研究所设计Fe基和Co基合金激光熔覆层的组织结构及海水环境下摩擦磨损行为，用于解决地铁ER9车轮钢表面防护与修复问题。采用激光熔覆技术在ER9车轮钢表面制备Fe基合金涂层和Co基合金涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对比分析了两种熔覆层的微观组织结构、物相及化学元素组成，利用往复摩擦试验机考察了其在海水环境下的摩擦学性能。结果表明：在海水环境下的滑动摩擦中，车轮钢基体表面覆盖了大面积腐蚀产物且呈现出大量平行于滑动方向的沟槽。而在两种熔覆涂层中，铁基合金涂层主要由α-Fe、(Fe,Ni)和Cr7C3等固溶体组成，平均硬度(约638.8 HV)相当于基体(284.8~293.2 HV)的2.21倍，摩擦因数约为0.270，磨损率为9.64×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制以轻微磨粒磨损为主，同时伴有腐蚀磨损。钴基合金涂层的结晶相主要是FeNi3相、γ-Co相和Cr23C6相，平均硬度(约467.9 HV)是基体约1.62倍，摩擦因数约为0.225，磨损率为3.06×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制主要为轻微氧化磨损。

针对综采工作面典型零件防护涂层快速修复和制造的需要,本文以取代传统镀铬工艺为目标,采用高速激光熔覆在45钢表面制备了高质量的铁基合金涂层。采用超景深三维显微系统观察涂层的表面形貌,采用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪研究了熔覆层的显微形貌及元素含量变化,采用X射线衍射技术分析了涂层各部分的物相组成,利用显微硬度计测试了涂层的显微硬度,最后采用电化学工作站测试了涂层的耐蚀性。结果表明:高速激光熔覆的熔覆效率为0.243 m ²/h;涂层平整均匀,表面粗糙度R_a≈21.38 μm;涂层组织均匀致密,且与基体实现了良好的冶金结合,稀释率约为7.1%;涂层主要由铁素体和奥氏体组成,晶粒细密,平均晶粒直径不超过2.8 μm;涂层表面的显微硬度约为基体的3倍;涂层的自腐蚀电流密度为基体的0.33%,其优异的耐蚀性源于更均匀的成分分布。

为了改善铁基合金自熔性粉末在激光熔覆工艺下所制备涂层的质量。在铁基合金自熔性粉末里加入不同质量配比的单晶硅粉, 并采用Nd:YAG激光加工系统制备不同的铁基合金熔覆涂层。通过检测和测量得到各涂层的宏观图像、显微图像、EDS图谱和硬度。结果表明: Si元素可以有效提高熔覆涂层的硬度, 但过高的Si元素也会造成熔池流动性过大, 无法形成良好的熔覆涂层。当质量配比为20∶1时, 涂层硬度可达66 HRC, 但其涂层厚度不均匀, 与基材结合不够良好; 而当质量配比为40∶1时, 所制备的铁基激光熔覆涂层具有较高硬度, 同时其涂层质量也较为良好。此研究对于钢材激光熔覆铁基合金涂层具有指导意义。

为了提高冶金关键零部件热轧地下卷取机卷筒扇形板的力学性能并延长其使用寿命, 使用激光熔覆技术在2Cr12NiMoWV钢表面分别制备了两种铁基合金熔覆层; 利用金相显微镜观察熔覆层的显微组织; 利用显微硬度计测试熔覆层的硬度; 利用万能力学试验机测试熔覆层的力学性能; 利用SEM观察拉伸断口的显微组织; 利用EDS对断口的元素种类与含量进行分析。试验结果表明: 两种铁基合金熔覆层表面光滑平整, 无裂纹、气孔等明显缺陷, 均与基体钢形成了良好的冶金结合; 熔覆层的界面组织呈现定向快速凝固特征。其中A粉末制得的激光熔覆层硬度整体高于基体, 抗拉强度1 030 MPa, 屈服强度812 MPa, 延伸率10.1%, 断口形貌表明其断裂机制为脆性断裂; B粉末制得的激光熔覆层硬度整体略低于基体, 抗拉强度895 MPa, 屈服强度512 MPa, 延伸率26.5%, 断口形貌呈现出大量的韧窝, 断裂机制为韧性断裂。A粉末的激光熔覆组织硬度高、强度大, 塑性较差, B粉末的激光熔覆组织硬度较低、强度较差, 塑性极好。

