组织的影响 10
3.2.3回火对熔覆层显微组织的影响 12
3.3本章小结 13
第四章 等离子熔覆420不锈钢熔覆层力学性能测试 14
4.1硬度 14
4.1.1 热处对熔覆层硬度的影响 14
4.1.2 不同淬火温度对熔覆层硬度的影响 15
4.1.3 不同回火温度对熔覆层硬度的影响 15
4.2拉伸性能 16
4.2.1热处理对熔覆层抗拉强度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
的影响 16
4.2.2不同回火温度对熔覆层抗拉强度的影响 16
4.2.3熔覆层的断口形貌分析 17
4.3本章小结 18
第五章 结论 20
参考文献 21
致谢 24
绪论
1.1课题背景
表面工程技术随着现代制造业的发展而成为人们的关注点。表面工程是指表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，以此来改变金属材料表面的物理和力学性能[1]。随着现代制造业的兴起以及迅猛发展，对各种恶劣服役环境下的金属性能的要求日趋严格，甚至苛刻。例如在酸、碱、盐等腐蚀介质性质强的工况下，可以通过对表面改性增强其表面抗腐蚀性替代全部使用抗腐蚀金属；在零件因使用时间较长而造成磨损或损坏的情况下，可以通过表面涂覆来修复，并且能确保其拥有较好的性能[2]。
表面涂层技术是表面工程技术的一种，它是指在基体金属表面涂覆上一层金属层，并且与基体金属有着很好的冶金结合，主要包括热喷涂（焊）、电镀、气相沉积、高能束熔覆[3]。其中高能束熔覆是用高能束（等离子和激光等）作为移动热源，在材料表面熔覆一层由金属粉末（铁基，钴基，镍基）熔化凝固形成表面熔覆层[4]。在现代制造业中，表面涂层技术是再制造的一个分支，它对于在一些恶劣工况下的零件的修复有着很好的效果，其修复的涂层性能目前国内外已有许多研究者对其进行研究[5]。
1.2 等离子熔覆技术
等离子熔覆是指在等离子高能束流辐照下，将同步送到工件表面的合金粉末熔化，并且使工件较浅层同时熔化，在工件表面形成合金熔池，待等离子高能束流移开后，在工件自身的快速热传导以及工件周围空气的辐射传热作用下，合金熔池快速凝固，从而得到成分均匀致密的组织、无显微气孔及裂纹并且同工件形成良好的冶金结合的高质量涂层[6]。熔池金属是一个快速非平衡凝固过程。等离子熔覆过程如图1.1所示。
等离子熔覆技术属于表面改性技术，相较于喷涂、电镀（化学镀）处理、堆焊和气相沉积等传统表面改性技术，它有着如下的优点[7]：
（1）冶金层成形平整光滑，尺寸能够得到精准的控制。一次表面冶金可控制宽度340mm，厚度0.258mm，这是其他堆焊法难以实现的；
（2）等离子束表面冶金前只需要简单的表面预处理，所以其成本低，而且无污染。
（3）冶金层稀释率均匀可控，冶金层成分和组织均匀；
（4）等离子弧温度高可以进行各种材料的表面冶金，尤其是适用于难溶性材料的表面冶金。
（5）工艺稳定性好，对于等离子束表面冶金过程的自动化较易于实现。
与同为熔覆技术的激光熔覆有着如下的两个优点[8]：
（1）两种熔覆技术涂层内在的质量都是均匀致密的，但是等离子熔覆内部无烧蚀，激光内部有烧蚀
（2）等离子熔覆的生产效率高，经济成本低，有研究表明等离子熔覆的设备价格仅是激光熔覆的1/5，但是生产效率确实激光熔覆的610倍，粉末利用率也是激光熔覆24倍，这是由于前者相较于后者有着更高的能量转化效率。
综上所述，选择等离子束作为表面冶金技术，主要是考虑到等离子熔覆冶金结合好，生产效率高，涂层质量平整光滑，无需做过于复杂的预处理这几个优点。
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图1.1等离子熔覆示意图
1.3铁基高温合金
高温合金是指以铁、钴、镍为基，在6001200℃高温下仍能保证良好的表面稳定性和力学稳定性的合金材料[9]。它们在高温下能具有较高的强度，良好的疲劳性能、断裂韧度，以及强的抗氧化和抗热腐蚀性能，并保证良好的组织稳定性和可靠的使用性能等综合性能。按其主要成分分，可以分为铁基，钴基，镍基高温合金。其中铁基的最高服役温度为800℃，钴基的最高服役温度为1100℃，镍基的最高服役温度为1150℃[10]。
铁基体高温合金是一种在600~800℃高温下有一定的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀的材料[11]。它是由奥氏体不锈钢发展而来，主要是在188型不锈钢中加入钼、铌、钛等微量合金元素，其中镍是形成和稳定奥氏体的主要元素,并在时效处理过程中形成Ni3Ti和Ni3Al的沉淀强化相。铬主要用来提高抗氧化性、抗燃气腐蚀性。钼、钨用来强化固溶体。铝、钛、铌用于沉淀强化。碳、硼、锆等元素则用于强化晶界[12]。
铁基高温合金主要组织为：基体为奥氏体，主要的沉淀强化相有γ[Ni3(Ti、Al)]和γ"(Ni3Nb)相两类。此外，还有微量碳化物、硼化物、Laves（如Fe2Mo)相和δ相等[13]。为了获得较为合适的晶粒度，分布合适和大小适合的强化相，有利的晶界状态，使合金具有较为良好的综合性能，合金通常采用的热处理主要是固溶处理和时效处理[14]。
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