旋转磁场辅助激光熔覆CNTs复合非晶涂层可控制备及强韧性研究

Remanufacturing is a critical approach to prolong service life of key parts for the turbine. High-performance amorphous alloy has potential engineering application as an advanced coating material. The aim of this project is to improve toughness of the amorphous coating. A series of strength-toughness balance CNTs/amorphous iron matrix composite coatings will be prepared by laser cladding with applying rotating magnetic field. The main research content is as follows: (1) the formation and evolution of microstructure of amorphous coating with external field are systematically investigated under rapid non-equilibrium solidification conditions. (2) the effects of atom diffusion and migration in molten pool on the formation of amorphous coating, morphology distribution of CNTs and interfacial bonding state are explored. (3) the brittle-ductile transition behaviors of the composite coatings with different CNTs distributions are also discussed in details. The multi-scale crack propagation and life-span prediction models are established. Through the above researches, the main toughening mechanism of CNTs/amorphous composite coating is elaborated. This project will provide the theoretical basis and technical support for remanufacturing of the key parts of hydraulic machinery.

水轮机关键过流易损部件表面再制造是延长零件服役寿命的重要措施，高性能非晶合金作为先进的涂层材料具有潜在的工程应用价值。本项目以改善非晶涂层的韧性为目标，将旋转磁场引入激光熔覆技术成型系统中，实现强韧均衡CNTs/非晶铁基复合涂层的可控制备。重点研究了（1）系统研究外场作用下非晶涂层在快速非平衡凝固条件下微结构的形成及演化规律；（2）电磁场下熔池原子扩散迁移行为对涂层非晶形成及CNTs形态分布和界面结合的调控机制和效应。（3）探讨不同CNTs分布状态下复合涂层脆-韧转变行为，建立多尺度裂纹扩展及全寿命预测模型。通过上述研究，揭示CNTs对非晶涂层的增韧机制，为水力机械关键易损部件的低碳再制造提供理论基础和技术支持。

如我们所知，易损部件表面再制造是延长零件服役寿命的重要措施，所以高性能非晶合金作为先进的涂层材料具有潜在的工程应用价值。本项目以改善非晶涂层的韧性为目标，将旋转磁场引入激光熔覆技术成型系统中，实现了强韧均衡碳纳米管（CNTs）/非晶铁基复合涂层的可控制备。着重研究了添加的CNTs与非晶相之间的相互作用及对非晶相形成的影响。发现尽管激光照射和高温作用可能使得部分的CNTs结构在激光熔覆过程中遭到破坏，但大部分的CNTs结构被完整地保存下来，有效地制备了CNTs/非晶复合熔覆层。另外发现CNTs粉末的添加改变了原有非晶粉末的原子比例，准纳米晶尺寸随着CNTs含量的增加而增大。具体地，非晶熔覆层非晶区析出的纳米晶尺寸为13.0 nm，且随着CNTs含量的增加逐渐增大，直至16.0 nm。实验结果表明复合熔覆层的硬度呈现梯度分布，不同CNTs含量的复合熔覆层柱状晶区和等轴树枝晶区硬度差别不大。在未添加CNTs的情况，复合熔覆层非晶区域的硬度为1615.0 HV，随着加入的CNTs质量分数的增加，复合熔覆层中非晶区的平均硬度由1615.0 HV降低到1464.3 HV, 断裂韧度由5.4 MPa·m1/2提高至8.2 MPa·m1/2。借鉴颗粒相强化晶体材料模型-Orowan增强理论分析了相体积分数、弥散度等对涂层显微硬度的影响，得出了应力作用下剪切带扩展、增值的作用机制。另一方面，研究了旋转磁场的引入对CNTs在复合熔覆层中的分布和复合熔覆层组织演化规律及其韧性变化的影响。发现旋转磁场促进了CNTs在熔覆层内均匀分布，熔覆层内的组织从柱状晶到等轴晶的转变（CET）以及晶粒细化。而且熔覆层的硬度和耐磨耐腐蚀性能均得到了显著提高，裂纹生长速率大幅度降低。在0.1T交变磁场的作用下裂纹生长速率降低了35%。以上的结果应当归于交变磁场诱发熔池内产生了流动，起到搅拌熔池作用，促进传热和传质，增加了熔池的冷却速度，降低了成分偏析，促进了涂层中非晶相的体积分数增加并降低CNTs团聚的趋势。综上，本项目的研究结果为水轮机关键易损部件的再制造提供了一定的理论基础和技术支持。