激光熔覆TiC增强316L金属基涂层组织及磨损性能研究

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316L不锈钢作为典型的奥氏体不锈钢之一,其拥有良好的塑性、韧性及耐腐蚀性,并且综合力学性能良好,工艺性和可焊接性优异,因而被广泛应用于航空航天、石油化工等领域。在实际工况下,316L不锈钢较低的表面硬度(≤200 HV)和耐磨性限制了其使用范围。因此,对316L不锈钢表面进行改性处理,提高其表面硬度和磨损性能显得尤为重要。陶瓷增强金属基涂层兼有金属的塑韧性和陶瓷的耐磨性,可以提高材料的硬度、耐磨损等性能,是提升机械零部件可靠性和使用寿命的有效措施。本研究以工业常用的316L不锈钢为研究对象,将提高表面硬度和耐磨性作为目标,采用激光熔覆技术作为强化涂层制备手段,并选择碳化钛(TiC)陶瓷材料作为涂层的硬质相,在316L不锈钢表面设计制备了TiC陶瓷增强金属基涂层。基于正交实验优化激光熔覆工艺参数,研究TiC引入方式及添加量、TiC粒径对金属基涂层组织及磨损性能的影响。主要研究内容如下:(1)研究了激光熔覆过程中工艺参数对熔覆层质量的影响。首先通过宏观形貌观察,随着激光功率的增大,熔覆层与基体有良好的冶金结合,但过高的激光功率会导致纵向裂纹的产生。然后通过极差分析确定最优工艺参数,优化后的激光熔覆工艺参数是:激光功率1200 W,扫描速度5 mm/s,光斑直径6 mm。(2)研究了不同TiC引入方式及添加量对金属基陶瓷涂层的影响。在最优激光熔覆工艺条件下,分别通过外加法和原位合成法制备了不同TiC含量的涂层。结果表明,金属基陶瓷涂层宏观形貌良好,主要物相为TiC、(Fe,Ni)、α-Fe。显微组织致密性强,原位合成TiC涂层组织中产生了大量TiC聚集颗粒。直接添加50wt.%TiC的涂层显微硬度提高最大,达到393.7 HV。直接添加TiC的涂层显微硬度高于原位合成相同质量分数的TiC涂层。直接添加50 wt.%TiC的金属基陶瓷涂层的摩擦系数(0.59)和磨损失重量(35 mg)均最小,耐磨性能最佳。(3)研究了不同TiC粒径对金属基陶瓷涂层的影响。在最佳TiC引入方式及添加量的基础上,分析微/纳米TiC对涂层物相、显微组织、显微硬度及磨损性能的影响。结果表明,涂层中均匀分布的纳米TiC颗粒能够形成颗粒强化,起到细化组织的作用。纳米TiC涂层的平均显微硬度最高为438.5 HV,约为基体显微硬度的2.1倍。在干摩擦磨损试验条件下,纳米TiC涂层摩擦系数仅为0.58,磨损失重量最低为21 mg,涂层的主要磨损机制为磨粒磨损。综上所述,直接添加50 wt.%纳米TiC的金属基陶瓷涂层熔覆质量良好,显微组织细化,显微硬度最高,耐磨性能最佳,更有利于提高基体的表面性能。采用激光熔覆技术在316L不锈钢表面制备TiC增强金属基涂层,为开发具有优异性能的防护涂层提供了技术参考。
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