大型金属贵重零部件激光合金化与熔覆专用粉末材料的研发贵州大学.doc
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1、学科代码与名称2501710黑色金属及其合金学科评审组代码与名称160材料成果登记号360-17-2Q010291高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖(推广类)推 荐 书项 目 名 称:大型金属贵重零部件激光合金化与熔覆专用粉末材料的研发及应用第一完成单位:贵州大学通 信 地 址:贵州大学科学技术研究院电 话:0851-88292187邮 政 编 码:550025推 荐 时 间:2017-05-10520119005201-501CI0010022高等学校科学技术进步奖(推广类)推荐书(2017年度)一、项目基本情况学科评审组:材料1,2,奖励类别:技术开发项目名称中文名大型金属贵重零部件
2、激光合金化与熔覆专用粉末材料的研发及应用英文名Research and applications of alloy powder materials specially used in the large valuable metallic components strengthened or repaired by laser alloying and cladding主要完成人刘其斌,周芳,徐鹏,陈佳,袁忠友,徐根福主要完成单位贵州大学推荐单位(盖章)贵州大学项目名称可否公布是项目密级非密定密日期保密期限(年)定密审查机构主 题 词激光合金化与熔覆;贵重金属零部件;专用粉末材料;强化与修复
3、学科分类名称1黑色金属及其合金代码25017102金属基复合材料代码2502610所属国民经济行业制造业所属科学技术领域新材料任务来源I-其他;具体计划、基金的名称和编号:(限300字)无。发明专利(项)授权:4申请:10其他知识产权/标准(项)0项目起止时间起始:2007-01-01完成:2013-04-30教育部科技发展中心制二、项目简介(一)项目主要技术内容 1、低中碳钢大型贵重金属零部件激光合金化与熔覆修复专用粉末材料的研发及应用针对大型低中碳钢构件激光合金化与激光熔覆常使用传统的热喷涂粉末易导致涂层开裂的问题,进行激光合金化与熔覆专用粉末材料的研发,并对其进行推广应用。主要包括:利用
4、CO2激光对金属线材拉拔卷筒表面进行合金化,获得外观成型好、无气孔、无裂纹,具有高的硬度及耐磨性的合金化层,提高了卷筒的耐磨性;研制出适用于激光熔覆修复报废航空发动机制件高温锻压模具(4Cr5W2SiV)的专用低碳铁基合金粉末,研究最佳配比粉末,对最佳工艺条件下航空发动机制件高温锻压模具激光熔覆修复涂层的组织结构和性能进行分析。 2、极端工作条件下(强酸、强碱等)的金属构件激光熔覆强化与修复专用高熵合金粉末的研发及应用 针对硫酸和磷酸环境下搅拌桨叶片硬度较低,耐磨性较差的问题,研发一种专用激光熔覆粉末材料,并对其进行推广应用。主要技术内容为:研发了一种原位合成TiN增强高Cr型CoCr2FeN
5、iTix(x=0, 0.5, 1)高熵合金复合涂层,提高了搅拌桨叶片的耐磨性和耐蚀性,延长了搅拌桨叶片的服役寿命。(二)授权专利情况 获得4项国家发明专利授权(ZL200510200010.0;ZL200810306612.8;ZL200810302874.7;ZL201310300255.5)。(三)技术经济指标 1、低中碳钢大型贵重金属零部件激光合金化与熔覆修复专用粉末材料的研发及应用 (1)经该技术制备的合金化层的平均硬度可达到HV 880,合金化层的耐磨性能和抗高温氧化性能得到很好的改善。在合金化粉末中添加Y2O3可明显改善合金化层的组织和性能,Y2O3添加量为1.0 wt.%时,合金
