激光表面熔覆层凝固组织特征形成过程

试验研究了激光熔覆层的凝固特征和组织形成规律.结果表明:熔覆层不同位置的凝固特征参数不同.熔覆层底部属于典型的平面外延生长组织,且枝晶粗大;而顶部是较规则的树枝状共晶组织;中部为细小的胞晶和柱状晶;且晶体生长受结晶学各向异性影响.熔覆层组织晶粒形核的非均匀形核特征显著.熔覆层微区成分存在着不均匀性,不同元素沿晶间偏析(富集),是组织不均匀的重要原因.     

激光熔覆层凝固特征与凝固组织控制研究

用5kW横流CWCO2激光器在1Cr18Ni9Ti与Cr18Ni12Mo3Ti阀门零件上熔覆NiCrFeBSi合金，得到了厚2～3.5mm，表面平整光滑，组织细密的合金熔覆层，并结合熔覆试验，分析探讨了激光熔覆层快速凝固过程中的凝固特征，凝固组织及组织控制方法。     

Nb2O5对铁基合金激光熔覆层裂纹敏感性的影响

在45#钢基底上进行了铁基合金和铁基合金加Nb2O5的激光熔覆对比实验.通过工艺参数和Nb2O5含量的优选,获得了成形良好、无裂纹、组织致密均匀的高质量铁基激光熔覆层.采用渗透法观察熔覆层表面裂纹,利用金相显微镜和扫描电镜观察熔覆层横断面的显微组织,使用X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析,并测试了熔覆层的硬度.分析结果表明,G312+0.6%Nb2O5(质量分数)熔覆层组织为细小的先共晶析出的碳化物等强化相均匀分布在由γ(Fe,Ni)固溶体和多种金属间化合物组成的共晶体中,且生长方向不同.Nb2O5改善铁基熔覆层抗开裂能力的原因一方面是Nb占据晶界增强了晶界结合,另一方面,部分Nb2O5受C的还原作用生成NbC,先共晶析出,成为异质核,提高了凝固结晶过程中的形核率,使得熔覆层组织得以细化,且降低了熔体中的C浓度,减少了Cr(Fe)碳化物脆性相的体积分数,熔覆层韧性增强,裂纹敏感性降低.     

纳米Al2O3/Ni基合金复合材料激光熔覆层组织

采用横流5kW CO2激光，在Ni基高温合金表面制备了纳米Al2O3／Ni基合金复合材料激光熔覆层。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)及附件(EDS)分析了熔覆层的快速凝固组织、成分及纳米颗粒的分布。结果表明，未加纳米Al2O3时界面区为垂直于界面、定向生长的柱状树枝晶组织；加入纳米Al2O3后，熔池凝固结晶组织形态发生变化，由细长的柱状树枝晶逐步过渡为较短的树枝晶；当Al2O3的加入量为1％时，熔覆层与基体的界面区不出现定向生长，整个断面呈现等轴枝晶组织；纳米Al2O3促进固液界面前沿形核，纳米Al2O3附着在晶体生长的前沿，阻碍晶体的长大，凝固组织得到显著细化；纳米Al2O3颗粒抑制了熔覆层裂纹的形成。     

IF钢表面激光熔覆Co基合金/SiCp涂层的研究

采用5kWCO2激光器在IF钢表面激光熔覆CoCrWNiSi合金/SiCp陶瓷涂层。利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪分析了熔覆层的相结构和凝固组织特征。对熔覆层的耐磨性进行了试验。结果表明,熔覆层细小均匀,与基体搭接处为平面、胞状晶,表层为细密的枝晶。熔覆层的相结构为γ-Co及Si2W,CoWSi,Cr3Si,CoSi2等相。SiC的加入提高了熔覆层的耐磨性。     

激光熔覆原位合成制备生物陶瓷涂层

激光熔覆直接处理CaHPO4·2H2O与CaCO3的复合粉末,制备出了羟基磷灰石(HAP)生物陶瓷涂层。结果表明,熔覆层组织为粒状的HAP分布于互相搭接的棒状β-Ca2P2O7之中,熔覆层主要物相为β-Ca2P2O7与Ca5(PO4)3(OH)。涂层与基体结合处为平界面外延生长的带状组织,熔覆层中部则为典型的胞状晶,熔覆层表面组织为粒状等轴晶,组织演化决定于激光熔覆时的温度梯度/凝固速度(G/R)的比值。     

