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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 冲压模具材料 45 钢和 T8A 在长期使用过程中， 模具接触面会发生磨损、 变钝和崩刃，所以运用表面改性技术修复受损模具有较高的实际价值。本文采用激光熔覆铁基合金和纳米复合材料对 45 钢和 T8A 试样块上进行了涂层的设计与制备， 以研究在两种材料上熔覆的可行性。通过不同的工艺参数对涂层表面进行了单道和多道搭接激光熔覆试验，利用光学显微镜与扫描电镜等分析了熔覆层的组织，对熔覆层的显微硬度进行了测试，最后探讨工艺参数和纳米 Al2O3的加入量对熔覆层的微观形貌，内部组织和显微硬度的影响。 激光熔覆铁基合金的实验表明： 通过优化加
2、工工艺参数， 在基体 45 钢和 T8A 的表面上获得了表面质量较好，内部无裂纹夹杂气孔的熔覆层；粘结剂选用无水酒精对提高熔覆的工艺有明显的效果；两种熔覆层表面硬度相比基体都得到了不同程度的提高；45 钢和 T8A 熔覆层显微组织是平面晶和树枝晶共同组成，内部组织为隐晶马氏体和铁素体的混合组织，并有多种合金分布在枝晶之间。激光熔覆纳米复合材料试验表明：通过优化激光工艺参数，在 T8A 上获得了表面质量较好，内部无裂纹、夹杂和气孔的熔覆层。 复合涂层相比不掺入 Al2O3的铁基合金而言， 显微硬度有了明显提高。并且随着加入的 Al2O3的增高，复合熔覆层的晶粒逐渐细化，显微硬度逐渐提高；纳米复合
3、熔覆层的内部形貌为骨架形的树枝晶和平面晶共同组成，显微组织为隐晶马氏体和铁素体的混合组织，增强相 Al2O3弥散分布于枝晶之间。 关键词：关键词：激光熔覆; 铁基合金粉末; 纳米 Al2O3; 复合材料涂层 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract 45 steel and T8A stamping die are widely used in industrial materials. In the long-term processing, the mold surface wear faster, and change blunt. So, it is urg
4、ent to improve its performance in use of surface modification technology. In this paper, the coating of the laser cladding iron-based alloys and nanocomposites on the surface of T8A of 45 steel are designed and prepared. The cross section of single track, multi track of the coating have been examine
5、d to reveal the microstructure and phase composition using optical microscope, SEM. At the same time, the microhardness multi tracks of coating are tested. At last, the influences of parameters and the amount of nano-Al2O3 on microstructure and microhardness of the coating are studied. Laser claddin
6、g iron-based alloy experiments show that: by optimizing the process parameters, the coating which is better and non-crack have been got on the surface of 45 steel and T8A; binder selection of ethanol Improve the cladding technology has obvious effects of the two-surface hardness have been varying de
7、grees of improvement in 45 steel and T8A cladding layer microstructure is crystal plane and dendritic together, the internal organization for the hidden crystal Body and ferrite mixed organizations, and a variety of alloys in the distribution between the dendrite. Laser Cladding nanocomposites exper
8、iments show that: by optimizing the laser processing parameters, T8A on the surface quality was better, crack-free within the porosity of the inclusion of cladding layer. Compared to non-composite coating Al2O3 incorporation of iron-based alloys, microhardness has been noticeably improved. With the
