激光熔覆超高强韧贝氏体涂层的纳米结构调控与性能研究

由纳米级贝氏体铁素体板条与残余奥氏体薄膜组成的纳米贝氏体组织,兼顾高强度和高韧性。本项目拟采用3.5 KW半导体激光熔覆技术,基于熔池温度场监控的工艺手段,建立熔覆条件下形成纳米贝氏体组织的理论与关键技术。研究半导体激光熔覆的熔池熔体行为、非平衡快速凝固与组织形貌，阐明合金体系与关键工艺参数对涂层成型、稀释率、涂层形貌和组织缺陷等的影响机制，揭示溶质原子的分布特征与调控因素；控制熔凝金属的冷却过程,研究低温固态相变对涂层室温复相组织、形态与纳米结构的影响，结合热力学与动力学估算，阐明熔凝金属的贝氏体相变规律和纳米结构调控机制；研究涂层的力学性能和摩擦学性能，特别是高载荷摩擦磨损性能，阐明激光熔覆的纳米贝氏体涂层的强韧化机制。通过本项目，提出合适的合金体系,阐明激光熔覆纳米贝氏体涂层的形成机制，掌握超高强韧铁基贝氏体涂层的纳米结构调控方法，为超高强韧铁基纳米贝氏体涂层的应用奠定理论基础。

纳米贝氏体钢的微观结构为纳米级贝氏体铁素体板条与残余奥氏体薄膜组成的纳米贝氏体组织，纳米贝氏体钢具有超高强韧性，综合力学性能优异。在零部件表面制备纳米贝氏体涂层可以提高材料表面高载荷条件下的服役性能。本项目采用激光熔覆以及随即等温保温的办法制备了具有高强度和高韧性的纳米贝氏体涂层。通过调整激光功率、扫描速度等参数以保证熔覆金属有较低的稀释率以及产生细小的树枝晶； 激光熔覆较快的冷却速率可保证熔凝金属可快速冷却至Bs(贝氏体转变温度)和Ms(马氏体转变温度)之间，不产生铁素体和珠光体转变； 通过调整预热温度以及等温转变温度，可得到不同尺寸和形貌的贝氏体相，调控转变时间可得到不同体积分数的贝氏体相。采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射分析（EBSD）、透射电镜（TEM）以及X射线衍射分析（XRD）等手段对不同等温温度下不同转变阶段的组织和形貌进行详细观察与分析，建立了熔覆金属在中低温等温条件下进行纳米贝氏体转变的热力学和动力学模型； 通过对高分辨电镜下纳米贝氏体精细纳米结构组织的观察分析，并结合已有的模型，提出了透镜状亚单元叠加倾斜切变生长物理模型；通过对涂层在不同等温温度条件下的动力学过程分析发现，与常规热处理制备纳米贝氏体方法相比，熔覆金属中的转变过程被加速，完成贝氏体转变所需时间缩短；通过对完成纳米贝氏体转变的熔覆层进行拉伸、显微硬度等力学性能表征，结果显示，纳米贝氏体涂层具有很高的强度和硬度，涂层的韧性则随着不同等温温度有所不同。本项目的研究成果，为超高强韧贝氏体涂层的工程应用提供了理论基础。