6、化层具有最高的硬度和耐磨性。 (2)当研发的铁基熔覆粉末的重量百分比为:0.2%C、25%Cr、1.0%Ni、1.5%Si、1.5%B,余量为Fe时,可获得了无裂纹的熔覆层,熔覆层与基材实现了良好的化学冶金结合。在最佳工艺条件下,熔覆层内组织过渡良好,熔覆层稀释率小于10%,熔覆层最高硬度达到810 HV0.2。 2、极端工作条件下(强酸、强碱等)的金属构件激光熔覆强化与修复专用高熵合金粉末的研发及应用 根据高熵合金设计的相关理论,研发了CoCr2FeNiTix(x=0, 0.5, 1)系高熵合金涂层材料,各涂层的自腐蚀电位较基材(904L钢)无显著变化,但自腐蚀电流密度均具有明显的减小。当x
7、1时,涂层的硬度比基材提高了3倍以上,磨损量为基材的1/3左右。3、应用及效益情况 本项目研究成果已用于贵重模具、阀体、金属线材拉拔卷筒、电机转子轴、进口曲轴、进口气缸、磷化工用搅拌叶片等大型金属贵重零部件的激光合金化及激光熔覆修复。修复后,涂层组织细小,涂层与基材之间的结合强度高,产品质量优良,客户反映良好。 自2014年1月至2016年12月为止,新增产值共计15000余万元;新增利润共计1031.1万元;新增税收共计1501.4万元。三、主要科技创新1. 主要科技创新(限5页)(需要单独写出推广工作的技术难度,进行的技术创新,采取的具体措施)目前,贵重零部件的表面改性处理多采用热喷涂或
8、等离子喷涂,由于热喷涂或等离子喷涂制备的涂层与基材间为机械结合或半机械结合,结合强度低,在使用过程中易从基材上剥落下来,造成装备的突然停车,甚至造成企业全面停产。因此,选用先进的表面改性新技术以确保涂层与基材具有很高的结合强度成了贵重零部件成功修复的关键。激光表面合金化和熔覆技术作为一种新型的表面改性技术,它可以显著提高金属材料表面的抗腐蚀和耐磨损性能,与传统表面改性技术相比,激光表面合金化具有突出的优点:(1)激光辐射能量高度集中,通过空气可以进行远距离传播;(2)是一种快速处理方法,能有效利用能量;(3)能准确地控制功率密度与加热速度,从而变形小,而电弧硬化与等离子喷涂采用的是不均匀加热和
9、冷却,在急冷过程中有热冲击,造成变形和开裂;(4)能使难以接近的和局部的区域合金化,而且利用激光的深聚焦,在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度;(4)在廉价的金属表面制备高性能涂层,达到节约贵重金属元素的目的。激光表面熔覆技术具有以下几方面的优点:(1)熔覆材料能够实现涂层成分设计,高达106C/s的冷却速度使熔覆层具有快凝的显微组织特征,晶粒显著细化,元素偏析程度可以设计,固溶度增加,形成非晶相,可以得到常温情况下无法获得的微观组织与结构,使熔覆层具有优异的使用功能;(2)熔覆层与基体实现良好的化学冶金结合,熔覆层稀释率低,涂层致密,节约昂贵的金属材料;(3)输入基体的能量和基体的热变形较