激光熔覆制备原位颗粒增强金属基复合表层组织性能的研究

采用激光预置熔覆技术,通过在FeCSiBRe合金粉末中单独添加强碳化物形成元素Zr和复合添加Zr、Ti、WC元素和碳化物,在中碳钢基体上制备出原位析出的颗粒增强铁基复合材料表层。利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDAX),对熔覆层显微组织特征以及硬质颗粒的分布规律进行了观察、分析;利用显微硬度计检测了熔覆层的显微硬度。熔覆层显微组织特征是树枝状的先共晶奥氏体分布在共晶基体上的亚共晶组织。熔覆层与基体成良好的冶金结合且未观察到裂纹和孔隙。熔覆层内析出的硬质颗粒分别是以ZrC和Zr、Ti、W为主的复合碳化物,由于凝固前沿对颗粒的特殊扑获作用,主要分布在枝晶内与枝晶间。     

TiO2对铁基合金激光熔覆层组织和性能的影响

在 4 5 #钢基底上进行了铁基合金和铁基合金加TiO2 的激光熔覆对比实验。采用渗透法观察熔覆层表面裂纹 ,利用金相显微镜和扫描电镜观察熔覆层横断面的显微组织 ,使用X射线衍射仪对熔覆层进行物相分析 ,并测试了熔覆层横断面的硬度分布和熔覆层的摩擦磨损性能。结果表明 ,在一定的工艺条件下 ,添加适量的TiO2 ,可以获得成形良好、无裂纹、组织致密均匀、耐磨性好的高质量铁基激光熔覆层。适量的TiO2 可使涂层共晶体数目增多且分布均匀 ,组织细化 ,裂纹消失 ,在降低涂层裂纹敏感性的同时仍保持涂层的硬度和耐磨性不降低。TiO2 对铁基熔覆层性能改善的原因是 :适量TiO2 的加入 ,在涂层中可形成Cr13Fe35Ni13Ti7金属间化合物 ,熔覆层组织由亚共晶组织转变为性能较好的伪共晶组织 ,且由于高熔点的Ti硼化物的析出 ,提高了形核率 ,使组织颗粒细化、均匀。     

激光熔覆温度场和CeO_2、TiO_2对材料相变的影响

针对单道激光熔覆,利用数值模拟技术得到了激光熔覆过程的温度场;在Q235钢表面制备了Ni基激光熔覆层,基于材料相变理论分析了熔覆层不同深度位置微观组织的形成机理,并研究了添加CeO_2、TiO_2纳米颗粒对熔覆层组织的影响。结果表明:在激光熔覆过程中,在激光辐照和热传导的共同作用下,熔覆层和基体不同深度区域因温度变化的差异而发生不同类型的相变,从而得到不同的微观组织;在熔覆粉末中添加CeO_2、TiO_2纳米颗粒,可以通过影响材料的相变过程而改变熔覆层的化学组成和微观结构,提高形核率,得到组织均匀细小的熔覆层。     

激光熔覆Fe-Cr-Mo-Si合金涂层的组织与摩擦磨损性能

利用3 kW光纤同轴激光熔覆设备将Fe-Cr-Mo-Si合金粉末熔覆到Q235钢表面,制备出了耐磨的铁基合金熔覆层,通过金相显微镜、维氏硬度计和摩擦磨损试验机等设备研究了Fe-Cr-Mo-Si熔覆层的显微组织、硬度及摩擦磨损行为.结果 发现:Fe-Cr-Mo-Si熔覆层的显微组织均匀致密,且无气孔、裂纹等缺陷;熔覆层主要由树枝晶组成,熔覆层/Q235钢结合面处形成了细小的平面晶组织,熔覆层与基体实现了良好的冶金结合;熔覆层的平均硬度为642.2 HV,约为基体硬度的4倍;当载荷为50N时,熔覆层和基体试样的平均摩擦因数分别是0.621和0.512,熔覆层的磨损量仅为基体的14.6％;摩擦因数随载荷的增加而减小,磨损轮廓尺寸随载荷的增加而增大;熔覆层的磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损,而基体的磨损机制以黏着磨损和疲劳剥落磨损为主.试验结果表明,在Q235钢表面激光熔覆Fe-Cr-Mo-Si合金粉末能够显著提高材料的耐磨性能.     

