碳化物增强金属基激光熔覆层制备技术现状研究

碳化物是金属涂层中的强化相,它的形态、尺寸、含量等参数对熔覆层的性能影响十分显著.而这些参数又和碳化物增强金属基熔覆层的制备方式(碳化物引入方式)密切相关.综述了碳化物增强金属基激光熔覆层制备技术的研究现状,分析了碳化物"外加法""原位合成法""复合引入法"对激光熔覆涂层的影响.     

光斑类型对激光熔覆MoFeCrTiWAlNb高熔点高熵合金涂层组织和性能的影响

目的 获得高性能工具钢涂层。方法 分别采用方形光斑及圆形光斑激光熔覆试验,在M2工具钢（W6Mo5Cr4V2）上制备出MoFeCrTiWAlNb高熵合金（HEA）涂层,对比分析两种工艺下,高熵合金涂层的组织结构及性能差异。采用SEM、XRD、EDS分析两种涂层形貌、成分、相结构。采用显微硬度计、摩擦磨损试验机测试两种涂层的硬度及耐磨性。结果 球磨4 h后,合金粉末没有合金化,但是发生了形变,合金粉末更加细小均匀,平均直径为56.1 μm。圆形光斑制备的HEA涂层的主相结构是BCC和MC碳化物,而矩形光斑激光熔覆制备的HEA涂层的主相结构是BCC、hcp-Fe2Nb和MC碳化物。圆形光斑涂层中出现明显的相分离现象,而采用方形光斑的激光熔覆层熔深浅,稀释率小,显微组织主要由不规则树枝晶及 颗粒状碳化物构成。方形光斑激光熔覆涂层平均硬度为850HV左右,圆形光斑激光熔覆涂层平均硬度为680HV左右。相较于圆形光斑所制备的HEA涂层,方形光斑所制备的HEA涂层摩擦系数低,磨损量小,磨损表面光滑,主要磨损机制为磨粒磨损。结论 矩形光斑更适合于激光熔覆MoFeCrTiWAlNb高熵合金 涂层。     

超高速与常规激光熔覆Fe基涂层微观组织及性能研究

目的 对比研究常规与超高速激光熔覆涂层的微观组织、相结构,明确涂层结构及性能间的构效关系。方法 以27SiMn为基体,分别采用常规和超高速激光熔覆技术制备Fe基涂层。采用扫描电镜(SEM)表征涂层的显微组织,用能谱仪(EDS)分析涂层的元素分布。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)方法分析涂层的相组成。采用显微硬度计、电化学工作站等测试涂层的硬度分布及电化学特性。结果 常规与超高速激光熔覆涂层组织致密,均无明显气孔和裂纹等缺陷。相较于常规激光熔覆涂层,超高速激光熔覆涂层的晶粒更为细小,涂层成分接近粉末设计成分,晶内和晶间Cr元素分布更为均匀。2种工艺制备的涂层均由马氏体、铁素体和M型碳化物组成,但是超高速激光熔覆涂层所含马氏体和碳化物含量更低,使其硬度低于常规激光熔覆涂层。同时,与常规激光熔覆涂层相比,超高速激光熔覆涂层的自腐蚀电位由–0.56 V升高至–0.51 V,自腐蚀电流密度由1.3×10^–5 A/cm²显著降低至1.5× 10^–7 A/cm²。 结论 与常规激光熔覆相比,超高速激光熔覆涂层晶粒细小,成分均匀,具有更优异的耐腐蚀性能。与此同时,涂层的马氏体及碳化物含量更少,硬度更低。     

激光熔覆Ni3Si基复合涂层相、组织及高温抗氧化性能研究

采用激光熔覆技术在镍基高温合金GH864表面制备了原位合成碳化物TiC、NbC陶瓷颗粒增强Ni3Si金属间化合物基复合涂层，采用XRD、SEM和EDAX等方法，对熔覆层相、组织进行了表征。采用循环氧化法研究了熔覆层在1100℃下的高温抗氧化性能。     

合金元素对铁基激光熔覆涂层显微组织和相结构形态的影响

利用CO2激光在45钢表面熔覆制备铁基合金涂层,研究4种合金元素对改变涂层组织形态以及枝晶间碳化物形状的影响规律.结果表明,随着V,Nb,Ti元素和稀土氧化物CeO的依次加入,熔覆涂层原柱状晶形态逐渐改变为柱状树枝晶,最后转变为无明显柱状晶方向性的树枝晶;在激光熔覆涂层中,同时添加V,Nb元素,涂层枝晶间的连续长条状碳化物被打断成块状;同时添加V,Nb,Ti元素和稀土氧化物CeO,涂层枝晶间的碳化物被球化.通过改善涂层树枝晶组织形态以及球化枝晶间碳化物,涂层的抗拉强度和断后伸长率明显提高,涂层的强韧性显著增加.     

