关键词:
激光熔覆
Fe-Cr-C硬质合金
Al元素
数值模拟
耐磨性
摘要:
Fe-Cr-C系合金作为性能优异的硬质合金代表,在服役过程中具有出色的耐磨性和耐蚀性。然而,其本身(Fe,Cr)7C3型碳化物的脆性会降低其断裂韧性,易产生裂纹,从而降低构件的耐磨性。而激光熔覆(Laser cladding)作为一种先进的材料表面改性技术,可以快速修复磨损部件,延长构件的使用寿命。在Fe-Cr-C合金中,碳化物的类型、形态、体积分数及与基体的相互作用共同影响其耐磨性。针对目前普遍采用贵金属强碳化物形成元素改性,调控Fe-Cr-C合金组织及性能,本文通过调整合金的化学成分,添加低成本Al作为合金化改性元素,在预热降低残余应力的基础上,研究熔覆层的元素分布、显微组织、热循环过程和凝固相变;并对熔覆过程进行数值模拟,最后进行性能测试,分析强化机理,为激光熔覆表面改性和修复再制造提供理论依据。
首先,以熔覆层表面形貌为成型质量评判标准,开展单道激光熔覆Fe-Cr-C合金工艺窗口实验,优化激光工艺参数。结果表明:最优工艺参数为激光功率P=1200W,扫描速度V=3mm/s,铺粉厚度H=1mm,预热温度T=300℃,光斑直径D=4mm。
其次,建立激光熔覆Al改性Fe-Cr-C合金的热力耦合模型,研究增Al对熔覆层温度场和应力场的影响规律。以基体熔池尺寸作为模拟结果验证标准,发现熔池尺寸误差均低于10%,证明模拟的可靠性。模拟结果发现:随着Al元素的加入,熔池最高温度呈现上升的趋势,且冷却速率显著加快。而熔覆层最大残余应力随着预热温度升高逐渐降低,当预热温度达到300℃时,最大残余应力低于材料屈服极限,避免裂纹缺陷。Al元素的加入使得熔覆层最大残余应力降低且应力分布更加均匀。
随后,以Al含量为调控对象,在最优工艺参数基础上开展单道激光熔覆实验。通过实验观测不同Al含量Fe-Cr-C熔覆层的稀释率、物相组成、微观结构、元素分布和晶粒尺寸,并测试其显微硬度和摩擦性能。结果表明:当Al含量高于5%时,熔覆层的基体组织由奥氏体转变为铁素体;同时冷却速率加快,抑制了共晶反应L→γ+(Fe,Cr)7C3而发生准包晶反应L+(Fe,Cr)7C3→γ+(Fe,Cr)3C;Al元素的加入使得熔覆层硬度上升,并产生了细晶强化、载荷传递强化、位错强化以及Orowan强化,从而显著提高了Fe-Cr-C合金的强度和耐磨性;分析其摩擦机理主要为磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损。
最后,以单道性能最佳的Al含量配比开展多道搭接激光熔覆实验,观察其成型质量,分析其组织演变规律,并测试显微硬度和摩擦性能。同时,建立热传递模型,分析多道熔覆的温度特征。结果表明:Al元素加入使得熔池温度上升,但降低了二次加热效果;重熔区域的晶粒生长方向垂直搭接面,但该区域的显微硬度较非重熔区略有降低,最关键是含Al多道熔覆层的硬度和耐磨性显著提升。