镍基合金激光熔覆成形的快速凝固组织特征研究

利用激光熔覆成形技术制备出平整无变形的镍基合金样品,对显微组织中的层生长模式、晶粒生长模式,重熔情况以及一些缺陷等凝固组织的特征进行了详细分析。结果表明层的形状主要取决于激光功率和粉末熔化状况,显微组织以细长的柱状晶为主。为使层与层之间具有良好的冶金结合,每层的重熔区域必须保持一定的厚度。激光功率过低时组织中易形成气孔,而成形件的卷曲现象可以通过预热等方法加以解决。     

Modeling of poly-crystalline silicon ingot crystallization during casting and theoretical suggestion for ingot quality improvement

Finite element (FE) and cellular automaton (CA) models are used in order to predict the microstructure of Poly-Crystalline Silicon (PC-Si) ingots during casting in a directional solidification furnace. During solidification, the 3D-FE model is used to simulate thermal field inside the furnace, while the nucleation and growth of PC-Si are simulated by the modified version of CA model. In this model both nucleation at silicon-crucible interface and nucleation of equiaxed grains on impurities are modeled. The origin of impurity is considered SiC particles when carbon segregates during the solidification and precipitates as SiC particles if carbon solubility limit is reached. The model is evaluated with experimental data for different parameters, such as: the temperature profile at the top and bottom of the PC-Si, grain size, and the height of solidified silicon during solidification. A one-dimensional form of grain growth is observed at the crucible-silicon interface, while a more two-dimensional form of growth is predicted at higher silicon height. The microstructure of PC-Si shows that the grain size increases as a function of PC-Si ingot height. The effects of the cooling rate and competitive growth on the final microstructure of PC-Si are also investigated. The results show that less nucleation sites are formed at the bottom of the crucible with a slower cooling rate, which leads to a larger grain size. Furthermore, the grains at the crucible side walls tend grow inward at a lower cooling rate, which can significantly change the microstructure of PC-Si. This study shows that the competitive growth phenomena plays an important role in the final microstructure of silicon ingots. A simulated model is proposed which shows that by changing the density and location of nucleation sites it is possible to achieve more effective control on final PC-Si micro structure. This simulation helps to explain the crystal behavior observed in ingots cast under different conditions.     

基材晶体取向对激光多层涂覆微观组织的影响

采用镍基合金粉 ,研究了激光多层涂覆过程中基材晶体取向对涂层凝固组织的影响规律。实验发现 ,在适当的工艺条件下 ,若基材表层的晶体取向与合金择优取向相近或一致时 ,可得到与基材晶体取向一致的涂覆层 ,整个涂层中呈现细小、规整且与基材组织连续的定向柱状枝晶 ,仅顶端存在一薄层取向改变的枝晶生长区。而当基材表层晶体取向与合金择优取向不同时 ,涂层中得到的是取向不规则的细小枝晶     

激光熔覆高耐蚀Fe基固溶体合金涂层

Fe基非晶合金具有优异的机械性能与耐蚀性。采用激光熔覆技术在304L不锈钢基体表面熔覆Fe-Cr-Ni-Co-B非晶粉末涂层,利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜和电化学测试系统研究了涂层组织及耐蚀性能。研究结果表明,涂层组织涂层均匀、致密,无裂纹、气孔等缺陷。结合区为平面晶和柱状晶、熔覆层为丝条状树枝晶。熔覆层各区域由于成分和冷却速度的差异,致使树枝晶的大小和生长方向明显不同。涂层主要由Fe64Ni36和（FeCrNi）固溶体组成。熔覆层硬度分布较为均匀,涂层平均硬度约为480HV0.2,约是304L不锈钢基材的2.5倍。熔覆层的腐蚀电位高于304L基材,自腐蚀电流密度小于304L基材,具有较强的耐蚀性。     

激光熔覆原位自生复相陶瓷颗粒增强涂层

借助光学显微镜、X射线衍射仪、电子探针及显微硬度计等手段对熔覆层的组织、物相、元素分布和显微硬度分布特征进行了研究。熔覆层不同位置的凝固特征参数不同,形成的组织亦不同。陶瓷相的引入使得熔覆层晶粒细小,枝晶生长方向发生紊乱。原位反应生成的TiB2,Al2O3为亚微米颗粒,主要分布在晶粒内部,形成晶内复合,而未反应的TiO2,B2O3陶瓷颗粒分布在晶间。熔覆层物相主要为基体的γ相和基体上弥散分布的γ'相以及Al2O3,TiB2等陶瓷相等。研究了激光加工参数对显微硬度分布的影响。磨损试验表明,陶瓷增强颗粒的加入在很大程度上提高了覆层的抗磨损性能。     

