00Cr13Ni4Mo不锈钢水轮机叶片激光表面改性研究（可编辑）

00Cr13Ni4Mo不锈钢水轮机叶片激光表面改性研究（可编辑） 分 类 号学号 M201070738学校代码 10487 密级 硕 士 学 位 论 文 00Cr13Ni4Mo 不锈钢水轮机叶片的 激光表面改性研究 学位申请 人 : 江 桦锐 学科专业 : 材料 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师 : 黄开金 副 教授 答 辩 日 期 : 2012 年 5 月 26 日1 A Thesis Submitted in Partial Fulfilment of the equirements for the Degree of Master of Engineering Laser Surface Modification of 00Cr13Ni4Mo Hydro Turbine Blade Stainless Steel Candidate :Jiang Huarui Major: Materials Engineering Supervisor : Associate Prof. Huang KaijinHuazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, //.na May, 20122 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下 进行的研究工 作及取得的研 究成果。尽我所知,除 文中已经标明引用的内 容外,本论文不包含任 何其他个人或 集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和 集体,均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期:年月日 学 位 论 文 版 权 使用 授 权 书 本学位论文作者完全 了 解学校有关保留、使 用 学位论文的规定,即 : 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学 可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关 数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密? ,在_____ 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密? 。? (请在以上方框内打“?” ) 学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月日 日期:年月日 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 为了进一步提高 00Cr13Ni4Mo 不锈钢水轮机叶片的耐磨损和耐腐蚀性能, 本文 利用激光表面改性技术, 在水轮机叶片表面制 备了 Ni60 添加氮化物 (TiN 、CrN)和 碳化物 (WC ) 涂层, 研究了涂层的物相、 组织、 显微硬度、 耐磨性 和耐蚀性, 分析 了不同陶瓷相含量对激光表 面改性涂层的组织和性能的影响。 激光表面改性实验的最佳工艺 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 :激光功率为 2.5kW ,扫描速度 为 5mm/s , 光斑直径为 4.5mm 。Ni60 添加 TiN 的激光合 金化层有分层现象, 表面为团聚 TiN 颗 粒组织, 硬度很高。 与不锈钢基体相比, 添加 10%TiN 合金化层的磨 损失重从 110 mg 2 2 降低到 1.2 mg , 在 3.5wt%NaCl 溶液中的 自腐蚀电流从 480 nA/cm 降低 到 128 nA/cm , 自腐蚀电位从-468.1 mV 升高到-380.3 mV 。 但是当 TiN 含量越高, 颗粒团聚现象越 严重, 表面粗糙度增大导致点蚀作用加 剧, 耐蚀性反而降低。Ni60 添加 CrN 合金化 层组织致密,硬度较低,添加 20%CrN 合金化 层的磨损失重为 3.2 mg ,Ni 基固溶体 中由于 Cr 含量的增加 ,有效削弱了电偶腐蚀的 作用,在 3.5wt%NaCl 溶液中的自腐 2 蚀电流为 51 nA/cm ,自腐蚀电位为-287.1 mV ,耐蚀性大幅提高。综合性能最优是 Ni60+20%CrN 激光合 金化涂层。 Ni60 激光熔覆层的磨损失重为 7.6 mg ,在 3.5wt%NaCl 溶液中的 自腐蚀电流为 2 387 nA/cm ,自腐蚀电位为-359.2 mV 。Ni60 添加 15%WC 熔覆层的 硬 度大幅提高, 磨损失重为 2.5 mg ,但是耐蚀性大幅降低。在添加 WC 的基础上,再 添加 TiN 增加 了熔覆层中硬质陶瓷相 的含量,两种陶瓷相的 弥散分布进一步提高了 熔覆层的硬度 和耐磨性,当 TiN 添加 量为 30% 时,磨损失重只有 0.2 mg 。 组织间的 腐蚀作用有所 削弱使耐蚀性有一定提高, 但是电偶腐蚀作用严重, 耐蚀性比纯 Ni60 熔覆层差。 在 添加 WC 的基础上, 再 添加 CrN 熔覆层的硬度比 Ni60+15%WC 熔覆层低, 耐磨性也 有所降低,但是当 CrN 的添加量达到 30% 时,熔覆层致密,磨损 失重为 2.8 mg 。