镍基非晶复合涂层纳米压痕性能研究(附件)【字数：11261】
摘 要摘 要表面改性技术是采用化学、物理方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能，包括耐磨、耐蚀以及抗氧化能力等的一类热处理技术，该技术现已被广泛应用于工业生产中。激光熔覆技术是材料表面改性其中一种技术，可以在低成本材料表面熔覆一层性能较好涂层，从而改变基体材料的各种特性。本试验采用自动送粉方法在45#低碳钢表面激光熔覆Ni基合金粉末制备非晶复合涂层，并使用超景深数码显微镜和纳米压痕仪对涂层进行组织观察和纳米压痕性能测试，较为系统地研究了不同热输入下激光涂层显微组织及性能特征的影响。实验结果表明，Ni基合金粉末激光熔覆涂层显微组织，在基体/熔覆层界面生成了平面晶，胞状晶和柱状树枝晶，随后发生柱状晶向等轴晶生长转变，在熔覆层中部主要由非晶相、NbC颗粒相以及等轴晶相组成。对比基体硬度，纳米压痕下涂层中非晶相最多，同时有高强度、高硬度的金属间化合物NbC等化合物存在，因而增强了材料的硬度。关键词激光熔覆，Ni基，非晶涂层，显微组织，纳米压痕
目录
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2课题研究目的及意义 1
1.3国内外发展现状 1
1.3.1激光熔覆 1
1.3.2激光熔覆材料体系 4
1.3.3非晶材料 7
1.3.4纳米压痕技术 9
第二章 试验设备及试验方法 11
2.1激光熔覆镍基非晶涂层的制备实验 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2熔覆粉末 11
2.1.3涂层制备工艺 11
2.2激光熔覆镍基非晶复合涂层组织观察 12
2.2.1试样腐蚀 12
2.2.2涂层宏观组织观察 13
2.2.3涂层微观组织 13
2.3激光熔覆镍基非晶复合涂层显微硬度测试 13
2.4激光熔覆镍基非晶复合涂层纳米压痕性能测试 14
第三章 试验结果与分析 15
3.1 激光熔覆涂层宏观组织分析 15
3.2 激光熔覆涂层微观组织分析 16
3.2.1不同位置涂层组织分析 16
3.2.2不同热 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
输入下涂层中部区域微观组织分析 18
3.3激光熔覆涂层力学性能分析 20
3.3.1涂层到基体的显微硬度分析 20
3.3.2涂层区域纳米压痕性能分析 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
第一章 绪 论
1.1引言
众所周知，材料的发展应用并不一定能百分百的满足工业技术上的应用。因为不同的材料有其不同的优点与缺点，比如有些材料的耐蚀性优异但极容易发生断裂。还有些材料极其容易被氧化而且自身硬度不高，在生产应用中存在很大缺陷[12]。为此，为了更好地利用材料，应运而生出对材料表面进行改性的技术。其中，最为突出的技术就是激光熔覆技术。
在火电厂、航空航天和武器系统等[34]领域经常发生高温腐蚀造成的材料失效。因此，为提高耐腐蚀性，提出了不同的制备表面涂层的方法，包括等离子体喷涂、高速氧燃料喷涂和激光熔覆等[57]。通过激光熔覆制得的涂层和基材之间是冶金结合，其含氧量、孔隙率以及稀释率都较低，是最有前景的方法之一。
1.2课题研究目的及意义
最近几年来，由于不断涌现出强功率、强性能激光装备，和大量的先进的技术密切相关的激光熔覆技术逐渐吸引了美国、德国等发达国家的眼球而受到高度重视。同时在时下流行的如能源、电子、航空航天、汽车等诸多领域迅速的发展起来。通过激光熔覆在制造、修复或再制造各种工业零部件过程中，我们能很明显的看到工件表面的物理化学性能得到显著改善，这也就大大地延长了工件的使用寿命从而使成本极度的降低。高度集中的激光能量密度，激光涂层的稀释率受到基体材料影响极其小的，进而极大地保证了涂层组织性能的优异性。由于高精度、高可靠性、适合于多种精密零件和失效零部件的表面处理、熔覆材料众多，激光熔覆工艺的应用范围越来越广泛并大面积地应用在各种先进制造技术。
