【摘 要】
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304不锈钢因其强度高、耐蚀性好、热加工性好等特性在海洋工程以及石油天然气领域内广泛应用,但随着海洋石油开采技术的不断发展,对于304不锈钢零件的耐磨性以及耐腐蚀性能提出了更高的要求。激光和等离子束等高能束热源熔覆技术容易产生孔洞、裂纹等缺陷,且设备成本较高,现有的感应熔覆技术成本低、加热效率高,但是无法针对特定位置进行精确的表面改性,因此未能在生产实际中获得广泛应用。为此,本文以“304不锈钢超
【基金项目】
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中央高校自主创新科研计划项目“高频感应复合熔化沉积成形增材制造工艺研究”（项目编号:18CX05004A）；
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304不锈钢因其强度高、耐蚀性好、热加工性好等特性在海洋工程以及石油天然气领域内广泛应用,但随着海洋石油开采技术的不断发展,对于304不锈钢零件的耐磨性以及耐腐蚀性能提出了更高的要求。激光和等离子束等高能束热源熔覆技术容易产生孔洞、裂纹等缺陷,且设备成本较高,现有的感应熔覆技术成本低、加热效率高,但是无法针对特定位置进行精确的表面改性,因此未能在生产实际中获得广泛应用。为此,本文以“304不锈钢超高频感应熔丝表面强化工艺研究”为课题,通过实验测试、数值模拟与理论分析相结合的方式进行了系统的研究,取得了以下成果:（1）超高频感应熔化金属丝温度分布与残余应力分布规律。提出了利用开发出的一种具有自主知识产权的超高频感应加热熔丝装置制备表面强化涂层的新方法,基于COMSOL有限元分析软件,提出了改变被激活区域的材料属性来模拟熔覆路径,定义了在零应力状态下激活熔覆单元的模拟策略,建立了超高频感应熔覆316L不锈钢涂层的温度场、应力场耦合的数值模型。通过探究不同工艺参数之间温度场的映射关系以及基板上表面垂直于金属丝中心方向残余应力的分布规律,得到了特征区域内的温度沿轴向逐渐减小,温度分布符合传导式加热的特点;随着电源功率增大,对应位置处的磁通密度增大、温度升高;随基板与线圈之间距离的增大,对应位置处的温度减小、温度波动明显;残余横向应力与残余法向应力均为压应力,且横向约束更为严重。（2）超高频感应熔化金属丝成形基础工艺参数的研究。通过实验确定了基板与涂层形成良好冶金结合条件下工艺参数的选择范围:电源频率750 k Hz～850 k Hz,送丝速度0.0025 m/s～0.0031 m/s,移动速度0.0028 m/s～0.0031 m/s,感应线圈与基板之间的距离0.0005 m～0.001 m,预热温度723.15 K～873.15 K;得到了电源频率、送丝速度、基板的移动速度、感应线圈与基板之间的距离、预热温度等加工参数对熔覆层横截面形貌参数影响规律关系,揭示了该技术的成形机理。（3）超高频感应熔化金属丝优化工艺的研究。设计了正交实验,利用方差分析得到了对各形貌参数影响显著的因子,主效应结合两因子间的交互作用,得到了与高宽比、稀释率相关的不同工艺参数组合;熔覆层晶粒细化,熔覆层底部与基体之间的过渡区域由平面晶过渡为胞状树枝晶、胞状晶,熔覆层顶端为较细小的柱状树枝晶与胞状树枝晶;工艺参数对显微硬度的影响作用不显著;熔覆层耐磨耐蚀性相对基体有明显得提升。其中,具有较大稀释率的试样耐磨耐蚀性最优,与基体相比,该试样的摩擦系数降低了0.2左右,磨损方式由较为严重的黏着磨损转为磨粒磨损及轻微的黏着磨损;自腐蚀电流密度降低了近一个数量级,试样点蚀电位增大,金属极化电阻增大两个数量级。基于有限元数值仿真、成形机理研究其内在联系,确定了在一定程度内稀释率最大的试样参数是最佳工艺参数:电源频率750 k Hz、送丝速度0.0027 m/s、移动速度0.0028 m/s、距离0.001 m、预热温度823.15 K。上述研究工作可以实现工件特定位置处的高精度、高性能成形,为超高频感应熔化金属丝成形数控装备的研发提供了理论基础,对于推动超高频感应熔丝技术在深海钻采、航空航天以及其他相关领域的工业化应用具有重要的现实意义。
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