Ni 基固溶体中由于 Cr 含量的 增加 , 有效削弱了电偶腐蚀作用, 大幅提高了熔覆层的耐 2 蚀性, 在 3.5wt%NaCl 溶液中的自腐蚀电流为 219 nA/cm , 自 腐蚀 电位为-440.5 mV 。 综合性能最优是 Ni60+15%WC+30%CrN 激光熔覆层。 关 键词 : 激光 材料加工 ;00Cr13Ni4Mo 水轮机叶片; 涂层; 耐磨性; 耐蚀性 I 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract To improve the wear and corrosion resistance of 00Cr13Ni4Mo hydro turbine blade stainless steel, the Ni60 coatings adding carbideTiN or CrN and nitrideWC were fabricated on its surface, whose phase, microstructure, microhardness, wear and corrosion resistance were investigated. Furthermore, we analysed the influence of different ceramic phase contents on the microstructure and performance of the coatingsThe optimized laser power, scanning velocity and laser spot diameter in this thesis were 2.5kW, 5mm/s and 4.5mm, respectively. The laser alloying coating of Ni60+TiN was obviously stratified and the top layer was consisted of agglomerated TiN particles with high microhardness. Compared with 00Cr13Ni4Mo stainless steel matrix, the wear weight loss of the Ni60+10%TiN alloyed coating reduced from 110 mg to 1.2 mg, the corrosion 2 2 current in 3.5wt.%NaCl solution decreased from 480 nA/cm to 128 nA/cm , while the corrosion potential increased from -468.1 mV to -380.3 mV. However, the higher the content of TiN, the more serious the particle agglomeration, with the enhancing pitting corrosion leading to bad corrosion resistance because of increased roughness The laser alloying coating of Ni60+CrN was dense. Compared with stainless steel matrix, the wear weight loss of the Ni60+20% CrN alloyed coating reduced from 110 mg 2 to 3.2 mg, the corrosion current in 3.5wt.%NaCl solution decreased from 480 nA/cm to 2 51 nA/cm , while the corrosion potential increased from -468.1 mV to -287.1 mV. The laser alloying coating of Ni60+20%CrN offered the most optimal comprehensive performanceThe wear weight loss of Ni60 coating was 7.6 mg, while the corrosion current in 2 3.5wt.%NaCl solution was 387 nA/cm and the corrosion potential was -359.2 mV. The microhardness of the coating increased after adding 15%WC and resulted in the decrease of wear weight loss from 7.6 mg to 2.5 mg, but the corrosion resistance reduced greatlyThe microhardness and wear resistance of the coating improved when WC and TiN were added at the same time. The wear weight loss was 