2Cr13不锈钢粉末激光直接堆积成形的组织与性能研究

为说明激光直接金属堆积(DMD)成形件的组织与性能特点,进行了2Cr13不锈钢粉末的直接成形实验研究.检测了不同工艺参数组合下单道熔覆、多道搭接和多层堆积的显微组织形貌,测试了2Cr13零件的硬度、耐磨损、拉伸和残余应力等性能.研究表明,单道熔覆的典型组织有柱状、胞状枝晶和等轴晶三种,其相互转化由温度梯度和凝同速率所决定;由于粉末实时供给,搭接区与预置熔覆有很大不同;多层堆积枝晶生长表现出一定倾斜性,受扫描方式影响较大;不同工艺参数下,熔覆层平均硬度为300～550 HV0.2;当组织为细化的树枝晶时,成形件耐磨损件能可比涮质态2Cr13提高一倍以上;成形件的平均抗拉强度比调质态2Cr13提高30%;直薄壁墙零件不同位置处残余应力不同,但残余应力水平较低.     

功率参数对AerMet100/C276涂层组织及性能的影响北大核心CSCD

为探究功率参数对AerMet100钢激光熔覆C276涂层组织与性能的影响,为起落架的复合材料研究提供参考。利用激光熔覆技术在A100钢表面制备HastelloyC276熔覆层,并通过电子显微镜、XRD衍射仪、EDS能谱仪、电化学工作站和摩擦磨损仪等设备,研究功率参数对显微组织形貌、物相、硬度和耐蚀性能的影响。实验结果表明,不同涂层组织顶部主要由等轴晶和胞状晶组成,中部主要由柱状晶和胞状晶组成,底部主要由平面晶、柱状晶和胞状晶组成,且随着功率参数的增加,组织尺寸逐渐增大,中部等轴晶逐渐生长为胞状晶,底部胞状晶逐渐生长为平面晶。不同功率参数下熔覆层主相类别无明显变化,且熔覆层中存在偏析现象。综合分析在功率参数1400W下熔覆质量最好,综合性能最佳。     

核阀密封面激光熔覆层耐磨性能研究

采用 5KW横流CO2激光器对 1Cr1 8Ni9Ti核阀密封面进行了钴基合金激光熔覆处理 ,测试了激光熔覆层的耐磨损性能 ,并将其微观结构及质量、耐磨损性能与等离子喷焊处理的同种试件进行了对比分析 ,结果表明 :激光熔覆层具有更高的抗擦伤磨损和抗高温冲击滑动磨损的性能 ,具有组织细密均匀、晶粒度高、硬度高与稀释率低的特点。在此基础上对激光熔覆层的耐磨损性能进行了分析探讨     

K418合金叶片激光再制造Inconel718覆层匹配与强化

为了解决K418合金叶片再制造熔覆层易开裂、结合界面处力学性能较差等难题，采用具有输入可调控、热输入可控制以及降低熔池及热影响区温度等优势的脉冲激光，得出在工艺参量为激光功率2.5kW、送粉速率37.5g/min、扫描速率8mm/s，载气气流3L/min下，K418基体与Inconel718熔覆层之间能够形成良好的冶金结合。结果表明，熔覆层显微组织依次由界面处平面晶、底部胞状晶、中部树枝晶及顶部等轴晶组成；经过对比优化下的工艺参量，获得了成形质量良好且无明显裂纹、气孔等缺陷的Inconel718熔覆层；通过基体与覆层的硬度测试，覆层整体硬度值在300HV左右且分布较为均匀，基体平均硬度在400HV以上、结合界面处硬度值为460.46HV，相对于基体提升了12%；物相形分析表明，Inconel718熔覆层与基体K418性能匹配较好，激光再制造凝固成形时经历了L→γ→(γ+MC)→(γ+laves)的凝固过程，脉冲激光的热输入对基体K418合金热影响区完成了γ′相的固溶再析出过程，界面处沿晶界析出少量的二次析出相laves相和MC相对熔覆层及界面处晶界起到钉扎晶界、阻碍滑移的强化作用。试验相关工艺及参量为K418叶片激光再制造提供了借鉴和分析。