1.3国内外发展现状
1.3.1激光熔覆
激光熔覆是以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料且用高密度能量激光束辐射加热让其与基体表面熔化并快速凝固达到基体与表面涂层为冶金结合的工艺过程[8]。激光熔覆具有以下优势：
(1) 高密度激光能量，快速加热，影响基材热效应较小且对工件变形影响小。
(2)控制激光的输入能量降低基材稀释率进而保持原材料的优异性能。
(3)熔覆涂层与基材之间是冶金结合且组织细小。
(4)涂层粉末种类多。
(5)熔覆可实行自动化，且表面性能稳定，可控涂层成分和厚度。
因为优点众多，激光熔覆在材料表面改性方面十分受到重视。多道搭接和多层叠加是大面积激光熔覆主要工艺方法。当中多层叠加是在基体上先进行一次熔覆，然后进行二次粉末预置。等干燥粉末后进行二次熔覆，以此类推完成多层熔覆。
深究激光熔覆技术以来，熔覆材料的开发和熔覆工艺研究以及熔覆硬件系统设计等方面，激光熔覆技术在国内外一直受到研究。在二十世纪七八十年代中期，国外激光熔覆技术还是在缓慢发展。稀土特有的电子层结构和活性很大程度提高了工艺性能和技术性能。而且我国是稀土大国，因而，稀土的优良特性提高了材料表面特性。
发展近半个世纪的激光熔覆技术是材料表面改性技术的之一，现已进入了工业化中。广泛应用在航空航天等领域且获得很好经济和社会效益。目前，激光熔覆的应用有以下几个方面：
Rolls Royce公司的代替钨极氩弧焊堆焊技术不仅解决了涡轮发动机叶片开裂问题且极大缩短工作时间。Toyota公司的铝合金气缸上激光熔覆铜基结果显著增强了耐磨粒磨损和粘着磨损的能力。文献[9]报道了真空感应焊和等离子喷涂被激光熔覆工艺。NiCrBSi和CoCrW合金涂层熔覆在内燃机排气阀，既避免了涂层微裂纹和孔洞且显著提升了涂层显微硬度。同时，排气阀的耐磨和耐蚀性能提高好几倍。
工具钢的表面硬度、耐磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等性能经过激光熔覆处理后显著提升并且提高了工件的使用寿命。比如熔覆高温耐磨涂层在轧钢导向板上后寿命较之普通碳钢导向板提高到了4倍以上；若相比整体的4Cr5MoVSi导向板轧钢能力提高一倍以上大大减少了待机时间。极大地提高了产品质量与产量且降低了生产成本等。
目录
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2课题研究目的及意义 1
1.3国内外发展现状 1
1.3.1激光熔覆 1
1.3.2激光熔覆材料体系 4
1.3.3非晶材料 7
1.3.4纳米压痕技术 9
第二章 试验设备及试验方法 11
2.1激光熔覆镍基非晶涂层的制备实验 11
2.1.1基体材料 11
2.1.2熔覆粉末 11
2.1.3涂层制备工艺 11
2.2激光熔覆镍基非晶复合涂层组织观察 12
2.2.1试样腐蚀 12
2.2.2涂层宏观组织观察 13
2.2.3涂层微观组织 13
2.3激光熔覆镍基非晶复合涂层显微硬度测试 13
2.4激光熔覆镍基非晶复合涂层纳米压痕性能测试 14
第三章 试验结果与分析 15
3.1 激光熔覆涂层宏观组织分析 15
3.2 激光熔覆涂层微观组织分析 16
3.2.1不同位置涂层组织分析 16
3.2.2不同热 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
输入下涂层中部区域微观组织分析 18
3.3激光熔覆涂层力学性能分析 20
3.3.1涂层到基体的显微硬度分析 20
3.3.2涂层区域纳米压痕性能分析 21