0.2 mg when the added content of TiN reached 30%. The corrosion resistance of the coating improved comparing to that of Ni60+15%WC coating because of the weakened intergranular corrosion, but it was still II 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 poorer than that of pure Ni60 coating because of serious galvanic corrosion. The microhardness and wear resistance of the coating decreased with addition CrN compared with addition of WC, the wear weight loss was 2.8 mg when the added content of CrN reached 30%. Galvanic corrosion of Ni-based solid solution weakened due to the increase of chromium and the corrosion resistance of the coating enhanced as well. The corrosion 2 current in 3.5wt.%NaCl solution was 219 nA/cm and the corrosion potential was -440.5 mV. So, the composition of the optimized laser cladding coating was Ni60+15%WC+30%CrN Keywords :Laser materials processing; 00Cr13Ni4Mo hydro turbine blade; coating; wear resistance; corrosion resistance III 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘要I AbstractII 1 绪 论 1.1 水轮机 叶片的 破坏机制1 1.2 水轮机 叶片的 常用 强化 和修复 方 法及其优 缺点. 3 1.3 激光表 面处理 技术在叶 片基材 表 面的研究 现状. 4 1.4 合金粉 末和陶 瓷粉末的 选择 8 1.5 本文的 研究内 容、目的 和意义 10 2 实 验材料和实验方法 2.1 基体材 料和粉 末的预磨 和预涂 12 2.2 激光实 验的工 艺参数. 14 2.3 测试表 征方法 及相关设 备14 3 Ni60 添加氮 化物的激 光合金化层的物相 、组织和性能 3.1 Ni60 添加 TiN 合金化层 的物相 、 组织和性 能16 3.2 Ni60 添加 CrN 合金化层 的物相 、 组织和性 能. 29 3.3 本章小 结. 43 4 Ni60 添加氮 化物 和 WC 激光熔覆层的物 相、组织和性能 4.1 Ni60 熔 覆层的 物相和组 织. 45 IV 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.2 Ni60 添加 WC 熔覆层的 物相和 组 织 48 4.3 添加 TiN 对 Ni60+WC 熔覆层组织 和性能的 影响51 4.4 添加 CrN 对 Ni60+WC 熔覆层组织 和性能的 影响68 4.5 本章小 结. 80 5 结 论. 82 展望 83 致谢 84 参考文 献 85 附录 1 攻 读硕士学位期间 发表的论文89 V 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 水 轮机 叶片的破坏机 制 多年以来,全球对于水 能的开发越来越深入, 特别是三峡这类 超大型 水电站 的 建设,有效地利用了清 洁可再生的水资源。水 轮机作为动力机械在水 力发电中具有 重要作用,而江河水中 环境复杂,存在大量泥 沙和电解质,对水轮机 叶片会造成严 重威胁,冲刷 磨 损 、 空 蚀 和 点 蚀 是 水 轮 机 过 流 部 件 的 主 要 破 坏 形 式 , 因 此 , 既 需 要 继续研究耐磨耐蚀的过 流部件材料和表面涂层 保护技术,又需要对已 经受损的过流 部件进行修复。 1.1.1 冲 刷 磨损 江河水中的磨损颗粒主要是石英砂,而石英砂的主要成分是 SiO , 它的莫氏硬 2 度为 7 , 当水流挟带悬移质泥沙和推移质泥沙运动时, 具有一定动能的硬质沙粒对水 [1-2] [3] 轮机 叶片 表面 反复 冲刷 和切 削 。Hutchings 等将斜 射粒 子对 靶面 造成 的破 坏分为 球粒的犁削和多角粒子 的 切 削两种,它们的形 状不同,犁削类似于犁 对土地造成的 沟形凹坑,长度大于宽 度,材料被挤到沟侧面 ,有的会随粒子冲击成 为屑 片脱离母 体;切 削是 在凹坑出口端堆积材料, 凹坑两侧却几乎不出现变形。 [4] 张晓峰等 在 讨论二体 磨损和三体磨损的关系时 , 提到磨损机制主要包括 磨粒磨 损 、 粘着磨损 、 疲 劳 磨 损 和 腐 蚀 磨 损 等 , 其 中 磨 粒 磨 损 造 成 的 损 失 最 大 , 在 二 体 磨 损研究基础上, 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出 常见的磨损模型,包括 切削模型、临界应变模 型、层剥理论 和犁沟模型等。固体相 互 接触 磨损 时 , 由 于 摩 擦 的 机 械 作 用 引 起 表 层 材 料 的 剥 离 而 造成损伤,在这个过程 中,对磨材料相互之间 的硬度和耐磨性对磨损 表面有决定性 的影响。 一般来说, 耐磨性较差的一面表现为 磨粒磨损, 如图 1.1 , 耐磨性较好的一 面 表现为 粘着磨损, 如图 1.2。 因此, 提高水轮机叶片表面的耐磨性, 是降低磨损破 坏最直接有效的方法。 1 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1.1 磨 粒磨 损表 面特 征 图 1.2 粘 着磨 损表 面特 征 1.1.2 空蚀 、点蚀 及其协 同作 用 当局部位置流速很快, 以至于其静压强低于液 体汽化压强时,液体内 会迅速 形 成无数个小空泡,气泡 主要是水蒸气以及少量 水中析出的气体,随着 压力降低,空 2 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 泡不断长大,单相流变 成双向流,气泡随液体 到达压强高的区域时就 会破灭,产生 3 -3 很大的冲击压强, 冲击压强可达 10 MPa , 溃灭时间大约为 10 s , 其空间被周围液体 迅速充填,造成很大 的 冲 击 压 力 , 快 速 的 微 射 流 在 极 短 的 时 间 内 就 完 成 对 于 叶 片 表 [5] 面的定向冲击, 这样反复作用就 在水轮机叶片表面 形成空蚀坑 。 空蚀可以加速冲刷磨损 作用 ,因为在空泡形成 和溃灭时产生高速微射 流,使 水 [6] 中的砂粒 速度加快, 必然导致冲刷磨损作用的加剧 。 冲刷磨损与空蚀联合作 用的损耗量随含砂浓度 的增加而增加 , 二 者 相 互 促 进 。 一般情况下,当含砂量 很少 时,空蚀 作 用 是 主 导 ,叶片表面呈现空蚀 的 形貌 特征; [7] 当含砂量较 大时,冲刷磨损 是主导,叶片表面呈现冲刷磨损 的形貌特征 。 空蚀可以加速腐蚀作用 ,材料在腐蚀的过程中 通常会形成一些妨碍腐 蚀 继 续 进 行的钝化膜或者沉淀, 但是空蚀作用能将这些 不稳定的钝化膜破坏掉 ,从而可以使 腐蚀作用继续进行 ; 腐 蚀 也 可 以 加 速 空 蚀 作 用 , 绝 大 部 分 金 属 在 腐 蚀 的 情 况 下 受 到 疲劳破坏比没有腐蚀作 用时要快得多,腐蚀作 用使表面形成的一系列 腐蚀区域,造 成叶片表面粗糙度增加 ,增大了空泡产生的几 率,还可以使空泡溃灭 时的力学冲击 [8] 作用更加集中,导致空蚀作用加剧 。 还有一种关注比较少的 水轮机叶片的破坏形式 就是点蚀作用。江河水 中虽然 平 均 Clˉ 含量很低, 但是 由于蚀孔表面 的钝化膜和沉淀阻碍了孔内外离子的迁移, 孔内 2+ 溶解的 金属 离子 不易 向 外扩散 ,造 成 Fe 等 阳离子 浓度 增加 ,为 了 保持电 中性 ,孔 [9] 外 Clˉ 向孔内迁移, 造 成孔内 Clˉ 大量聚集, 达到一定含量之后就会导致点蚀 。 目前 对于水轮机叶片材料和表面处理技术的研究中,对于耐 Clˉ 点蚀作用 的考虑非常少, 只是通过提高 Cr 和 Ni 的含量以提高耐腐蚀的性能, 其含量太高又导致 硬度降低, 再通过添加硬质陶瓷相提高硬度, 但是又会由 于电化学腐蚀作用使耐腐蚀性能降低。 所以选择既具有高硬度 高耐磨性,又具有良好 耐腐 蚀性特别是耐点蚀 的材料运用在 水轮机叶片表面的保护和修复中,具有 重要的意义。 1.2 水 轮机 叶片的常用 强 化和 修复方法 及其 优缺点 在水轮机叶片表面 强 化 和 修复技术中,目前最 常见的方法是堆焊和热 喷涂, 二 者也是当前实际工业应 用中制造和修复大型水 轮机部件的常用技术, 其他方法如等 离子喷涂、超音速喷涂、化学镀、离子渗氮和表面淬火等。 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 [10] Chauhan 等 在 材 质 为 21Cr-4Ni-N 水 轮 机 叶 片 表 面 用 热 喷 涂 技 术 分 别 制 备 Stellite-6、Cr3C2-NiCr 和 WC-Co-Cr 涂层, 冲蚀磨损结果表明,Stellite-6 涂层在 30? 和 90 ?冲蚀入射角时失重最大,而 WC-Co-Cr 涂层在 30?冲蚀入射角时失重最小, 90? 冲蚀入射角时冲蚀 破坏比 30?冲蚀入射角时更严重,并指出孔隙率很大程度上 影响了冲蚀失重。 [11] Kenichi 等 分别应用 热喷涂、电弧喷涂、喷雾融合方法在 SCS6 钢材表面制备 WC 基合金涂层, 并掺 入 Ni 、Cr 、Co 或者 CrC 等粉末, 分别测试其泥浆磨损和空蚀 性能。 结果指出, 当冲 蚀入射角为 60?时失重最大, 各喷涂层的耐磨性能相比 SCS6 基体都有大幅度提高, 耐磨性依赖于喷涂层的 硬度,但是硬度对于耐 空蚀性能影响 不大, 而且 孔洞密度越小,耐空蚀能力越高。 [12] Lin 等 在 AlSl 1045 钢材表面应用化学镀制备一层 Ni-P-SiC 涂层, 在蒸馏水和 3.5%NaCl 溶液中进行空蚀测试, 结果表明纳米级 SiC 的掺入可以有 效抑制空蚀过程 中点蚀的发生,空蚀率也 大幅降低,而微米级 SiC 却加大了涂层 初始表面粗糙度, 也导致了较大的空蚀失重。