激光熔覆NiWC涂层的数值模拟与涂层组织和性能的研究

激光熔覆Ni/WC涂层的数值模拟与涂层组织和性能的研究
高锰钢在强烈的冲击下表现出优异的耐磨性,由此而被常用于矿山、冶金、铁路、电力等行业,但仅在大冲击、高应力、磨料硬度大的工况下,其高耐磨性才能够表现出来。

作为一种应用前景十分广阔的激光熔覆表面强化技术是提高其耐磨性的有效手段。

因此,本文利用激光熔覆表面改性技术在高锰钢表面熔覆一层Ni/WC复合涂层,以期高锰钢耐磨性得以提高,并做了激光熔覆的数值模拟,希望通过结合试验结果和模拟结果分析研究熔覆层的组织和性能。

主要研究内容如下:(1)根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,通过将温度场的结果与凝固理论结合,由形状控制因子推导出沿基体表面往深度方向的熔覆层组织依次为等轴晶、枝晶、胞晶、平面晶,由冷却速度推断出熔覆层组织大小关系为等轴晶<枝晶<胞晶<平面晶,通过验证试验证明了模拟的正确性和准确性。

(2)通过同轴送粉激光熔覆技术在Mn13Cr2上制备Ni/WC复合涂层,进行了不同激光功率和扫描速度的正交试验,结果表明,在其他工艺参数相同的情况下,熔覆层的宽度随激光功率的增加而增大,而熔覆层的高度则随功率增加而先增大再减小而后又增大,对于扫描速度,熔覆层宽度、高度都随着扫描速度的增加而减小,激光功率应控制在1600 W至1900 W范围内较合适,扫描速度控制在400 mm/min 至800 mm/min范围内较合适。

(3)通过光学显微镜、SEM、EDS、显微硬度计进行了一系列的表征试验,也做了室温干摩擦磨损的耐磨性检测试验。

结果表明,沿基体表面往深度方向的熔覆层组织依次为等轴晶、枝晶、胞晶、平面晶,组织大小关系为等轴晶<枝晶<胞晶<平面晶,这与通过模拟推测出的相一致;熔覆层的平均显微硬度分别为基体的2.8、2.5、2.3倍,涂层显微硬度较基体提升明显;基材的磨损量是功率为1600 W时的熔覆层的10.4
倍,Ni/WC涂层的耐磨性有了很大的提升。