等离子束熔覆gh4169合金的显微组织和力学性能【字数：12603】
等离子束熔覆是一个动态快速非平衡并且伴有强烈物化反应的过程，该技术是再制造工程的关键技术之一。再制造工程是以延长具有高附加价值零件使用寿命为出发点，同时以提升废旧零件表面性能为目的，契合构件循环经济的国家战略需求。等离子熔覆层晶粒生长取向良好，优于铸锻合金力学性能，在发动机和发电机涡轮叶片等零件的修复再制造等方面具有广阔的应用前景。本文以等离子熔覆镍基高温合金涂层为研究对象，主要研究内容有等离子熔覆涂层的制备及组织分析，高温固溶热处理对熔覆层显微组织的影响，低温固溶热处理对熔覆层显微组织的影响，热处理对熔覆层显微组织和力学性能的影响。主要研究结果有采用优化工艺参数可制备成形良好，稀释率低且与基体冶金结合良好的等离子熔覆GH4169高温合金涂层。在熔覆过程中，最大温度梯度方向从熔覆层底部的垂直于基材表面转变为熔覆层顶部的趋近平行于熔覆行走方向。熔覆层从底部到顶部依次为平面晶、柱状晶和等轴晶。通过高温固溶热处理和低温固溶热处理发现，在1150℃下，能够获得更多的形状大小差距相对较小的晶粒；在980℃下，可以获得更多的碳化物和δ相。因此选择较为合适的高温固溶温度为1150℃、低温固溶温度为980℃。对熔覆层进行完全热处理和980STA热处理。发现完全热处理后，熔覆层显微组织为等轴晶、碳化物以及大小不一的晶粒。熔覆层硬度和拉伸性能最佳，拉伸断口为韧性断裂。在经过980STA热处理后，熔覆层中依旧存在少量柱状晶，存在大量等轴晶和碳化物。熔覆层硬度和抗拉强度相对沉积态都有所提高，但都低于完全热处理后的硬度和抗拉强度，拉伸断口为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂。
目录
第一章 绪论 1
1. 1课题背景及研究的目的和意义 1
1. 2等离子束熔覆理论基础及研究现状 3
1. 2. 1等离子束熔覆理论基础 3
1. 2. 2等离子束熔覆的特点 4
1. 2. 3等离子束熔覆涂层特征 5
1. 2. 4研究现状 5
1. 3镍基高温合金概述 5
1. 3. 1镍基高温合金 6
1. 3. 2GH4169研究现状 6
1. 4等离子束熔覆GH4169合金研究近况 7
1. 5本文主要研究内容 8
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章 实验材料及方法 9
2. 1实验材料 9
2. 2试验设备 9
2. 3等离子熔覆工艺参数 9
2. 4等离子熔覆涂层热处理 10
2. 5显微组织分析 10
2. 6力学性能测试 10
2. 7硬度测试 11
第三章 熔覆层微观组织分析 11
3. 1热处理制度 11
3. 1. 1沉积态显微组织 11
3. 1. 2高温固溶温度 12
3. 1. 3低温固溶温度 14
3. 2热处理对熔覆层显微组织的影响 16
3. 3本章小结 17
第四章 力学性能测试 19
4. 1热处理对熔覆层硬度影响 19
4. 2热处理熔覆层拉伸性能的影响 20
4. 3本章小结 22
结论 23
参考文献 24
致谢 26
第一章 绪论
1. 1课题背景及研究的目的和意义
伴随着经济增长，地球资源受到了极大地消耗。随着科学技术的进步，装备全寿命周期管理理论已逐渐受到世界各国的高度重视。在能源动力、航空航天、核工业等众多领域的制造过程中，许多零部件将长期暴露在高温、高压、强腐蚀等工作条件下，对于材料的强度和硬度都有极高的要求。例如在航空航天发动机的使用中，涡轮盘和涡轮叶片将在较长时间内承受很高的应力、极高的温度。在高温高载条件下服役的涡轮盘易于磨损甚至开裂[1]。因此在设计涡轮盘和涡轮叶片时，需要采用在高温条件下仍具有较好表面稳定性的高温合金材料。
