搅拌摩擦加工修复激光钴基涂层/铜基体弱结合界面及结合强度提升基础研究

The weak bonding interface that usually existed between laser cladding Co-base coating and crystallizer copper plate, is a significant problem that plagued surface modification field for a long time. Aimed at the repairing the weak interface, this project breaks traditional thought and proposes the friction stir processing (FSP) method to repair the interface by its thermal mechanical coupling effect of severe plastic flow field, so as to transform the weak interface to the strengthened interface with interlocking bonding and atom diffusion bonding. The former is mechanical bonding and the latter is metallurgical bonding. Simultaneously, the microstructures of both coating and substrate are refined to nanograins. Thus, the coating bonding strength could be enhanced. Based on the earlier-stage work of producing interlocking coating, this project proposes the following scientific problems: first, the mechanism and influencing principle of FSP plastic flow inducing interlocking interface; second, kinetics of FSP plastic flow enhancing the atom diffusion of interface; third, influencing model between interlocking interface, atom diffused interface, nano-crystallization and interface shear strength. This project will use the theories of plastic mechanics and diffusion kinetics to solve the scientific problems, so as to obtain the relation model of “plastic flow field-interface interlocking and diffusion-interface shear strength”, by which the precise technical control of interface multi-scales bonding and strengthening can be realized. This project could provide scientific basis for surface modification of copper crystallizer.

结晶器铜板表面激光熔覆钴基耐磨涂层与铜基体界面存在弱结合缺陷，成为长期困扰激光表面改性的重要难题。针对激光涂层弱结合界面修复问题，本项目打破传统思路，提出采用搅拌摩擦加工方法，利用其大塑性流动场的热力耦合效应，将激光钴基涂层/铜基体弱结合界面调整为“穿插互锁（机械结合）”与“原子扩散（冶金结合）”两种尺度结合，同时使界面两侧组织纳米化，从而提升界面结合性能。本项目在前期已初步获得搅拌摩擦制备穿插互锁涂层经验基础上，凝练出以下科学问题：一，搅拌摩擦塑性流动场诱导界面穿插互锁形成机理及影响规律；二，搅拌摩擦塑性流动场增强界面原子扩散动力学；三，界面穿插互锁、界面扩散、纳米晶形成对界面剪切强度影响模型。以塑性力学、扩散动力学等理论为指导解决以上科学问题，获得“塑性流动场-界面穿插互锁与原子扩散-界面剪切强度”定量关系，从而实现界面多尺度结合与强化精确调控，为铜结晶器激光表面改性提供科学支撑。

本项目针对激光熔覆涂层弱结合界面、激光熔覆组织冶金缺陷，开展了涂层弱结合界面的FSP修复以及激光冶金缺陷抑制的研究，取得以下四个方面进展。第一，采用搅拌摩擦制备了与基体具有互锁界面的涂层。针对激光熔覆Co基涂层与铜合金基体的弱结合界面，进行搅拌摩擦修复，界面形成 “啮齿状”机械互锁结构。互锁结构的数量与搅拌速率之间呈正相关变化。由于“互锁”结构的存在，其界面处的硬度是未经过搅拌摩擦处理界面硬度的两倍。激光熔覆Co基涂层平均摩擦系数0.62，经900rpm搅拌摩擦涂层摩擦系数稳定在0.56左右。在Fe/Cu、Ni/Cu、Al/Cu、Ni-WC/奥氏体钢等体系中验证了FSP制备互锁涂层的普适性。第二，揭示了力作用下的原子扩散。搅拌摩擦除了形成穿插互锁界面结合，还形成界面原子快速扩散结合。前者是材料流变后的结果，属于机械结合；后者是原子扩散的结合，属于冶金结合。搅拌摩擦后激光熔覆α-Co的晶格常数增大，也证实了强制固溶与快速扩散。为了深入理解力对原子扩散的影响，还进行了分子动力学模拟研究，从原子尺度研究了热场及力场对原子扩散深度及扩散速度的影响。采用Voronoi tessellation 方法生成4晶粒原始模型。采用LJ势函数对不同晶体结构金属扩散行为进行研究。结果表明，压力会使材料的扩散系数增大。随着压力的增大，扩散系数先增大后减小，但仍高于无压状态下体系的扩散系数。第三，揭示了激光深熔焊制备互锁涂层现象。采用高功率光纤激光直接熔覆涂层，使其产生匙孔效应，形成深熔焊熔池。深熔焊熔池与铜基体形成锯齿状结合，保证了涂层与基体的结合力，形成了微观与介观尺度的界面结合。第四，发现相变抑制裂纹，为激光加工阻裂提供新视野。发现激光加工的热应力诱γ→ε发马氏体相变，释放打印过程中的热应力，并且由于马氏体相变过程中会发生体积膨胀，导致打印过程中的热应力从拉应力转变为压应力，因而抑制了热裂纹的形成。在抑制裂纹基础上，显微组织存在大量的层错和层状的HCP相。层错一般起始于晶粒边界并且互相平行，同时基体相和层状的HCP保持着<110>∥<1120>的位相关系。应力诱导相变在高熵合金和钛合金中进行了实现。以上研究为修复激光熔覆弱结合界面、激光冶金缺陷提供理论支撑。