基于微纳复合粉体的激光熔覆组织的演变特征及强化机制

Wear and corrosion resistance of the blade has an important effect on the service life of the blender equipments. In our country, blades are usually made of stainless steel, which has a good corrosion resistance but a poor wear resistance..We try to transplant the plastic deformation strengthening effect of high manganese steel to the blade surface in this project, and use the pre-coating laser multi-cladding technique to get a functionly gradient coating which is composed of the in-situ high Mn steel matrix first layer and the micro- and nano composite carbides enforced wear and corrosion resistant second layer. Based on this, three events will be carried out in this project. First, effect rules the laser cladding materials and processing parameters on the microstructure evolution will be investigatd according to the composition and processing economic pre-coating laser cladding experiment. And the microstructure evolution mechanism of the cladded coating will be explained. Second, we will study relationship between the microstructure evolution characteristics and the mechanical properties based on the above investigation, and establish the relational model among processing parameters, microstructure and mechanical properties.Third, we will further study the strengthening mechanism and its relationship with the microstructure evolution characteristics, and establish an evaluation system for the strengthening effets, so that we can re-manufacture the high quality work layer of the blades. .This project will establish the theoretical principle for the laser surface modification to improve the strength and toughness of the blender equipments.

桨叶的耐磨蚀性直接影响混料设备的使用寿命。目前国内混料设备中的桨叶采用的不锈钢虽具有较高的耐蚀性，但耐磨性能差。.鉴于此，本项目拟将高锰钢的塑性变形强化效应"移植"于桨叶表面，采用高速喷枪预喷涂激光多层熔覆技术在其表面获得功能梯度涂层：原位合成高锰钢第一层 + 微纳复合粉体增强耐磨蚀第二层。基于此，本研究拟展开以下三个方面工作：第一，通过成分和工艺成本较低的预喷涂激光熔覆实验，研究熔覆材料及工艺参数的变化对组织演变的影响规律，揭示熔覆层组织演变机理；第二，在此基础上，研究微观组织演变特征与力学性能的关系，建立工艺参数-组织结构-力学性能的关系模型；第三，研究熔覆层强韧化机制及其与组织演变特征的关系，建立强化方式评价体系，以达到高性能桨叶工作层再制造的目的。.该项目将为混料设备表面激光高强韧改性奠定理论基础。

为提高混料设备中不锈钢桨叶的耐磨性，本项目采用激光技术在其表面原位合成Mn+碳化物陶瓷的强化层。优化工艺参数下强化层相对于桨叶基体的耐磨性和耐蚀性分别为：Mn-Al2O3为1.37和1.61；Mn+NiWC为3.64和2.69；Cr-CrB2为18.76和1.85；Mn+W2C为4.56，其合金化层表面裂纹较多，无相对耐蚀性数据；Mn+SiC为1.21和1.56；Mn+Cr3C2为2.08和0.16。碳化物粉末的加入可以大幅提高桨叶基体的耐磨性，但是耐蚀性提高较为微弱，某些粉末甚至降低其耐蚀性。桨叶基体材料为不锈钢，本身具有较好耐蚀性。在不降低耐蚀性基础上，多数粉末均可作为桨叶基体的强化和再制造粉末。.基体的磨损机制为研磨磨损、粘着磨损、氧化磨损和塑性变形；强化层的磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损，少量塑性变形和氧化磨损，基体腐蚀以晶粒中形成的孪晶晶界腐蚀为主，伴有点蚀，强化层腐蚀方式以晶粒间的晶间腐蚀为主，伴有晶粒和晶界处的点蚀。强化层耐磨性的提高是细晶强化、固溶强化以及韧性γ-Fe基体、强韧马氏体和各种硬质相，以及基体和硬质相之间良好的结合综合作用的结果；强化层耐蚀性的提高是由于激光的快速加热和冷却作用所产生的各种细晶组织及其不同的化学成分(Cr含量和分布)和腐蚀性能。在实际桨叶表面制备Mn+NiWC强化层的耐磨性能良好，在机服役三年后仍在服役。.气孔率为3.3%的激光直接沉积4340钢中奥氏体、马氏体和渗碳体之间的取向关系与传统热处理钢中一致。去应力热处理提高了铁素体再结晶的温度和马氏体转变开始温度，降低了每一层的残余应力和纳米硬度值，且前一沉积层的值低于后续沉积层的值。去应力热处理将直接沉积试样的弹性模量从237.6 GPa降低至206.3 GPa，其显微硬度和弹性模量都较退火态4340钢大幅提高。与退火态4340钢相比，热处理的4340 钢DMD试样的极限屈服强度(1399 MPa) 提高了88%，工程应变(1.665%)降低了92.4%。热处理后4340 DMD的剪切强度和剪切应变分别是512 MPa和0.537%。其弯曲强度为225 MPa。弯曲断裂发生在在第一层与与第二层的交界区。未熔合缺陷更是决定材料力学行为的致命因素。.研究结果可推动激光技术在塑料领域的应用，推动激光再制造技术的进一步发展。