加工工艺对等离子束熔覆gh4169合金的微观组织和力学性能的影响【字数：13666】
等离子束流的热量集中，使得熔覆层与基体冶金相容性良好，连接强度较高，熔覆涂层组织均匀致密，具有良好的综合力学性能，使其成为绿色再制造工程技术的核心技术之一。本文面向再制造工程，以等离子熔覆GH4169合金涂层为研究对象，主要研究内容有熔覆层横截面与纵截面的组织差异；热处理对熔覆层横截面和纵截面组织以及析出相的影响；熔覆层沿熔覆方向与沿搭接方向的力学性能比较以及热处理对熔覆层力学性能的影响。采用优化后的工艺参数可获得成形良好、无缺陷且与基体冶金结合良好的等离子束熔覆GH4169合金涂层。在熔覆过程中，最大温度梯度方向从底部垂直于基材表面方向转变为沿焊道熔覆方向。熔覆层横截面上从与基材冶金结合处到熔覆层顶部方向，依次形成了平面晶、胞状树枝晶和等轴晶形态组织。熔覆层的纵截面上，从与基材冶金结合处到熔覆层顶部方向，依次形成了平面晶、垂直于基体方向的胞状树枝晶以及平行于基体方向的树枝晶形态组织。熔覆层底部大部分柱状晶因最大温度梯度影响而沿<100>方向定向生长。熔覆层内析出相包括Laves相和MC碳化物颗粒相，均偏聚大量Nb元素。经过完全热处理，晶粒严重长大，部分柱状晶转化成了等轴晶；经980STA热处理，柱状晶得到了细化，等轴晶数量增加；Laves相中的Nb回溶到了奥氏体基体中，析出了尺寸约为20nm的主强化相γ(Ni3Nb)相。沉积态试样的硬度约为181.5HV，比较而言，980STA态试样的硬度增加了59.9%，完全热处理态试样的硬度增加了104%；完全热处理熔覆层的室温拉伸强度达845MPa，980STA热处理熔覆层的室温拉伸强度达750MPa，均高于沉积态熔覆层的570MPa；热处理前后，沿熔覆方向的抗拉强度都要高于沿搭接方向的抗拉强度。对熔覆层进行热处理，能显著提升其力学性能。不论是热处理态还是沉积态，断口形貌中的韧窝都沿着枝晶生长方向定向排列，都属于韧性穿晶断裂，组织的形态引起熔覆层力学性能各向异性，热处理并没有消除熔覆层的各向异性。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 等离子熔覆技术 1
1.2.1 等离子熔覆的原理 1
1.2.2 等离子熔覆的特点 2
1.2.3 等离子熔覆技术发展现状 2
1.3 GH4169高温合金简介 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.4 GH4169熔覆层研究进展 3
1.5 课题研究内容和技术路线 4
2. 试验材料与方法 4
2.1 试验材料 5
2.2 等离子熔覆工艺参数 5
2.3 等离子熔覆层的热处理 5
2.4 材料表征 6
2.4.1 显微组织分析 6
2.4.2 显微硬度测试 6
2.4.3 力学性能测试 6
3. 熔覆层的微观组织分析 8
3.1 沉积态下熔覆层的微观组织 8
3.1.1 沉积态下熔覆层的析出相 8
3.1.2 熔覆层横截面的微观组织生长特征 9
3.1.3 熔覆层纵截面的微观组织生长特征 11
3.2 热处理态下熔覆层的微观组织 12
3.2.1 熔覆层经完全热处理后的微观组织 12
3.2.2 熔覆层经980STA热处理后的微观组织 14
3.3 本章小结 14
4. 熔覆涂层的力学性能分析 16
4.1 熔覆层的硬度 16
4.2 熔覆层的拉伸性能 17
4.3 断口形貌分析 18
4.4 本章小结 20
5. 结论 22
参考文献 23
致谢 25
绪论
1.1 课题背景
近年来，工业生产上一些重要零部件需要在极高的温度以及复杂的应力环境下服役很长一段时间，在这种情况下，这些至关重要的零部件极易产生疲劳开裂或者表面失效等安全隐患，造成的经济损失严重制约着国民生产总值的增长。随着我国的科学技术的不断进步以及发展，我国已经进入了机电设备报废高峰期[13]。为此，发展绿色再制造工程迫在眉睫，乃大势所趋。
绿色再制造工程也称为再制造，这一概念是由我国再制造工程领域知名专家、中国工程院院士徐滨士教授首次提出[34]。其中等离子熔覆技术是绿色再制造工程技术的核心技术之一[56]。