再制造是指将废旧机电产品运用高科技手段进行升级改造或专业化修复，使其性能和质量恢复到新品的批量化制造过程[12]。再制造工程，可以使得材料及其制品在使用可靠性、安全性、经济性和耐久性（简称“四性”）方面得到大量提升，加速推进国家“节约资源、节能减排”、“可持续发展”和“保卫地球”发展战略的实施，成功实现我国由中国制造到中国创造的飞跃[3]。
再制造作为一个产业化工程，对材料利用率有一定的要求，各行业零件的结构形状又不尽相同。等离子束熔覆以等离子弧为热源，可以在基体材料表面熔覆合金涂层，以此获得均匀致密，结合牢固的特殊保护涂层，实现涂层与金属基体充分的冶金结合[2,3]。近几年的再制造工程中，等离子束熔覆担任这越来越重要的角色。本文采用等离子束熔覆系统，将镍基高温合金作为等离子束熔覆研究材料，以期为在高温高压环境下零部件的再制造工程提供理论支撑和实验依据。
1. 2等离子束熔覆理论基础及研究现状
1. 2. 1等离子束熔覆理论基础
等离子束熔覆技术是采用等离子束为热源，使金属表层获得优异的耐热、耐磨、耐腐蚀等性能的新型材料表面改性技术[4]。该技术是将熔覆腔体作为正极，钨极为负极形成非转弧回路，工作时将稀有气体（多为氩气）匀速送入腔体内，经过电流击穿，原本存在于腔体内部的部分原子的部分电子被激发游离形成等离子体，因此在喷嘴与钨极之间形成了非转移弧（小弧）；然后工件接正极形成了新的回路，在低压高频的电源激发下，工件与钨极之间形成了转移弧（大弧），大弧在高压气体的热压缩、喷嘴机械压缩、带电粒子带来的磁压缩这三种效应下共同形成了高密度的等离子体；在高温等离子体为热源的同时，等离子弧中心将匀速送进合金粉末并熔化，在工件表面形成合金熔池；待高能束流束移开后，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，因而形成了成分均匀、组织细密、性能良好的高质量涂层。等离子弧形成原理如图11所示。
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图11 等离子弧形成原理
1. 2. 2等离子束熔覆的特点
等离子束熔覆作为基于表层堆焊、热喷涂、激光熔覆等研究下发展起来的一种新型的熔覆层制备技术，工作时具有过饱和固溶强化、弥散强化和沉淀强化等多种强化效应；能够获得均匀致密、性能良好的特殊保护涂层。与传统涂层熔覆方法相比，等离子束熔覆具有以下优点[3]：
可控制激光输入的能量，以此来控制基材的稀释率，来保证熔覆层和材料表面很好的冶金结合，同时使得材料表面组织及性能几乎不变，
熔覆过程中等离子束能量密度高，加热和冷却速度快，熔覆层组织均匀致密。
熔覆时对周围环境，设备要求不高，实验可在各种环境下进行
等离子束熔覆效率高，可以节约大量贵重金属，技术成本低，性价比较高。
目录
第一章 绪论 1
1. 1课题背景及研究的目的和意义 1
1. 2等离子束熔覆理论基础及研究现状 3
1. 2. 1等离子束熔覆理论基础 3
1. 2. 2等离子束熔覆的特点 4
1. 2. 3等离子束熔覆涂层特征 5
1. 2. 4研究现状 5
1. 3镍基高温合金概述 5
1. 3. 1镍基高温合金 6
1. 3. 2GH4169研究现状 6
1. 4等离子束熔覆GH4169合金研究近况 7
1. 5本文主要研究内容 8
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章 实验材料及方法 9
2. 1实验材料 9
2. 2试验设备 9
2. 3等离子熔覆工艺参数 9
2. 4等离子熔覆涂层热处理 10
2. 5显微组织分析 10
2. 6力学性能测试 10
2. 7硬度测试 11
第三章 熔覆层微观组织分析 11
3. 1热处理制度 11
3. 1. 1沉积态显微组织 11
3. 1. 2高温固溶温度 12
3. 1. 3低温固溶温度 14