激光熔覆无碳化物贝氏体涂层制备及其摩擦学性能

通过控温激光熔覆及后续等温转变处理,制备出显微组织细小、硬度分布均匀且耐磨性良好的无碳化物贝氏体涂层。采用光学显微镜、XRD、TEM、SEM、显微硬度计、纳米压痕仪和摩擦磨损试验机等分别对不同参数的熔覆试样、对比试样的显微结构及性能进行测试。结果表明:与盐浴淬火试样相比,采用控温激光熔覆技术制备的无碳化物贝氏体涂层显微组织均匀细小,贝氏体晶格常数由2.8692?增加到2.8697?,铁素体微晶尺寸由86.3 nm减小至67.0 nm,无碳化物贝氏体涂层的显微硬度由(384±18)HV0.1提高到(430±13)HV0.1。摩擦因数由1.21降低至1.05,磨痕深度由0.1 mm降低至0.04 mm。较高的表面硬度提高了无碳化物贝氏体涂层表面抵抗塑性变形的能力,减缓了磨痕表层的剥落。     

不锈钢表面激光熔覆耐磨涂层的进展及关键技术分析

从熔覆材料设计、熔覆层组织和耐磨性三方面阐述了利用激光熔覆技术在不锈钢表面制备耐磨涂层的研究进展,总结并分析了各类激光熔覆层的优点和缺点.不锈钢用激光熔覆材料主要分为自熔合金粉末、陶瓷粉末、金属一陶瓷粉末、金属间化合物;耐磨涂层组织可分为陶瓷相、金属间化合物、过饱和固溶体:激光熔覆技术通过改变不锈钢表面成分和组织可显著提高耐磨性能.     

激光原位制备复合碳化物颗粒增强铁基复合涂层及其耐磨性的研究

通过在高碳当量铁基熔覆粉末中复合添加多种强碳化物形成元素,激光原位制备的颗粒增强铁基复合材料涂层具有颗粒析出密度大、尺寸分布均匀的优点.通过在铁基熔覆粉末中单独添加Ti,复合添加Ti+Zr以及Ti+Zr+WC的方式,运用激光熔覆技术在中碳钢表面制备了颗粒增强铁基复合涂层.用X射线衍射仪、扫描电镜和透射镜等手段研究了涂层的显微组织、颗粒相结构及颗粒相与熔覆层基体相之间的界面.通过环块磨损实验,对比渗碳淬火工艺研究了颗粒增强涂层的耐磨性能,并对磨损机制进行了讨论.结果表明,涂层微观结构是典型的亚共晶介稳组织,原位合成的颗粒是一种复合碳化物,界面处结合牢固.激光原位制备复合碳化物颗粒增强铁基复合涂层具有优异的耐磨性能.     

42CrMo钢表面激光熔覆颗粒增强Co基涂层的组织与性能

为改进矿用截齿的耐磨性能,使用激光熔覆技术在截齿用42CrMo钢基体表面制备Co基复合涂层,并分析涂层的微观组织、硬度和耐磨性。结果表明,熔覆层形貌良好且与基体呈冶金结合。在激光作用下,WC颗粒发生溶解并与多种元素发生反应,熔覆层主要由γ-(Co, Fe)和碳化物组成。熔覆层组织呈梯度变化,过渡区组织为平面晶、枝状晶和柱状晶,熔覆区组织则为等轴枝晶和均匀分布的富W、Ti的碳化物颗粒。熔覆层平均显微硬度为995 HV,远高于基体(328 HV),同时热影响区的硬度也大幅提高。在相同的磨损条件下,熔覆层摩擦因数较低,体积磨损量仅为基体的13.5%。在摩擦过程中,弥散分布的细小碳化物颗粒逐渐凸起并起到承担载荷和抵抗磨损的作用,使熔覆层具有良好的耐磨性,磨损机制为轻微磨粒磨损。激光熔覆技术制备的颗粒增强Co基涂层,组织致密,性能良好,能显著地提高42CrMo钢的表面硬度和耐磨性。     