等离子熔覆技术是一种高效实用的材料表面强化技术，其操作简单，生产效率高于其他普通的喷涂技术[7]，易于实现机械化、自动化等优点。再者，等离子束流的热量集中，使得熔覆层与基体冶金相容性良好，连接强度较高，熔覆涂层组织均匀致密，具有良好的综合力学性能[89]。因此，利用等离子熔覆技术，对失效的零部件的表面熔覆具有高强度且具有很好表面稳定性的高温合金涂层具有重大意义。本文以等离子堆焊系统作为研究平台，以GH4169镍基高温合金作为研究对象，主要研究单层多道焊的熔覆涂层的各向异性性能，比较熔覆涂层在横、纵方向上的组织与力学性能方面的主要特点，以探究较合适的工艺参数以及较好的机械力学性能。
1.2 等离子熔覆技术
1.2.1 等离子熔覆的原理
等离子熔覆技术是利用水冷系统的喷嘴来限制电弧直径，以转移弧作为热源获得高能量密度的等离子弧，并以合金粉末材料进行的表面冶金方法。等离子束的阴极电极和喷嘴（阳极）这两部分，分别被连接到负极和正极，工作气体通过等离子束流，利用高频高压引弧装置引燃电弧，在机械压缩、热压缩和磁压缩综合作用下从喷嘴射出一个温度极高，能量密度非常集中，速度极快的等离子射流。合金粉末进入等离子射流后被瞬间加热并加速，形成粒子射线，粒子的状态为熔融或半熔融状态，喷射到待加工零件的表面，在其表面发生熔融、混合、凝固等物理化学变化过程，最终达到和零件表面产生良好的冶金结合效果。
1.2.2 等离子熔覆的特点
等离子熔覆技术具有以下特点[1013]：
（1）等离子焰流热量高度集中，温度可达10000℃以上，它提供了使所有材料都能熔化的必要条件，因此它特别适用于难熔材料的熔覆。
（2）等离子焰流气氛可控，可以使还原性气体和惰性气体等作为工作气体，这样就能比较可靠地保护工件及熔覆材料不被氧化，因此它特别适用于易氧化的活性材料的熔覆，所得的熔覆涂层是比较纯洁的。
（3）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能
（4）冷却速度较快，熔覆层组织有快速凝固的特征。
（5）操作便捷，生产效率较高，易于实现机械自动化，减少劳动力。
等离子熔覆基于上面的特点，无论是涂层与工件表面的结合强度，还是涂层本身的强度、密度和纯洁度，以及熔覆时的沉积效率和沉积率都很高。
有研究[79,14]表明，相比于激光熔覆，等离子弧设备简单，成本很低，生产效率高，粉末利用率高，对工作环境也没有特殊要求，因此等离子熔覆技术是一种实际应用很好的熔覆方法[7]。
1.2.3 等离子熔覆技术发展现状
国内外对等离子熔覆技术制备涂层的研究较多，如乔金士[15]等人采用等离子熔覆了Ni60和 Ni60+35%WC 两种涂层，试验结果表明：WC的加入，细化了组织，使得显微硬度提高了120HV0.2左右；WC的加入降低涂层的耐腐蚀性，但使得Ni60涂层的抗氧化性略有提高。夏丹[16]等人使用微束等离子弧熔覆了Ni基合金，结果表明：随着扫描速度的增加，熔池趋向不稳定，粉末飞溅率增加，同时热影响区减小，组织得到细化，稀释率降低，其熔覆层表面硬度先增加后减小，出现最佳峰值。肖强[17]等利用等离子熔覆技术制备出含增强相WC、Ti(C,N)的镍基复合熔覆层，结果表明：加WC的涂层显微硬度有了极大提高；增强相在涂层中有明显地提升摩擦磨损性的作用；对基体进行熔覆制备复合涂层可以提高材料的抗冲击性能和抗拉强度。
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 等离子熔覆技术 1
1.2.1 等离子熔覆的原理 1
1.2.2 等离子熔覆的特点 2
1.2.3 等离子熔覆技术发展现状 2
1.3 GH4169高温合金简介 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
1.4 GH4169熔覆层研究进展 3
1.5 课题研究内容和技术路线 4
2. 试验材料与方法 4
2.1 试验材料 5
2.2 等离子熔覆工艺参数 5
2.3 等离子熔覆层的热处理 5
2.4 材料表征 6
2.4.1 显微组织分析 6
2.4.2 显微硬度测试 6
2.4.3 力学性能测试 6
3. 熔覆层的微观组织分析 8
3.1 沉积态下熔覆层的微观组织 8
3.1.1 沉积态下熔覆层的析出相 8
3.1.2 熔覆层横截面的微观组织生长特征 9
3.1.3 熔覆层纵截面的微观组织生长特征 11
3.2 热处理态下熔覆层的微观组织 12
3.2.1 熔覆层经完全热处理后的微观组织 12
3.2.2 熔覆层经980STA热处理后的微观组织 14