3. 2热处理对熔覆层显微组织的影响 16
3. 3本章小结 17
第四章 力学性能测试 19
4. 1热处理对熔覆层硬度影响 19
4. 2热处理熔覆层拉伸性能的影响 20
4. 3本章小结 22
结论 23
参考文献 24
致谢 26
第一章 绪论
1. 1课题背景及研究的目的和意义
伴随着经济增长，地球资源受到了极大地消耗。随着科学技术的进步，装备全寿命周期管理理论已逐渐受到世界各国的高度重视。在能源动力、航空航天、核工业等众多领域的制造过程中，许多零部件将长期暴露在高温、高压、强腐蚀等工作条件下，对于材料的强度和硬度都有极高的要求。例如在航空航天发动机的使用中，涡轮盘和涡轮叶片将在较长时间内承受很高的应力、极高的温度。在高温高载条件下服役的涡轮盘易于磨损甚至开裂[1]。因此在设计涡轮盘和涡轮叶片时，需要采用在高温条件下仍具有较好表面稳定性的高温合金材料。
再制造是指将废旧机电产品运用高科技手段进行升级改造或专业化修复，使其性能和质量恢复到新品的批量化制造过程[12]。再制造工程，可以使得材料及其制品在使用可靠性、安全性、经济性和耐久性（简称“四性”）方面得到大量提升，加速推进国家“节约资源、节能减排”、“可持续发展”和“保卫地球”发展战略的实施，成功实现我国由中国制造到中国创造的飞跃[3]。
再制造作为一个产业化工程，对材料利用率有一定的要求，各行业零件的结构形状又不尽相同。等离子束熔覆以等离子弧为热源，可以在基体材料表面熔覆合金涂层，以此获得均匀致密，结合牢固的特殊保护涂层，实现涂层与金属基体充分的冶金结合[2,3]。近几年的再制造工程中，等离子束熔覆担任这越来越重要的角色。本文采用等离子束熔覆系统，将镍基高温合金作为等离子束熔覆研究材料，以期为在高温高压环境下零部件的再制造工程提供理论支撑和实验依据。
1. 2等离子束熔覆理论基础及研究现状
1. 2. 1等离子束熔覆理论基础
等离子束熔覆技术是采用等离子束为热源，使金属表层获得优异的耐热、耐磨、耐腐蚀等性能的新型材料表面改性技术[4]。该技术是将熔覆腔体作为正极，钨极为负极形成非转弧回路，工作时将稀有气体（多为氩气）匀速送入腔体内，经过电流击穿，原本存在于腔体内部的部分原子的部分电子被激发游离形成等离子体，因此在喷嘴与钨极之间形成了非转移弧（小弧）；然后工件接正极形成了新的回路，在低压高频的电源激发下，工件与钨极之间形成了转移弧（大弧），大弧在高压气体的热压缩、喷嘴机械压缩、带电粒子带来的磁压缩这三种效应下共同形成了高密度的等离子体；在高温等离子体为热源的同时，等离子弧中心将匀速送进合金粉末并熔化，在工件表面形成合金熔池；待高能束流束移开后，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，因而形成了成分均匀、组织细密、性能良好的高质量涂层。等离子弧形成原理如图11所示。
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图11 等离子弧形成原理
1. 2. 2等离子束熔覆的特点
等离子束熔覆作为基于表层堆焊、热喷涂、激光熔覆等研究下发展起来的一种新型的熔覆层制备技术，工作时具有过饱和固溶强化、弥散强化和沉淀强化等多种强化效应；能够获得均匀致密、性能良好的特殊保护涂层。与传统涂层熔覆方法相比，等离子束熔覆具有以下优点[3]：
可控制激光输入的能量，以此来控制基材的稀释率，来保证熔覆层和材料表面很好的冶金结合，同时使得材料表面组织及性能几乎不变，
熔覆过程中等离子束能量密度高，加热和冷却速度快，熔覆层组织均匀致密。
熔覆时对周围环境，设备要求不高，实验可在各种环境下进行
等离子束熔覆效率高，可以节约大量贵重金属，技术成本低，性价比较高。
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