硼酐对感应熔覆铁基合金涂层组织和性能的影响

采用添加助溶剂硼酐的铁基自熔性合金粉末和高频感应熔覆工艺在Q235钢上制备了铁基合金耐磨涂层。研究了硼酐添加量对感应熔覆涂层组织和性能的影响。结果表明,高频感应熔覆铁基涂层由热影响区、结合区和熔覆层组成,硼酐的加入使涂层与基体形成冶金结合;熔覆层的组织由放射状、枝晶状的固溶体和碳化物、硼化物等强化相组成;当硼酐添加量为1%时,涂层的组织最均匀,硬度最高,达1000 HV0.2。     

激光熔覆Cr_3C_2-Ni复合涂层的减摩性能

以粉末化学镀法制备的Cr_3C_(2-)Ni复合粉末作为预置层,在Q235钢板表面用激光熔覆技术制备了减摩复合涂层.研究了Cr_3C_(2-)-Ni涂层在干摩擦条件下的减摩性能,并对磨损形貌进行了SEM观察,对涂层的硬度进行了测 试.结果表明,该涂层组织均匀致密、硬度较高;涂层的摩擦性能稳定,摩擦系数为0.44;硬质Cr_3C_(2-)粒子与金属粘结相的配合能有效提高熔覆层的承载能力,减小摩擦损失.     

Repair of Erosion Defects in Gun Barrels by Direct Laser Deposition

In recent years the development of functional carbide coatings follows the trend to use composite powders with fine grained hard particles. In addition to thermal spraying, laser cladding is a suitable surface technology in particular for dynamically loaded components, and it is widely used for the manufacturing of coatings as well as complex 3D structures. The paper presents an application addressing the repair of erosion defects in large gun barrels using a novel internal diameter laser cladding head. The most promising material systems are TiC- and VC-based metal-matrix composites. Samples were evaluated in a special erosion test that emulates realistic load conditions. In this test, the materials are exposed to extreme stresses by temperature and pressure shocks, a very reactive atmosphere and erosive particles. As result, TiC-based coatings showed the best performance, and they are applicable for both repair and surface protection of inner surfaces of components and tools.     

Laser cladding of SiC/Si composite coating on Si-SiC ceramic substrates

Pieces of silicon infiltrated silicon carbide (Si-SiC) were coated with a SiC particles reinforced Si matrix composite (SiC/Si) obtained from mixtures of SiC + SiO₂ and SiC + Si by laser cladding. A Nd:YAG pulsed laser delivering an average power of 920 W was used to apply such coatings using the powder blowing technique. The results demonstrate that the use of the SiC + SiO₂ powder mixture produces a severe damage on the base material, whereas the use of the SiC + Si mixture leads to the formation of sound coatings without substrate damage. XRD and nanoindentation measurements corroborate the production of silicon carbides surrounded by a metallic silicon matrix. This method could be used for repairing surface defects of silicon infiltrated silicon carbide ceramics (Si-SiC).     

高性能航空金属结构材料及特种涂层激光熔化沉积制备与成形研究进展

介绍了近年来高性能航空金属结构材料及特种涂层激光熔化沉积制备与成形的研究进展,包括航空高性能金属结构件激光熔化沉积快速成形制造技术及应用;难熔金属材料激光约束熔化沉积制备与成形;钛合金激光表面改性及过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层.     

激光熔覆WC-Ni基超硬梯度复合涂层的组织与性能

利用激光宽带熔覆技术在45钢表面制备了WC-Ni基超硬梯度复合涂层.对激光熔覆层用SEM、EDS、XRD进行观察和分析.对比研究了单一熔覆层、梯度熔覆层的熔覆层形貌、缺陷状态、硬度及其分布.结果表明,单一熔覆层易出现宏观裂纹、界面处熔合差等缺陷;梯度激光熔覆层逐级过渡的结合形式缓解了应力集中,使应力合理分布.在优化的工艺参数下,通过连续控制微观结构要素,可以实现成分、组织的梯度变化,获得无气孔、无裂纹的梯度熔覆涂层.其中,梯度熔覆层组织主要是由γ-Ni、WC等相组成,涂层的硬度值从熔覆层至基体呈梯度降低趋势,外层平均硬度可达2000 HV0.1以上.     

激光熔覆制备Fe-Ti-Mo-C系复合涂层

采用钛铁、钼铁和石墨为激光熔覆粉末,利用激光多道搭接熔覆技术在碳钢基体上制备Fe-Ti-Mo-C复合涂层.利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、电子探针对涂层的相结构和显微组织进行了研究.用显微硬度计和滑动磨损试验机,对涂层的硬度和耐磨性能进行测试.结果表明,涂层中原位生成了(Ti,Mo)C复合碳化物.(Ti,Mo)C呈面心立方结构,晶格常数略小于TiC晶粒.随着原材料中钼铁加入量的增加,涂层显微组织由铁素体、珠光体向马氏体转变,显微硬度和耐磨性增加,但抗裂性能降低.     