3.3 本章小结 14
4. 熔覆涂层的力学性能分析 16
4.1 熔覆层的硬度 16
4.2 熔覆层的拉伸性能 17
4.3 断口形貌分析 18
4.4 本章小结 20
5. 结论 22
参考文献 23
致谢 25
绪论
1.1 课题背景
近年来，工业生产上一些重要零部件需要在极高的温度以及复杂的应力环境下服役很长一段时间，在这种情况下，这些至关重要的零部件极易产生疲劳开裂或者表面失效等安全隐患，造成的经济损失严重制约着国民生产总值的增长。随着我国的科学技术的不断进步以及发展，我国已经进入了机电设备报废高峰期[13]。为此，发展绿色再制造工程迫在眉睫，乃大势所趋。
绿色再制造工程也称为再制造，这一概念是由我国再制造工程领域知名专家、中国工程院院士徐滨士教授首次提出[34]。其中等离子熔覆技术是绿色再制造工程技术的核心技术之一[56]。
等离子熔覆技术是一种高效实用的材料表面强化技术，其操作简单，生产效率高于其他普通的喷涂技术[7]，易于实现机械化、自动化等优点。再者，等离子束流的热量集中，使得熔覆层与基体冶金相容性良好，连接强度较高，熔覆涂层组织均匀致密，具有良好的综合力学性能[89]。因此，利用等离子熔覆技术，对失效的零部件的表面熔覆具有高强度且具有很好表面稳定性的高温合金涂层具有重大意义。本文以等离子堆焊系统作为研究平台，以GH4169镍基高温合金作为研究对象，主要研究单层多道焊的熔覆涂层的各向异性性能，比较熔覆涂层在横、纵方向上的组织与力学性能方面的主要特点，以探究较合适的工艺参数以及较好的机械力学性能。
1.2 等离子熔覆技术
1.2.1 等离子熔覆的原理
等离子熔覆技术是利用水冷系统的喷嘴来限制电弧直径，以转移弧作为热源获得高能量密度的等离子弧，并以合金粉末材料进行的表面冶金方法。等离子束的阴极电极和喷嘴（阳极）这两部分，分别被连接到负极和正极，工作气体通过等离子束流，利用高频高压引弧装置引燃电弧，在机械压缩、热压缩和磁压缩综合作用下从喷嘴射出一个温度极高，能量密度非常集中，速度极快的等离子射流。合金粉末进入等离子射流后被瞬间加热并加速，形成粒子射线，粒子的状态为熔融或半熔融状态，喷射到待加工零件的表面，在其表面发生熔融、混合、凝固等物理化学变化过程，最终达到和零件表面产生良好的冶金结合效果。
1.2.2 等离子熔覆的特点
等离子熔覆技术具有以下特点[1013]：
（1）等离子焰流热量高度集中，温度可达10000℃以上，它提供了使所有材料都能熔化的必要条件，因此它特别适用于难熔材料的熔覆。
（2）等离子焰流气氛可控，可以使还原性气体和惰性气体等作为工作气体，这样就能比较可靠地保护工件及熔覆材料不被氧化，因此它特别适用于易氧化的活性材料的熔覆，所得的熔覆涂层是比较纯洁的。
（3）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能
（4）冷却速度较快，熔覆层组织有快速凝固的特征。
（5）操作便捷，生产效率较高，易于实现机械自动化，减少劳动力。
等离子熔覆基于上面的特点，无论是涂层与工件表面的结合强度，还是涂层本身的强度、密度和纯洁度，以及熔覆时的沉积效率和沉积率都很高。
有研究[79,14]表明，相比于激光熔覆，等离子弧设备简单，成本很低，生产效率高，粉末利用率高，对工作环境也没有特殊要求，因此等离子熔覆技术是一种实际应用很好的熔覆方法[7]。
1.2.3 等离子熔覆技术发展现状
国内外对等离子熔覆技术制备涂层的研究较多，如乔金士[15]等人采用等离子熔覆了Ni60和 Ni60+35%WC 两种涂层，试验结果表明：WC的加入，细化了组织，使得显微硬度提高了120HV0.2左右；WC的加入降低涂层的耐腐蚀性，但使得Ni60涂层的抗氧化性略有提高。夏丹[16]等人使用微束等离子弧熔覆了Ni基合金，结果表明：随着扫描速度的增加，熔池趋向不稳定，粉末飞溅率增加，同时热影响区减小，组织得到细化，稀释率降低，其熔覆层表面硬度先增加后减小，出现最佳峰值。肖强[17]等利用等离子熔覆技术制备出含增强相WC、Ti(C,N)的镍基复合熔覆层，结果表明：加WC的涂层显微硬度有了极大提高；增强相在涂层中有明显地提升摩擦磨损性的作用；对基体进行熔覆制备复合涂层可以提高材料的抗冲击性能和抗拉强度。
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