铌合金电子束熔覆成形及热作用仿真研究

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采用料浆烧结法在Nb-10W合金基体上制备硅化物涂层,该涂层表面粗糙度大并含有较多缺陷,影响涂层高温抗氧化性能。利用高频扫描电子束对硅化物涂层进行熔覆处理,制得了电子束熔覆硅化物涂层。测试了熔覆涂层在1600℃和1800℃的静态高温抗氧化性能。利用扫描电子显微镜、能谱仪及X射线衍射仪分析和研究了电子束熔覆处理前后涂层组织和结构变化,涂层氧化后组织结构,并探讨了熔覆涂层的高温抗氧化机理。研究结果表明烧结涂层是通过反应扩散形成的,该涂层为复合结构:包括外层NbSi2相主体层和内层Nb5Si3相扩散层。经电子束熔覆处理后,涂层主体结构基本不变,微观结构发生改变。主体层表面形成与涂层界面垂直的柱状细晶NbSi2相区;内层Nb5Si3相扩散层厚度增加。料浆烧结涂层经过电子束熔覆处理后,涂层表面颗粒细化,表面粗糙度显著降低,缺陷明显减少。电子束熔覆处理提高了硅化物涂层的抗氧化性能,涂层在1800℃下静态氧化10h不失效。电子束熔覆表面熔池的温度场,直接影响熔覆涂层组织结构的形成。在综合考虑电子束与材料的相互作用机理、电子束扫描波形特点及热源的形状情况下,针对铌合金基材电子束熔覆硅化物涂层建立了高斯分布圆环状热源模型。通过ANSYS有限元分析软件模拟电子束熔覆涂层的热作用过程,得到熔覆温度场分布特征。温度场计算结果表明,电子束熔覆温度场的特征是:熔覆过程加热和冷却速度快,可达103-104℃/s;熔化区域表面温度场分布比较均匀。计算所得的熔覆表面宽度和截面熔深结果与实际试验结果吻合较好,验证了熔覆温度场学模型的可靠性。利用该模型预测了电子束束流、扫描速度和束斑直径三个工艺参数对熔覆热输入和温度场的影响。通过熔覆温度场数值模拟,建立了熔覆热输入与涂层熔深的相关性,可有效控制及预测涂层熔深。利用熔覆温度场数值模拟结果解释了试验中观察到表面重熔层及微孔带的形成过程。
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