结 论 25
致 谢 26
参 考 文 献 27
第一章 绪 论
1.1引言
众所周知，材料的发展应用并不一定能百分百的满足工业技术上的应用。因为不同的材料有其不同的优点与缺点，比如有些材料的耐蚀性优异但极容易发生断裂。还有些材料极其容易被氧化而且自身硬度不高，在生产应用中存在很大缺陷[12]。为此，为了更好地利用材料，应运而生出对材料表面进行改性的技术。其中，最为突出的技术就是激光熔覆技术。
在火电厂、航空航天和武器系统等[34]领域经常发生高温腐蚀造成的材料失效。因此，为提高耐腐蚀性，提出了不同的制备表面涂层的方法，包括等离子体喷涂、高速氧燃料喷涂和激光熔覆等[57]。通过激光熔覆制得的涂层和基材之间是冶金结合，其含氧量、孔隙率以及稀释率都较低，是最有前景的方法之一。
1.2课题研究目的及意义
最近几年来，由于不断涌现出强功率、强性能激光装备，和大量的先进的技术密切相关的激光熔覆技术逐渐吸引了美国、德国等发达国家的眼球而受到高度重视。同时在时下流行的如能源、电子、航空航天、汽车等诸多领域迅速的发展起来。通过激光熔覆在制造、修复或再制造各种工业零部件过程中，我们能很明显的看到工件表面的物理化学性能得到显著改善，这也就大大地延长了工件的使用寿命从而使成本极度的降低。高度集中的激光能量密度，激光涂层的稀释率受到基体材料影响极其小的，进而极大地保证了涂层组织性能的优异性。由于高精度、高可靠性、适合于多种精密零件和失效零部件的表面处理、熔覆材料众多，激光熔覆工艺的应用范围越来越广泛并大面积地应用在各种先进制造技术。
1.3国内外发展现状
1.3.1激光熔覆
激光熔覆是以不同的添加方法在被熔覆的基体上放置选择的涂层材料且用高密度能量激光束辐射加热让其与基体表面熔化并快速凝固达到基体与表面涂层为冶金结合的工艺过程[8]。激光熔覆具有以下优势：
(1) 高密度激光能量，快速加热，影响基材热效应较小且对工件变形影响小。
(2)控制激光的输入能量降低基材稀释率进而保持原材料的优异性能。
(3)熔覆涂层与基材之间是冶金结合且组织细小。
(4)涂层粉末种类多。
(5)熔覆可实行自动化，且表面性能稳定，可控涂层成分和厚度。
因为优点众多，激光熔覆在材料表面改性方面十分受到重视。多道搭接和多层叠加是大面积激光熔覆主要工艺方法。当中多层叠加是在基体上先进行一次熔覆，然后进行二次粉末预置。等干燥粉末后进行二次熔覆，以此类推完成多层熔覆。
深究激光熔覆技术以来，熔覆材料的开发和熔覆工艺研究以及熔覆硬件系统设计等方面，激光熔覆技术在国内外一直受到研究。在二十世纪七八十年代中期，国外激光熔覆技术还是在缓慢发展。稀土特有的电子层结构和活性很大程度提高了工艺性能和技术性能。而且我国是稀土大国，因而，稀土的优良特性提高了材料表面特性。
发展近半个世纪的激光熔覆技术是材料表面改性技术的之一，现已进入了工业化中。广泛应用在航空航天等领域且获得很好经济和社会效益。目前，激光熔覆的应用有以下几个方面：
Rolls Royce公司的代替钨极氩弧焊堆焊技术不仅解决了涡轮发动机叶片开裂问题且极大缩短工作时间。Toyota公司的铝合金气缸上激光熔覆铜基结果显著增强了耐磨粒磨损和粘着磨损的能力。文献[9]报道了真空感应焊和等离子喷涂被激光熔覆工艺。NiCrBSi和CoCrW合金涂层熔覆在内燃机排气阀，既避免了涂层微裂纹和孔洞且显著提升了涂层显微硬度。同时，排气阀的耐磨和耐蚀性能提高好几倍。
工具钢的表面硬度、耐磨性、红硬性、高温硬度、抗热疲劳等性能经过激光熔覆处理后显著提升并且提高了工件的使用寿命。比如熔覆高温耐磨涂层在轧钢导向板上后寿命较之普通碳钢导向板提高到了4倍以上；若相比整体的4Cr5MoVSi导向板轧钢能力提高一倍以上大大减少了待机时间。极大地提高了产品质量与产量且降低了生产成本等。
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