等离子熔覆NiCr-Cr3C2复合涂层摩擦磨损性能的研究

目的研究碳化铬含量及磨损载荷力对复合涂层摩擦磨损性能的影响,探究不同磨损载荷下的磨损机制。方法采用5种Ni55和NiCr-Cr_3C_2的混合粉末(Ni Cr-Cr_3C_2质量分数分别为10%、20%、30%、40%、50%),通过等离子熔覆技术制备金属基复合涂层。采用XRD、SEM对涂层物相进行检测分析,使用Rtec万能摩擦磨损试验机对复合涂层表面进行不同载荷下的摩擦磨损性能测试。对涂层组织、摩擦系数、磨损体积及磨损表面微观形貌进行对比分析,探究碳化铬的含量以及摩擦载荷对复合涂层摩擦磨损性能的影响。结果 NiCr-Cr_3C_2在熔覆过程中发生熔化,XRD测得涂层中的碳化物主要以Cr_7C_3为主,其他主要物相包括Cr_3C_2、Cr_(23)C_6、Cr_5B_3、Ni_3Si。复合涂层的硬度及耐磨性能随着碳化铬含量的增加而增大,硬度最高达1500HV以上,耐磨性是基体Q235的2～16倍。当磨损载荷低于80 N时,主要发生磨粒磨损;当磨损载荷为100 N时,主要发生粘着磨损和磨粒磨损,其中S5的磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损。结论加入碳化铬,随着碳化铬含量增加,复合涂层的耐磨性不断提高,并且随着磨损载荷的增大,涂层磨损机制发生转变。     

Ni基合金与WC混合粉末的激光熔覆层组织

为了提高矿山机械零部件的耐磨性能及使用性能,采用激光熔覆方法在45#钢基体上制备了Ni基合金与WC混合粉末的复合涂层,研究了熔覆层的物相组成、WC颗粒在Ni基合金涂层中的分布,以及加入50%WC颗粒后Ni基合金涂层的裂纹敏感性、显微组织、成分及硬度。结果表明,合理的工艺参数使WC颗粒分布均匀,与基体结合牢固,并保持原始的形状;熔覆层内没有裂纹产生;熔覆层与基体之间形成了冶金结合;熔合线附近由亚共晶组织(初晶的富Ni奥氏体γ-Ni与共晶组织)构成;熔覆层中上部由过共晶组织(初晶的碳化钨与共晶组织)构成,初晶碳化钨的形态有珊瑚状、等轴晶状、柱状及交互结晶状等;激光熔覆层硬度是45#钢基体的5倍以上。     

Laser cladding of Ni-based alloy on stainless steel

The coatings on a stainless steel substrate were conducted by laser cladding of Ni-based alloy, using a 5 kW continuous wave CO2 flow transverse laser. SEM, EDX and X-ray diffraction were used to analyze the microstructure and constituent phases of the obtained coatings by laser cladding with direct injection of the powder into the melt pool. Solidification planar, cellular and dendrite structures were observed in Ni-based alloy coating. There exists an optimum metallurgical bond between Ni-based laser cladding layer and the base material. The high hardness of the Ni-based alloy coating is attributed to the presence of M7C3-type carbides (essentially chromium-riched carbide) dispersed in the γ(Ni,Fe) phase matrix.     

Surface protection of light metals by one-step laser cladding with oxide ceramics

Today, intricate problems of surface treatment can be solved through precision cladding using advanced laser technology. Metallic and carbide coatings have been produced with high-power lasers for years, and current investigations show that laser cladding is also a promising technique for the production of dense and precisely localized ceramic layers. In the present work, powders based on Al₂O₃ and ZrO₂ were used to clad aluminum and titanium light alloys. The compact layers are up to 1 mm thick and show a nonporous cast structure as well as a homogeneous network of vertical cracks. The high adhesive strength is due to several chemical and mechanical bonding mechanisms and can exceed that of plasmasprayed coatings. Compared to thermal spray techniques, the material deposition is strictly focused onto small functional areas of the workpiece. Thus, being a precision technique, laser cladding is not recommended for large-area coatings. Examples of applications are turbine components and filigree parts of pump casings.