在动电位极化曲线测试中,两者没有明显差别。 [13] 姜胜利等 在基体为 CrMnN 不锈钢表面制备 CrMnB 堆焊涂层,利 用旋转圆盘 仪对堆焊涂层在不同砂 粒粒径的流体中测试其 抗空蚀和冲刷磨损能力 ,得出大粒径 时材料损伤受空蚀的影 响很大,小粒径时空蚀 的影响较小,在空蚀与 冲刷磨损共同 作用下 , 小粒径时为点坑形的冲蚀破坏机制, 大粒径时则为犁 削叠加铲削破坏机制。 [14] 马光等 在水轮机叶片 材料表面利用喷 涂 技术制备 Ni67 和 Ni60/WC 涂层,对 两种涂层的微观组织及 冲蚀磨损、空蚀性能进 行研究。涂层孔隙率较 低,结合比较 好,耐冲蚀磨损能力很 好,但是由于结合力不 足以抵抗空蚀冲击力, 所以喷涂层的 耐空蚀能力不好。如何提高喷涂层的结合强度是亟待解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 通过 上面 的 分析 可知 , 喷涂技术 所 得 的 涂 层 与 基 体 结 合 强 度 较 差 , 容 易 造 成 剥 离等现象,因此不能明 显提高耐 磨 性 能 和 耐 腐 蚀 性 能 ; 堆焊技术 处 理 过 程 中 对 基 材 的 热 影响较大 , 基 材 稀 释 率 较 高 。 因 此 需 要 发 展 新的 水轮机叶片表面 强化 和 修复 技 术, 其中激光表面处理技术 就是其中一种。 1.3 激 光表 面处理技术 在 叶片 基材表面的研 究现状 激光具有高亮度、高方 向性的特点,金属表面 可经过激光处理而显著 地提高 硬 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 度、强度、耐磨性和耐 蚀性等,激光表面处理 技术 是传统处理技术的 发展和补充。 其中激光熔覆过程的实质是高能激光束与表面合金粉末相互作用时, 粉末 快速熔化, 并在基材表面快速冷却 形成 熔覆 层 的 过 程 , 因 为 这 一 过 程 时 间 很 短 , 远 离 平 衡 态 , 过热度和过冷度远大于 常规热处理,可以使材 料在激光辐照区中形成 晶粒高度细化 的组织结构和较小的变 形,可以得到常规加工 方法很难获得的 极 高 的 表 面 硬 度 和 耐 [15~17] 磨性 。 1.3.1 激光 重熔 激光 重熔 是 在 惰 性 气 体 保 护 下 , 利 用 基 体 吸 热 作 用 形成薄的熔化层, 使熔池 中 的金属液以极快的速度冷却、 凝固, 可以细化 组织, 减少偏析, 提高材料表面耐磨、 [18,19] 耐蚀、抗氧化性能等 。 [20] 张友寿等 利用激光重熔技术 处理1Cr18Ni9Ti 不锈钢, 目 的 是 提 高 奥 氏 体 不 锈 钢在介质中耐晶间腐蚀能力,激光器为国产JH-03 固体脉冲激光器,扫描速度为 2mm/s ,光斑直径为1~1.2mm ,重熔深度为0.2~0.4mm ,电压为780V ,激光波长为 1.06μm ,脉冲 宽度 为7ms , 脉 冲 频 率 为每 秒3次,利用HZ-1A 型全自动电化学测试仪 测试其在0.5 mol/L H SO 水溶液的阳极极化曲线。 作者指出,1Cr18Ni9Ti 的主要组成 2 4 相为等轴奥氏体,激光 熔化处理后转变成奥氏 体和铁素体双相组织, 这使材料的抗 点腐蚀和晶间腐蚀的能力均有不同程度的提高, 激光表面快速熔凝处 理可细化晶粒, 基本消除了晶界和晶内夹杂的碳化物, 从而激 光熔凝层抗晶间腐蚀的性能有所提高。 [21] 宋诗哲等 采用连续波CO 激光器对2Cr13 不锈钢进行激光表面重熔处 理,输出 2 功率为1.4kW , 扫 描 速 度 为20mm/s , 利 用 阳 极 极 化 曲 线 测 试 其 钝 化 膜 的 稳 定 性 , 单 道 扫 描 处 理 的2Cr13 马 氏 体 不 锈 钢 在 硫 酸 及 含 氯 离 子 硫 酸 介 质 中 的 钝 性 及 钝 化 膜 稳 定性明显提高,重熔快 凝的微晶结构减小了组 织的不均匀性,从而减 少了诱发局部 腐蚀的根源,此外,激 光处理改善了第二相分 布,减少杂质含量, 使 材料耐局部腐 蚀能力明显增强。 激光 重熔可以 提 高 材 料 表 面 耐 磨 、 耐 蚀 、 抗 氧 化 性 能 等 , 但 是 其 硬 度 、 耐 磨 耐 蚀性等主要性能主要还 是取决于基体材料本身 ,处理后性能提高的幅 度并不大,效 果并不十分明显。 1.3.2 激 光 表面合 金化 激光表面合金化工艺是 利用激光使基体表面薄 层熔 化的同时加入一种 或多种 合 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 金元素,合金元素向熔 化区内扩散,并与基体 表面薄层一起快速凝固 ,形成具有一 [22] 定深度、成分及组织的合金化层,使材料表面具有预定的高合金的特性 。 [23] Lo 等 使用Nd:YAG 固体激光器在S31600 不锈钢表面制备金属基复合涂层, 其中 WC 颗粒的体积含量为3~28% , 激光功率为1~1.6kW , 扫描速度为15mm/s , 光斑直径 为4mm 或5mm 。其中WC 的体积含量为9% 的合金化层的耐空蚀性能最好,达到了基 体的10.7倍,WC 颗粒 会诱导基体开裂,在空 蚀条件下也会有剥落,但是更主要的是 提高了硬 度。 [24] Kwok 等 使用2.5kW CW Nd:YAG 固体激光器在AISI 1050 不锈钢 表面将预喷涂 的Al 合 金 再 熔 化 制 备 合 金 化 涂 层 , 激 光 功 率 为1.2kW , 扫 描 速 度 分 别 为15mm/s 和 35mm/s , 合金化层深度 分别为0.48mm 或0.27mm , 稀释率分别为69% 或44% , 合金化 层显微组织细小,硬度提高一倍多,耐空蚀和耐点蚀 性能显著提高。 [25] 张伟等 对 2Cr13 汽轮机叶片冲蚀区进行激光熔覆修复和合金强化修复,扫描 5 6 2 速度为 500~600 mm/min , 激光熔覆功率密度为:10 ~10 W/cm , 对 熔覆区 域表面再 3 2 进 行 激 光合 金 化的 功 率密 度 为 :8×10 W/cm 。修 复 层 和强 化 层的 组 织都 非 常 致密 、 没有裂纹、气孔等缺陷,修复层平均硬度为 350HV , 合 金 强 化 层 平 均 硬 度 为 0.2 800HV , 修复层和合 金强化层的耐磨损性能比叶片基体分别提高了 1 倍和 3 倍以上, 0.2 修复层和合金强化层的耐气蚀性能比基体分别提高了 0.5 倍和 2 倍以上。 主要原因 为 C 、Cr 等原子进入 Fe 的晶格引起晶格畸变, 强度增加, 抵抗冲击疲劳能力 大幅加强, 以及晶粒细化。 激光合金化工艺能在基 体表层形成具有一定深 度、成分及组织的合金 化层, 使 材料表面具有预定的高 合金 的特性,实际应用 效果比激光熔凝更好, 但是其合金化 层的厚度一般都比较薄 ,而在水轮机叶片的应 用环境中,切削和空蚀 点蚀作用非常 严重,一旦合金化程度 最高的表层失效之后, 基体被破坏的速率将 大幅 加快,合金 化层不能达到长期有效的保护。 1.3.3 激 光 熔覆 [26] Vilar 等 在Ni 基 单 晶 超 耐 热 涡 轮 叶 片 表 面 采 用 激 光 熔 覆 技 术 制 备 出 一 层 NiCrAlY 单晶涂层,CO 激光器激光功率为1.8kW ,扫描速度为10mm/s ,光斑直径为 2 -4 2mm ,送粉速率为2.4×10 kg/s ,研究了基体和涂层的微观组织形成机制和晶粒取向 等问题,证 明 了 涂 层 和 基 体 相 似 度 越 高 的 材 料 组 份 采 用 激 光 熔 覆 技 术 可 以 使 涂 层 与 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 基体结合良好,并能增加其耐氧化的性能。 [27] 柳娟等 在航 空 发动 机涡 轮 叶片K403 合金 表面 激 光熔 覆StelliteX-40合 金 粉末 , 并运用脉冲调制技术, 成功的制备出综合性能 与基体相当,无裂纹无 叶片变形的熔 覆层,硬度提高5% , 大幅提高了发动机涡轮叶片的抗冲击性和耐磨性。 [28] 徐松华 等 利 用 激 光 熔 覆 技 术 以ZSG-F800 镍 基 合 金 粉 末 修复 直 升 机 四 级 涡 轮 导向器受损叶片,激光 功率为1~2kW ,扫描速度为2~15mm/s ,光斑直径为1~3mm , 层厚为0.2~0.6 mm , 得到组织细密, 与基体呈良好冶金结合且无明显微观裂纹的熔覆 层,修复区组织细小致密无明显缺陷。 [29] Rafa 等 采用1.2kW CO 激光器,在汽轮机叶片表面分别用Ni 基Metco 16C 粉末 2 和Co 基Stellit SF6 粉末制备熔覆层, 激光功率为750~900W , 送粉率为0.05~0.2g/s,扫 描速度为8~15mm/s , 光 斑直径为1mm , 熔覆前 分别将基体预热温度为500 ?和720?, 获得性能较好的无裂纹的熔覆层, 由于基体的 预热导致了一部分铁迁移到熔覆层中, 这对材料的硬度和耐磨耐蚀性有比较大的影响。 [30] Kathuria 将Co 基stellite 6L 合金熔覆在SUH600-N 汽 轮 机 叶 片 表 面 , 采 用5kW CO 激光器, 激光功率 为1.8kW , 分别进行了 不同作用时间的 熔覆实验, 结果表明激 2 光作用时间越短可以使 组织更细,硬度更高, 稀释率更低。还指出激 光的热影响会 诱导组织变化,材料沉积 和稀释。 [31] 杨胶溪等 采用 Rofin2 Sinar CW 025 YAG 激光器,激光器功率为1.15 kW ,扫 描速度为4~6mm/s , 送 粉速率为8~11g/min , 搭接率为50% , 在材质为2Cr13 马氏体不 锈 钢 的 汽 轮 机 汽 蚀 叶 片 表 面 激 光 熔 覆Ni2Cr2B2Si 自熔性合金,熔覆 层与基体冶金结 合牢固,无气孔和裂纹等缺陷,熔覆层硬度度可达45~50 HRC , 组 织主 要 是C Ni 、 2 Cr C 、Ni B 、Ni B 以及少量的Cr B 和Cr Si 。 从基体到涂层的过渡区两侧,Fe 、Cr 元 7 3 2 3 2 3 素呈明显降低趋势,Cr 元素在熔覆层有波动, 是因为Cr 在熔覆层中主 要以Cr C 硬质 7 3 相形式存在,而 Ni 、Si 元素呈升高趋势。 激光熔覆工艺的特点则 是利用激光的能量将合 金粉末快速熔化 , 再 在 基 体 表 面 快速冷却,其间对基体 的热影响非常小,基体 变形开 裂 等 问 题 可 以 得 到 有 效 控 制 , 合金熔覆层与基体又能 达到冶金结合; 熔 覆 层 厚 度 增 加 ,而且熔覆层 的 成分 和组织 均匀, 消除了表层失效后会造成加速破坏的问题; 合金粉末的选择范围也 大幅扩大, 很多与基体相容性较差 的合金元素也能加入到 熔覆层中,这 在 提 高 熔 覆 层 的 硬 度 、 耐磨耐蚀性等物理化学性能 方面有较大优势。