10、小,熔覆成品率高,后续加工余量小;(4)可以对局部或关键部位进行修复,可以实现精确控制,在线控制和远距离操作。基于上述特点,本项目从以下两个方面开展了“大型金属贵重零部件激光合金化与熔覆专用粉末材料的研发及应用”的研究和推广工作。(1)低中碳钢大型贵重金属零部件激光合金化与熔覆修复专用粉末材料的研发及应用本部分共获得3项国家发明专利授权(ZL200510200010.0、ZL200810306612.8、ZL200810302874.7);发表论文7篇。金属线材拉拔卷筒激光合金化修复的技术难点:金属线材拉拔卷筒在使用一段时间后,由于工作部位承受钢丝强烈的拉拔和挤压作用,易磨损,卷筒强度降低,使
11、表面凹凸不平,从而引起钢丝表面机械损伤,影响正常生产。此外,在拉拔过程中,卷筒也对其上的钢丝产生相对磨损,所以其硬度又不能太高,以免对钢丝产生过大的磨损。因此,利用激光合金化技术对卷筒表面强化或修复、使其表面具有适中得硬度和较好的耐磨性,一直是国内外研究的重点和难点。激光合金化专用粉末研发的技术创新:本项目在激光合金化过程中,利用稀土元素微合金化的作用,改善和调节结晶过程中合金的内应力,对激光合金化产生裂纹敏感的倾向有良好的抑制作用。稀土元素对合金化层的影响主要表现在以下几个方面:(1)变质作用:合金中加人稀土元素以后,其组织明显细化;(2)净化作用:稀土元素十分活泼且有界面吸附性,因此常与金
12、属中的杂质如P、S、O等相互作用,生成稳定的化合物分布在晶界上,从而减少固溶态杂质的含量,使金属的塑性、强度及某些物理性能得到相应的改善;(3)强化作用:加人稀土元素的金属或合金因组织得到细化,晶界面积增大,致使其变形阻力和断裂抗力增加;(4)改善高温力学性能:稀土元素可以细化合金化组织 ,能阻止加热过程中晶粒长大,因此,可以改善合金的高温断裂抗力;(5)改善高温腐蚀和高温氧化性能。激光合金化专用粉末研发的具体措施:从材料合金化原理出发,综合考虑了激光合金化过程中熔化与凝固的特点以及基材与粉末的物理化学特性,采用5kW CO2激光在不同工艺参数下对基材为40Cr钢的金属线材拉拔卷筒进行Mo粉激
13、表面光合金化处理,并对合金化层组织和性能进行研究。在最佳工艺条件下,在合金化粉末中添加不同含量稀土氧化物Y2O 3,研究Y2O3对激光合金化层组织与性能的影响。报废航空发动机制件高温锻压模具表面激光熔覆修复的技术难点:国内外对航空发动机涡轮制件的激光表面熔覆强化和修复技术的研究主要集中在对涡轮叶片叶冠端面的强化与修复、涡轮叶片表面裂纹的强化与修复、定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复,而对于航空发动机叶片高温锻压模具失效部位的强化与修复目前尚无公开的报道。虽然激光熔覆合金铁基粉末自成体系,但是目前研究和使用较多的还是热喷涂合金粉末,且多为“高碳共晶”合金粉末,在提高熔覆层强度、硬度的同时,塑韧
14、性降低较大,熔覆层易开裂。大型贵重金属零部件激光熔覆修复专用合金粉末研发的技术创新:针对贵重零部件激光熔覆修复常使用传统的热喷涂粉末易导致涂层开裂的问题,我们采用“低碳包晶”的成分设计思想,并添加了与基体热膨胀系数相近、熔点低的元素,设计了一种含碳量低的铁基合金粉末 (碳质量分数为0.2%左右),成功地对报废航空发动机制件高温锻压模具进行了激光熔覆修复。具体措施:(1)粉末元素选取:考虑到激光熔覆过程是一个物理化学冶金过程,熔覆层性能的好坏并不决定于某一元素的熔点高低,结合粉末材料的市场价格,综合考察了已有的铁基合金粉末体系:Fe-Cr-C、Fe-W-C、Fe-Mo-C、Fe-Mn-C、Fe-
