【摘 要】
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针对高温、重载等极端服役环境下的零部件面临着多种形式的失效问题,零部件表面制造与再制造技术的相关研究一直是行业热点。传统激光熔覆能够实现表面强化或修复,但是制备效率较低、稀释率较高等不足,制约了其工业应用发展。超高速激光熔覆作为一种新兴的表面改性技术,有望在表面改性和表面修复领域发挥重要作用。然而目前超高速激光熔覆研究尚不充分,因此本课题采用超高速激光熔覆技术,制备了不同熔覆速率的Fe基涂层,通过
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针对高温、重载等极端服役环境下的零部件面临着多种形式的失效问题,零部件表面制造与再制造技术的相关研究一直是行业热点。传统激光熔覆能够实现表面强化或修复,但是制备效率较低、稀释率较高等不足,制约了其工业应用发展。超高速激光熔覆作为一种新兴的表面改性技术,有望在表面改性和表面修复领域发挥重要作用。然而目前超高速激光熔覆研究尚不充分,因此本课题采用超高速激光熔覆技术,制备了不同熔覆速率的Fe基涂层,通过对微观组织的分析,阐述了超高速激光熔覆成型机理,探讨了微观组织对耐磨损和耐腐蚀性能的影响机制。此外,研究了激光重熔与超高速激光熔覆组成的复合工艺对成型质量和微观组织的提升与改善。具体研究内容和结论如下:（1）采用Fe基不锈钢粉末在45钢管件上制备了不同熔覆速率的超高速激光熔覆涂层,对比传统激光熔覆,研究了不同熔覆速率下的超高速激光熔覆涂层表面形貌、物相组成、元素分布以及微观组织变化。在30-60 m/min熔覆速率下,超高速激光熔覆涂层厚度由150μm减少至64μm,同时表面呈现出凹凸不平的不规则形貌,表面粗糙度范围为10-20μm。相比于传统激光熔覆涂层,超高速激光熔覆涂层显微组织更加细小,在顶部区域观察到尺寸小于1μm的超细晶甚至纳米晶。超高速激光熔覆涂层显微组织形成过程与熔覆速率密切相关,随着熔覆速率的提升,温度梯度G减小,生长速率R增加,且R变化幅度更为显著,导致G/R降低,冷却速率G×R增加,使微观结构趋向等轴晶转变,同时逐渐细化,晶粒尺寸减小。此外传统激光熔覆和超高速激光熔覆Fe基涂层的相组成主要为α-Fe,其余物相的存在较少。超高速激光熔覆涂层元素分布更加均匀,偏析较低,有利于保持涂层性能均匀稳定。（2）通过摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验,研究了不同熔覆速率下超高速激光熔覆Fe基涂层耐腐蚀与耐磨损性能,并探讨了超高速激光熔覆Fe基涂层的磨损与腐蚀行为机理。传统激光熔覆涂层的平均显微硬度约为500 HV,而超高速激光熔覆涂层显微硬度可达560-635 HV,且伴随熔覆速率增加而提高。超高速激光熔覆涂层展现了与传统激光熔覆涂层相同的磨损机制,即磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。传统激光熔覆涂层的磨擦系数和磨损率分别为0.6和1.235×10-2 mm~3N-1m-1,而超高速激光熔覆涂层磨擦系数和磨损率最低可达0.368和4.54×10-3 mm~3N-1m-1,同比减少了38.6%和62%,表现出更好的耐磨损性能。在3.5 wt.%Na Cl电化学腐蚀试验中,超高速激光熔覆涂层比传统激光熔覆涂层显示出更高的自腐蚀电位和更低的自腐蚀电流密度。此外,交流阻抗谱测试发现超高速激光熔覆涂层比传统激光熔覆涂层有更高的电荷转移电阻Rt,以上结果表明超高速激光熔覆涂层具有更好的耐腐蚀性能。（3）通过超高速激光熔覆与激光重熔的复合工艺制备了单层和多层Fe基涂层,对超高速激光熔覆及复合工艺下制备的Fe基涂层的表面形貌,成型质量,显微组织,耐腐蚀和摩擦磨损性能差异进行了分析。随着超高速激光熔覆涂层层数的增加,顶表面的起伏和缺陷也不断积累。采用超高速激光熔覆与激光重熔复合工艺可以有效优化涂层的表面质量。经过重熔复合工艺处理后的单层和多层Fe基涂层表面粗糙度分别下降了65.78%和57.89%。采用激光重熔复合工艺可以消除多层Fe基涂层的层间缺陷,改善层间冶金结合。同时可以提高单层Fe基涂层致密度（从99.7245%提高到99.8362%）。重熔后的超高速激光熔覆涂层微观组织在晶粒取向和尺寸上更加规则和均匀,顶表面获得了更均匀、更厚的超细晶区。电化学试验结果表明两种工艺下的熔覆涂层的自腐蚀电位差异不大,但是超高速激光熔覆-重熔复合涂层的自腐蚀电流密度显著降低。此外,激光重熔能够略微提高超高速激光熔覆Fe基涂层的表面硬度,但是摩擦磨损试验结果表明其摩擦系数和磨损率仅略有改变,磨损性能表现差异不大。本研究对超高速激光熔覆技术及其复合工艺的试验和探究,为其他高性能超高速激光熔覆涂层的实验探索和应用提供了一定的理论指导,对超高速激光熔覆技术的进一步推广和在实际工业生产中的应用具有较高的理论价值和实际意义。
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