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.4 合 金粉 末和 陶瓷 粉末 的选择 在表面处理领域中,除 了离子渗氮和表面淬火 等方法以外,大多数方 法都需 要 添加合金粉末或陶瓷粉 末,这些添加相要么硬 度较高,要么耐磨性较 好,要么耐腐 蚀性较好, 有些添加相的综合性能非常理想, 既能起到强化作用, 又能使组织细化, 还具有很好的耐磨耐蚀性能。 1.4.1 自 溶 性合金 粉末 Ni 基、Co 基和 Fe 基自 熔性合金粉末因其优异的综合性能而得到广泛使用。 [32] 宋武林等 在45钢表面 激光熔覆中通过调整Fe 基合金粉末中Ni 、 Mo 和Co的含量 讨论了不同成分对熔覆 层的开裂敏感性、硬度 和热膨胀系数等做了详 细对比, 并指 出激光熔覆层的残余拉 应力是其开裂的主要原 因,而这种残余应力主 要来自三个方 面:热应力,相变应力和拘束应力 ,其中热应力可以表示为:σ E×Δα×ΔT/1-ν , th 当熔覆层热膨胀系数小 于基材时,Δα0?σ 0 ,即此时热应力为压 应力,将可以减 th 小熔覆层开裂敏感性。 [33] 任爱国 等 针对石油行 业特点, 在7种不同的基材 (1Cr18Ni9Ti 、45钢淬火、45 钢正火处 理、2Cr13 正 火处理、38CrMoAl 正 火处理、35CrMo 正火 处理、40Cr 正火处 理 ) 表面 进 行激 光熔 覆实 验 ,用 自 配的Ni基和Co 基 合金 粉末 , 研究 不同 工 艺下 熔 覆 层的裂纹、硬度和耐磨 性,指出耐磨性只表明 试件对对磨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 轮的抗 磨性,而与试 件表面的硬度并不一定成正比。 [34] 娄德元等 在A3 钢表 面激光熔覆Ni 基和Co 基合金粉末, 用极化曲线、 浸泡实验 和电化学阻抗谱研究不 同熔覆层的耐腐蚀性能 ,在稀硫酸溶液中的耐 腐蚀用途上可 以用镍基涂层代替钴基 涂层以节约稀缺资源, 随着稀硫酸浓度的增加 ,熔覆层的耐 腐蚀性能有下降趋势,但钝化膜形成更快更致密。 1.4.2 陶 瓷 粉末 常用的陶瓷相粉末包括 碳化物、氧化物、氮化 物、硅化物、硼化物等 ,还包 括 一些稀土氧化物。其中 最常见也 是 应 用 最 成 熟 性 能 最 可 靠 的 就 是 碳 化 物 陶 瓷 粉 末 , 比如 WC 、SiC 、Cr C 、ZrC、BC 、TiC 、TaC 、NbC 等;其他一些常用的陶瓷粉末 3 2 如氧化物陶瓷 Al O 、CaO 、MgO 、ZrO 等; 氮化物陶瓷如 Si N 、BN 、ZrN 、AlN 、 2 3 3 4 TiN 等; 硼化物陶瓷如 CrB 、TiB 、CaB 等。 特点都是硬度很 高, 耐磨性能很好, 也 2 6 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 具有一定的耐腐蚀性能 。因为表面处理技术一 般都具有较高的 温度, 所以陶瓷粉末 的选择一般都需要考虑 高温稳定性好、硬度较 高、耐磨耐蚀性 较好等 方面。 一些常 见的氮化物的物理化学性能见表 1.1。 [35] 表 1.1 常见氮 化物 的几项 物理化 学性 能 -3 物质 密度/g.cm 熔点/ ? 硬度 分解性 BN 立方 2.25 3000 莫氏 9.8 3000? 升华 分解 2 TaN 13.4 3090 1100kg/mm 2000?释放 N 2 2 VN 6.13 2320 1310kg/mm 碱性环 境释 放 N 2 2 ZrN 7.09 2960 1520kg/mm 700? 被氧 化 2 CrN 6.14 1280 1090kg/mm 1280 ? 分解 Si N 3.18 1900 莫氏 9 1900 ? 分解 3 4 AlN 3.76 - 莫氏 8 2500? 升华 分解 ,遇 水分 解 NbN 8.47 2300 莫氏 8 空气 中 500~800 ? 分解 TiN 5.43 3200 莫氏 9 - [36] Acker 等 在低碳不锈 钢基体表面激光熔覆 Ni-WC/W C 涂层, 研究 了不同粒径 2 的 WC 颗粒对熔覆层耐磨性的影响,指出熔覆层的耐磨性取决于磨损机制,与硬度 大小没有直接线性关系。Al O 作为磨损材料 时, 当颗粒粒径减小时, 熔覆层中碳化 2 3 物增多, 摩擦系数呈对 数降低从而耐磨性提高;SiC 作为磨损材料时, 碳化物增加摩 擦系数略有降低, 熔覆层中 Ni 基的磨损作用更明显; 在滑动磨损测试中, 存在碳化 物的熔覆层的耐磨性相比 Ni 基熔覆层提高了 200 倍, 而碳化物的粒 径大小对耐磨性 的影响不大。 [37] 李志远等 在低碳钢表 面激光熔覆 Co 基合金涂层及 TiN/Co 基合金复合涂层, 研究了两种涂层的组织、 显微硬度以及滑动磨损性能。TiN 的加入可以显著改变熔覆 层 的 组 织 形 貌, 细 化 熔覆 层 的 组 织 ,明 显 抑 制枝 晶 生 长 , 使组 织 等 轴化 。 加 入 TiN 可提高 Co 基合金涂层显微硬度和耐磨性。 [38] 张庆茂等 在 45 钢表 面利用激光熔覆技术原位合成 ZrC 增强金属基 涂层, 对熔 覆层的微观组织做了相 应的表征,结果显示显 微组织多 为 树 枝 晶 型 的 亚 共 晶 组 织 , 熔覆层与基体的界面处是以马氏体相变为特征的冶金结合, ZrC 颗粒 分散于枝晶间和 枝晶内,形成了一些 复合 碳化物。 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 [39] 张春华等 利用连续 波 CO 激光器分别 在 H13 钢表面激光熔覆 NiFeBSi-Si N 2 3 4 和 NiFeBSi 合金, 考察了 Si N 对 NiFeBSi 合金组织及腐蚀性能的影响。 激光熔覆层 3 4 与 H13 钢基体形成了良好的冶金结合,Si N 改性熔覆层呈细密的枝晶状组织, 无孔 3 4 洞裂纹等缺陷。电化学 极化曲线测试结果显示 腐蚀电位正移,钝化电 流密度减小, 钝化区电位范围拓宽, 说明 Si N 的加入有效 地改 善了 NiFeBSi 合金层在工业脱模剂 3 4 中的抗腐蚀性能,延缓了孔蚀的发生。 通过对已有研究的分析 以及对合金粉末的物理 化学性能的筛选,在自 溶性合 金 粉末方面选择 Ni60,因为其性能优异而且价格相对较低;在陶瓷相添加物方面, 以 往的研究多从碳化物和 氧化物之中考虑,氮化 物考虑较少,主 要是因 为多数氮化物 并不稳定, 从表 1.1 中 也可以看出, 多数氮化 物的分解温度较低, 不 适合进行激光实 验, 但其中也有性能优异的原材料, 比如 TiN 、BN 、Si N 等就各有 特点, 所以 从耐 3 4 腐蚀的角度出发,选择耐蚀性非常优秀的 TiN 和 CrN 粉末,同时其耐磨 性也比较优 秀, 从耐磨性的角度出发, 选择了最常用的 WC 粉末, 并将其添加到氮化物粉末中, 以期通过不同粉末的联合作用,达到耐磨耐蚀性能同时提高的 效果。 1.5 本 文的 研究内容 、目 的和 意义 本课题基于国内外研究 现状和课题组现有的实 验条件,再综合考虑工 程应用 成 本和使用性能, 在目前常用的 00Cr13Ni4Mo 水轮机叶片 不锈钢表面先预置一定厚度 的合金粉末,再利用激 光 表面处理 技 术 , 最 终 获 得 耐 磨 性 能和 耐 蚀 性 能 优 异 的 激光 合金化 层或 激光熔覆层。具体研究内容包括以下几个方面: 1) 表面涂层的制备及工艺研究。 在水轮机叶片表面, 采用 激光合金化和 激光熔 覆技术制备出不同成分的表面涂层,优化其工艺参数 。 2)表面涂层的 表征 及显微硬度、耐磨耐蚀 性能的测试。利用 XRD 测试熔覆层 物相;利用 SEM 和 EDS 观察金相组织、磨损面和腐蚀面的形貌并测试不同组织中 的各元素的含量;利用 显微硬度 计 测量 从 涂层 表面到基体的显微硬度 ;利用磨损试 验机测试失重量以表征耐磨性能; 在 3.5%NaCl 溶液中利用动电位极化曲线测试自腐 蚀电位、自腐蚀电流、钝化区间和点蚀电位等信息以表征耐腐蚀性能。 本课题的研究目的在于 为工程实际应用提供依 据,所以在自溶性合金 粉末的 选 择上, 优先考虑性 能良好且价格较低, 资源丰富的 Ni 基合金粉末; 关于陶瓷粉末的 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 选择方面, 由于前文介绍了水轮机叶片运行环境的复杂, 磨损和腐蚀需要综合考虑, 又因为碳化物在耐磨性 方面性能优异可靠,但 是在耐蚀性 方 面 , 所 见 报 道 多 是 得 到 性能一般的结论 ,所以选择 耐蚀性很好的硬质陶瓷相粉末 TiN 和 CrN ,在测试了添 加单一氮化物陶瓷相的 Ni60 合金层的性能 之后再添加 WC ,研究碳化物和氮化物在 Ni60 合金熔覆层中的联合作用,从综合性能的角度出发,以期获得最优异的合金 熔 覆层 ,为实际工程应用提供理论依据 。11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 实验 材料和实验方法 2.1 基 体材 料和 粉末的预 磨和预涂 基体材料:水轮机叶片常用超低碳不锈钢 00Cr13Ni4Mo 。 粉末:Ni60、TiN 、CrN 、WC 。 Ni60 购自江苏泰州华升金属粉末有限公司,粒度为 320 目;CrN 和 TiN 购自辽 宁锦州昊天钛粉加工有限公司,纯度为 99% ,粒度为 350 目。原材料的化学成分见 -1 表 2.1 ,相关物质的物理化学参数见表 2.2,几种金属在 0.1mol? L NaCl 溶液中的点 蚀电位见表 2.3。 表 2.1 原 材料 的化 学成 分wt% 元素 C B Si Cr Mn Mo Ni Fe 00Cr13Ni4Mo 0.05 - 1 13-14 1 0.5-1 4-5 Bal Ni60 0.5-1.1 3-4.5 3.5-5.5 15-20 - - Bal 5 [35,40] 表 2.2 原 材料 及相 关物 质 的物理 化学 参数 3 物质 密度g/cm 硬度 熔点 ? 吉布斯 自由 能GKJ/mol Ni60 7.5 HRC60 980 - O -477.82(2000K ) 2 - - - O -424.57(1800K ) 2 N - - - -447.83(2000K ) 2 TiN 5.43 莫氏 9 3200 -498.93(2000K ) Ti - - - -125.07(2000K ) TiO - - - -1186.05 (2000K )