9、addition of Al2O3 and the increase of composite cladding layer of the grain gradually thinning, microhardness gradually improved nanocomposite coating for the microstructure of the dendrite skeleton-shaped crystal and the plane together, the internal Al2O3 dispersion organizations to strengthen the
10、implicit crystal martensite and ferrite mixed organizations. Key words：Laser cladding; Iron-based alloy powder; Al2O3 nano particles; composite coatings 独创性声明独创性声明 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
11、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。 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 日本论文属于华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 1.1
12、 引言引言 高温、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面，这一现象促使材料科学工作者对材料表面的极大关注，并促使材料表面改性技术的迅猛发展。人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时，使材料表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。 激光熔覆是一项新兴、迅猛发展的技术，它是在高能量密度激光束照射下，基体表面薄层与根据需要加入的合金同时熔化，形成厚度为 101000m 表面熔化层，快速凝固以满足某一特殊性能要求的工艺方法，是集激光加热熔化、熔池中物质交互作用及速凝固成型等多学科交叉的一门新技术，此技术在表面处理方面得到较细致的研究1-5。 由于局部表面受热密度大，光斑
13、直径小，受热时间短，故工件表面上熔化区很小， 传到工件内部热量少， 熔化内部在很大的温度梯度， 冷却速度可达 104109/s，正是由于快速凝固，赋予合金不同于正常凝固的特点6-7。 作为表面改性手段之一的激光熔覆，适于各类金属的表层改性和修复。它能把高性能的合金粉末涂覆在普通材料(工件)上，从而获得优异特性的表面涂层(如耐热、耐蚀、耐磨、抗冲击等优良涂层)。与传统的表面改性(热喷涂、等离子喷涂等)技术相比，它主要有以下优点：界面为冶金结合；组织极细；熔覆层成分均匀及稀释度低；覆层厚度可控；热畸变小；易实现选区熔覆和工艺过程易实现自动化。在表面改性技术中，激光熔覆己成为比较活跃的研究领域。 激
14、光熔覆技术的发展已有 20 多年的历史，国内外研究者作了很多工作，取得了大量有价值的研究成果，并得到一定规模的应用。在传统材料表面的改性研究较多8-10。高合金钢、高温合金表面改性的研究也有报道11，然而应用激光熔覆修复一些机械零部件的实际工程应用却有待于进一步推广，主要原因是激光熔覆过程中常有裂纹、涂层不均匀等问题，有待于科技工作者进行更深一步研究。 激光表面涂层技术是七十年代中期发展起来的材料表面工程领域的前沿课题之一，国内外正在蓬勃发展。随着高功率激光器及配套技术的发展与完善，它已从实华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2验室研究逐步走向工业应用，在未来材料表面改性领域将具有
15、强大的生命力。 1.2 熔覆层的结构熔覆层的结构 图 1-1 熔覆层的结构 激光熔覆层组织结构可以分为：熔覆层区（Clad substrate， ） 、过渡区（涂层材料与基体混合区 Clad in substrate） 、热影响区（HAZ）和母体基材区（Substrate） ，熔覆层的参数见图 1-1。根据工件表面的使用条件，选择合金材料体系，经激光熔化、凝固形成表面熔覆层以满足工件的使用性能。过渡区是涂层材料与基休混合区，此区将发生涂层材料与基体之间的合金元素相互扩散，使涂层基体之间形成冶金结合。 1.3 基体材料和粉末材料基体材料和粉末材料 1 基体材料 激光熔覆既可以用于传统材料的表面改
16、性，提升材料的性能，又可以用于表面失效零件的修复，故可以用的基体材料十分广泛，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金以及镍基高温合金等。 本实验针对普通冲压模模具钢 45#和 T8A 钢作为研究对象，这是由于： （1）两种材料在军工或民用产品模具制作过程，被选用概率最大，应用广泛，因此，材料具有良好的代表性； （2）该材料是冷作模具钢，本研究针对冷作模具钢，在冷作模具上取得的研究成果，可以为今后的其他模具激光熔覆提供理论基础和科学依据，因此研究具有连续性、科学性； （3）目前为止，激光熔覆工艺技术研究在 T8A 基材上进行激光熔覆，尚未见相关报道，因此研究具有一定的创新性。 2 熔覆材料的分类与比较 熔覆材料的状态分为粉末状、丝状和膏状。熔覆材料的合金体系主要分为铁基华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3合金、镍基合金、钴基合金及复合合金粉末等。 (1)