本研究为了提高截齿的性能, 延长截齿的使用寿命。本实验使用大功率宽带半导体激光设备, 在42CrMo基材上制备了超硬复合材料, 获得了与基材紧密结合的高硬度, 高耐磨性熔覆层。研究结果表明: 熔覆层的硬度可达到855.6 HV0.3, 将基体硬度提高了3.45倍; 在基体的热影响区, 部分基体硬度可达到550 HV0.3; 熔覆层的摩擦系数与失重量均比基体的摩擦系数与失重量小, 提高了截齿的抗磨损性能; 熔覆层厚度可以达到1 351 μm; 当功率为3 500 W时, WC开始大量的熔解, 并与其他的元素相结合, 形成树枝状、块状的共晶物, 其成分主要是由Fe、Co、Cr、W等元素组成; 熔覆层中不同梯度元素含量的变化导致熔覆层各个梯度的性能出现差异, Fe、Cr、Si、W元素的改变是影响熔覆层中硬度变化的内在因素; WC颗粒周围存在微小的树枝状晶体, 有利于防止WC颗粒的脱落, 提高熔覆层耐磨性及硬度; 铁基碳化物涂层能够增强截齿性能, 减少截齿在应用过程中损伤, 延长截齿的使用寿命。

以WC为强化相颗粒,在AISI H13热作模具钢表面制备了纯铁基合金熔覆层和WC质量分数为3%、6%、9%铁基合金熔覆层。在优化工艺参数的基础上,研究了熔覆层中的WC分布以及熔覆层的组织形貌、物相和磨损行为。结果表明:熔覆层与基体之间形成了良好的冶金结合,熔覆层组织主要由枝晶和共晶组成;加入WC颗粒后,其周围区域出现了组织细化现象;熔覆层因硬质相而获得了更高的硬度,且其耐磨损性能相比于基体有明显提升;当WC质量分数为3%、6%、9%时,熔覆层的硬度和耐磨性能比铁基熔覆层有较大提升;熔覆层的磨损机制主要为磨粒磨损,并伴有不同程度的黏着磨损;随着WC质量分数的增大,熔覆层的氧化磨损程度逐渐加深。

针对汽轮机转子轴颈易损伤的问题, 采用2 kW半导体激光器进行同轴送粉的激光再制造Fe基合金试验, 以提升其表面性能, 解决失效问题;采用显微硬度计、气蚀装置与残余应力分析仪分别测试了再制造层的显微硬度、抗气蚀性能与残余应力。结果表明, 再制造层最高显微硬度为359 HV0.2, 平均显微硬度为353 HV0.2, 较基体提高20%, 再制造层的抗气蚀性能较基体提高了3倍以上。再制造层的表层两端的残余应力为压应力, 中部为拉应力, 从基体到热影响区逐渐升高;沿层深由再制造层至热影响区, 残余压应力先转变为拉应力, 再转变为压应力。另外由实验数据依据弹性力学的叠加原理, 提出了确定再制造层残余应力的反推法。

利用激光熔覆技术在工件表面进行改性处理,形成铁基合金熔覆层。采用金相显微镜(OM)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和电子探针(EPMA)研究了激光熔覆FeCrBSi铁基合金涂层中裂纹的形态和断口的成分,分析了复合涂层中裂纹形成的机理。研究结果表明,若选择的激光熔覆工艺不当,熔覆层基体易产生裂纹,其形态主要有横向裂纹和纵向裂纹两种。熔覆层中的气孔及断口聚集含Cr、O、Si等元素的夹杂缺陷是内部裂纹断裂的根源,熔覆层中裂纹大多起源于熔覆层与母材交界处,即熔覆层底部熔合线附近。熔覆层的裂纹可以是沿晶或穿晶断裂,断口形貌呈现解理断裂或准解理断裂形态。

为了提高阀门密封面表面的耐磨性及抗汽蚀性, 以高性能阀门典型用316不锈钢为基体材料, 采用高功率宽带半导体激光器在316基体表面制备了Fe-C-Cr-Si-Mo合金熔覆层。通过显微硬度计、扫描电子显微镜、X 射线衍射仪、摩擦磨损试验机及汽蚀装置对熔覆层的硬度、显微组织、耐磨性和抗汽蚀性能进行了研究。结果表明, 采用优化后激光制造工艺参数, 可获得与基体具有良好冶金结合并且稀释率低的熔覆层。熔覆层平均硬度值达到640 HV0.2, 显著高于基体硬度170 HV0.2。熔覆层硬度较高, 晶粒细化形成了“骨架”支撑了表面以抵御磨损和汽蚀破坏, 从而使得熔覆层的耐磨性提高了3倍左右, 熔覆层磨损机制为磨粒磨损, 抗汽蚀性能较基体提高了2.8倍。

为了对35CrMo电机主轴激光熔覆铁基合金与镍基合金涂层进行对比研究, 利用 CO2激光在35CrMo电机主轴表面制备3540铁基和Ni00镍基合金改性涂层, 在初步满足工程应用的前提下, 对两种材料改性涂层横截面横向和纵向上的硬度进行测试, 并通过配备腐蚀液对其进行了金相研究。结果表明,在熔覆区和熔合区交界处附近, 两种熔覆材料的显微硬度差别不大, 均为640HV左右, 都能满足工程应用;两种涂层材料的耐腐蚀性均较基体材料强, 激光熔覆区域、熔合区的显微组织差异明显, 晶粒的尺寸逐渐变小, 且镍基材料的耐腐蚀更强。综合比较而言, 选择Ni00熔覆材料较3540材料更能满足工程应用。