15、Ni-C,我们自行配置了Fe-Cr-Ni-C-Si-B合金粉末,保证了所加入金属元素的线性膨胀系数与基材接近或者稍小;Cr元素可以保证生成一定量的碳化物和起到固溶化作用,使得熔覆层具有较好的抗热疲劳、耐磨损、耐腐蚀的作用;Ni元素的加入进一步提高了粉末的润湿性,使得熔覆层不易开裂;C元素能够保证生成足够的碳化物,保证了硬度;另外添加Si、B二元素,保证粉末材料有较好的流动性,造渣能力,与金属元素反应生成一定量的非晶合金。熔覆粉末粒度设计。(2)粉末粒度设计:粉末颗粒大小也是一个重要因素,粉末中的Si、C、B不能太细,因为三者密度太小,黏度较大,太细则同步送粉时堵塞送粉器;Fe、Ni、Cr不能太
16、粗,这几种元素比重较大,粒子半径较大,颗粒过大则影响到粉末分散的均匀性,所以选择粉末的颗粒Fe、Ni、Cr约为38m ,B、Si、C约为75m。(3)熔覆粉末元素比例设计:绝大多数激光熔覆专用铁基合金粉末为“高碳共晶”合金粉末,其成分与组织设计思想为:粉末碳含量较高,一般质量分数为3.4%6%,位于共晶点或其附近,利用共晶点合金凝固区间较窄和晶粒小、韧性好的特点以提高熔覆涂层抗开裂的能力;覆层组织具有两相组成的特征,即其中一相为韧性较好的奥氏体或铁素体,另一相为大量形状细小、弥散分布的高硬度合金碳化物强化相。(2)极端工作条件下(强酸、强碱等)的金属构件强化与修复专用激光熔覆高熵合金粉末的研发
17、及应用本项目共获得1项国家发明专利授权(ZL201310300255.5);发表论文7篇。高熵合金,又称多主元合金,其主要特点在于热力学上的高熵效应。研究表明,在高熵值的作用下,高熵合金结构较为简单。根据成分不同,其结构多为有序或无序固溶体,亦或是两者兼有。从已有的文献上看,通过适当的合金配方设计,高熵合金可兼有高硬度、耐磨、耐高温软化及高温氧化、耐腐蚀等特性,因此,高熵合金被认为是未来几十年内最有潜力的材料三大研究领域之一,已成为近年来学者们研究的热点。目前高熵合金的相关研究大多集中在块体高熵合金上,并获得了大量有意义的研究成果,制备方法以真空熔铸法为主,但这种制备块体高熵合金易出现严重的成
18、分偏析现象,而且成本较高,这就导致高熵合金至今难以实用化。相较于块体材料,涂层或薄膜可视为小尺寸样品,成本低,因此,有学者研究了高熵合金涂层或薄膜,相比而言,磁控溅射等方法制备的薄膜厚度较薄,一般小于l mm,难以发挥高熵合金力学性能方面的优势,热喷涂等方法制备的涂层与基材的结合强度低,易剥落。而激光熔覆具有快速加热和快速凝固的特点,所制备的涂层厚度可达到毫米级,正好能够满足小样品和快速冷却的要求,同时,激光熔覆是在零件表面进行改性处理,可大大节约贵重金属元素。磷化工行业反应槽中的搅拌桨叶片常因腐蚀磨损而失效,给企业带来巨大的经济损失,为此有必要改善搅拌桨叶片表面的耐磨、耐蚀性能。在我们的研究
19、中,主要选择3d过渡族金属元素Fe、Ni、Cr、Co为主要元素,并添加大尺寸原子元素Al和Ti,设计了FeNiCrCo-M(M=Ti、Al) 合金粉末体系。该合金体系中,Fe、Co、Ni、Cr四种元素之间原子尺寸、电负性及混合焓等差异较小,容易形成无限固溶体单相组织。Cr可有效提高金属材料的耐腐蚀性,通过添加较高含量的Cr元素,有望提高涂层的抗腐蚀能力。Ti原子具有较大的原子尺寸,固溶入单相组织中能有效增强固溶强化效果。同时,Ti原子与其它四种元素之间存在较大的负混合焓,易于形成金属间化合物进行沉淀强化。而且,在激光熔覆过程中,Ti原子与大气中的N原子具有极强的亲和力,发生Ti+NTiN,原位
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