激光熔覆Fe-VC复合涂层组织与性能研究

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核电阀门是核电设备的重要关键部件,长期工作在高温高压的介质环境中,其密封面质量的好坏直接影响阀门的性能。目前核阀密封面堆焊材料一般均为含钴合金,但Co是一种稀有金属,价格昂贵,而Co元素在辐射环境下会被激发形成半衰期很长的放射性同位素Co-60,引起核污染。激光熔覆作为一种新兴的材料表面改性技术,它通过高能量密度的激光热作用在零件表面制备熔覆层,提高零件的使用性能,延长使用寿命,而广泛应用于零件强化和修复领域。本文设计一种以Fe为主,添加C、Cr、Si、Mo合金元素制备新型Fe基耐磨合金粉末,并通过添加VC陶瓷颗粒增强熔覆层综合性能。采用高功率宽带半导体激光器及侧向送粉方式在316不锈钢基体表面制备熔覆层。研究送粉角度、激光功率、扫描速度、送粉量、VC粉末含量和粒度对熔覆层的影响。通过扫描电子显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪分别对熔覆层的显微组织、成分分布及物相组成进行了详细分析。研究表明,当送粉角度为80°,激光功率P=1800W,扫描速度Vs=4mm/s,送粉量Vf=45g/min,VC含量为30%,粒度为320-400目时,可获得表面形貌良好,内部无裂纹、夹杂等缺陷的复合涂层。不加VC的熔覆层物相主要为(Fe,Cr)7C3与Cr7C3相组成;加入VC后,熔覆层的组织由典型树枝晶转变为细小等轴晶,加入30%VC的熔覆层物相主要为(Fe,Cr)7C3、Cr7C3、Fe3C 和 VC。通过对熔覆层性能的测试分析表明,Fe基合金熔覆层平均硬度为640HV0.2,复合涂层平均硬度为820HV0.2。弥散分布的碳化物形成网状结构,提高了复合涂层的耐磨和抗气蚀性能,其高温磨损机理主要为磨粒磨损,并伴随轻微氧化磨损、粘着磨损;抗气蚀性能较铁基合金涂层提高约2.4倍,较基体提高约8.6倍。试验结果表明:Fe-VC复合涂层是一种较为理想的激光熔覆材料,在耐磨损阀门密封面有较好的应用前景,同时,研究为Fe基复合合金粉末设计及应用提供指导。
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