摩擦大变形热力耦合作用下激光熔覆组织的演变特征与机理

激光熔覆是近年来发展较快的一种表面改性技术。然而，熔覆组织易产生裂纹、第二相网状分布等缺陷，成为长期困扰该领域发展的重要难题。.本项目拟采用搅拌摩擦大变形热力耦合作用对自熔性镍基激光熔覆组织改性，实现裂纹消除、网状第二相破碎、细化、弥散化。基于此，本研究拟展开以下四个方面工作：第一，通过连续驱动摩擦实验，以熔覆组织产生大变形的摩擦学条件为主要参量，研究搅拌头材料的评测与优选；第二，采用优选的搅拌头材料，进行搅拌摩擦改性工艺实验，借助物理模拟装置系统研究温度、应力、应变速率的演变规律及与工艺参数的关系，并确立其表征；第三，在此基础上，研究温度、应力、应变速率对组织演变的影响规律，结合动态再结晶以及塑性变形理论，揭示激光熔覆组织演变的机理，建立数理模型；第四，研究微观组织演变特征与力学性能的关系，获取摩擦改性的理论与优化方案。.本项目将为"激光熔覆+摩擦变形"高强韧表面改性奠定理论基础。

激光熔覆钴基与镍基合金组织中的碳化物呈网状分布，将韧性较好的α相隔离开，降低了涂层的韧性并容易导致裂纹产生。本课题采用搅拌摩擦加工的热力耦合效应对熔覆组织进行改性。目的是调整网状分布的第二相为纳米弥散分布，并消除裂纹，从而提高熔覆层的力学性能。本课题首先以Co-Cr-Ni合金为代表，采用SEM/TEM对搅拌摩擦（Friction Stir Processing, FSP）微观组织演变进行表征；而后采用FSP改性Co-Cr-Fe、Co-Cr-W、Ni35激光涂层，验证FSP方法使激光熔覆组织碳化物弥散化、纳米化的普适性。在以上基础上，建立了FSP纳米晶组织演变及性能随摩擦应变场关系的解析模型。FSP过程的组织演变是由最小尺度的原子扩散完成，因而本工作最后对变形促进扩散的规律进行了探讨。本项目得出以下主要结论：.（1）FSP可将激光熔覆Co-Cr-Ni合金网状组织改性调整为纳米晶组织，并消除裂纹。碳化物及α-Co晶粒尺度从约2μm细化为20~50nm，网状碳化物变成纳米弥散分布。其中晶粒尺寸从加工层表层至内部沿梯度分布，晶粒尺寸及粘塑性区厚度与FSP转速和行进速度有关。而后发现FSP也可对激光熔覆其他合金如Co-Cr-Fe，Co-Cr-W，Ni35合金进行改性，使网状碳化物调整为纳米晶弥散分布。经历FSP大变形后，钴基和镍基合金硬度与耐磨性均大幅度提升。本课题揭示了碳化物相与钴基固溶体之间的晶体学位相关系。.（2）建立了FSP加工Co-Cr-Ni合金微观组织演变及性能与FSP应力应变场之间关系的数理模型。该模型建立是基于粘塑性理论及摩擦焊热力耦合理论。该模型表征了碳化物颗粒与摩擦表面至内部距离及FSP转速之间的数理模型关系。该模型与实验结果进行了对比，结果表明该模型与实验能较好吻合。.（3）摩擦剧烈塑性变形极大促进了原子扩散行为，获得了旋转摩擦过程变形速率与扩散系数的唯象关系。.本项目为金属材料高性能表面改性提供了理论与技术指导。在本项目资助下，在国际期刊Surface and Coatings Technology, Applied Surface Science, Lasers in Engineering等发表论文11余篇（其中SCI收录10篇），申请专利2项，出版专著1部，培养博士后1名，博士生1名，硕士生4名。