激光3D打印H13/WC-Co复合涂层组织及性能研究

采用YLR-2000型连续光纤激光器制备H13合金基层,然后在其表面熔覆WC-Co覆层,通过正交试验分析激光功率、扫描速度和送粉量对覆层成形质量的影响,并确定最佳参数。借助光学显微镜和扫描电镜分析复合涂层组织形貌,使用显微硬度计测试H13/WC-Co复合涂层的纵截面显微硬度。结果显示,激光功率对WC-Co覆层的熔宽和熔高影响最大,扫描速度和送粉量对熔宽和熔高影响较小。优化的工艺参数为:激光功率600 W、扫描速度8 mm/s、送粉量6 g/min。经激光3D打印后的H13合金基层的顶部组织主要为网状枝晶,底部主要为柱状枝晶,WC-Co熔敷覆层组织主要由胞状晶和等轴树枝晶两部分组成,覆层和基层之间形成了良好的冶金结合。复合涂层的横截面显微硬度从基层到覆层的方向逐渐增大,基层的平均显微硬度约为464.21 HV0.1,覆层平均显微硬度约为1218.11 HV0.1,约为基层显微硬度的2.62倍。

激光熔覆H13-TiC梯度复合涂层的制备与组织性能

为了解决高温下热应力导致的常规涂层脱落与开裂,在H13钢表面激光熔覆制备了H13-TiC梯度复合涂层,采用扫描电镜、X射线衍射、电子探针能谱等技术对梯度涂层的组织形貌、成分分布、硬度和热稳定性进行了分析。结果表明,涂层主要由Fe-Cr,TiC,TiO_2和Fe_7C_3等物相组成,其中TiC呈现近多面体、枝晶态等外形;随着TiC含量的增加,TiC颗粒的尺寸变大,梯度涂层的硬度逐渐提高,结合区的枝晶组织逐渐变小,呈现明显的梯度分布;600℃高温加热空冷处理后,各层间重熔软化区硬度下降幅度最大,其次为基体H13钢,整体上硬度仍呈梯度分布。可以看出,激光熔覆H13-TiC梯度复合涂层有着极大的应用潜力。

TiC对激光熔覆H13-TiC复合涂层组织和性能的影响

为提高热作模具钢的表面性能,在H13钢表面激光熔覆制备了H13-TiC复合涂层,研究了添加不同含量的TiC对H13-TiC复合涂层显微组织的影响,并模拟H13工况,测试了复合涂层的热稳定性、摩擦磨损性能等。结果表明,TiC含量较低时呈现近圆形、菱形等不规则形状;随着TiC含量的提高,呈现棒状、枝晶状等形态;TiC强化相的添加有效提高了材料的热稳定性、耐磨性能,熔覆层的耐磨性比H13基体提高3.5倍。这是TiC陶瓷颗粒在熔覆层中弥散和细晶强化共同作用的结果。

H13热作模具钢表面等离子喷涂纳米Al2O3/TiO2陶瓷复合涂层研究

采用大气等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面制备Al2O/TiO2陶瓷复合涂层。应用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计和摩擦磨损实验机等研究该涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明,不同喷涂功率制备的Al2O/TiO2陶瓷涂层均为典型的层片结构,并存在有一定的孔隙和裂纹;陶瓷涂层主要由a-Al2O3、十AI2O3和Rutile-TiO2相组成,结晶过程中部分a-Al2O3转变为7-Al2O3,且晶粒细化;涂层的显微硬度平均值为1127 HV;Al2O/TiO2陶瓷复合涂层可改善H13钢的摩擦磨损性能,且不同喷涂功率制备的涂层摩擦磨损性能相近。

H13钢表面激光熔覆WC颗粒增强复合涂层的实验研究

在H13钢表面制备了H13+H13/WC颗粒增强复合涂层,对涂层组织演化机理、界面行为及显微硬度分布、摩擦磨损性能等进行了分析与表征。结果表明,熔覆层与基体形成良好的冶金结合,复合熔覆层成形质量良好;相同工艺参数下,H13/20%WC熔覆层的硬度最高,平均显微硬度为639 HV,具有较好的耐磨性。H13钢基体的磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和少量的剥层磨损,各熔覆层磨损形式主要是磨粒磨损和氧化磨损。

工艺参数对H13热作模具钢激光重熔-火焰喷涂复合涂层性能的影响

研究了工艺参数对激光重熔-火焰喷涂复合涂层后H13热作模具钢的高温耐磨损性能、高温力学性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能的影响规律。结果表明,单一增大激光功率或喷枪移送速度,激光重熔-火焰喷涂H13热作模具钢的高温耐磨损性能、高温力学性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能均先提高后降低。与未经喷涂处理的H13钢相比,激光重熔-火焰喷涂复合涂层H13钢在500℃下的磨损体积减小91%、抗拉强度增加151%、屈服强度增加182%、500℃高温氧化72h后的单位面积质量增重减小90%、热疲劳裂纹级别从11级变为2级。

H13热作模具钢表面激光熔覆原位合成Cu/TiB_2复合涂层组织与性能研究

在现代的工业生产中,模具扮演着一个非常重要的角色。模具由于一般都在极为严酷的环境条件下工作,因此对模具表面性能的要求非常高,特别是加工金属的冷作模具和热作模具。采用激光熔覆原位合成方法成功制备了Cu/TiB_2复合涂层。原始材料为Ti、B以及Cu粉。实验结果表明,涂层中Ti与B反应合成TiB_2相,并弥散分布于铜基体中,涂层分成3个区域,显微硬度随着涂层深度的增加而降低。高温摩擦磨损实验结果表明,磨痕宽度随着原始(Ti+B)的含量增加有明显下降趋势。

H13钢激光熔覆Ni60A/WC复合涂层的硬度及耐磨性研究

为提高热作模具钢H13钢(4Cr5MoSiV1)的表面硬度及耐磨性,采用激光熔覆方法在H13钢表面制备Ni60A/WC复合涂层,通过SEM、EDS和XRD等方法观察分析熔覆层显微组织及物相组成,并测定熔覆层的显微硬度和摩擦磨损性能。试验结果表明:Ni60A熔覆层微观组织呈现从底部到顶部逐渐细化趋势,硬质相WC含量的增加使Ni60A/WC复合涂层中短柱状及岛状组织不断粗大。Ni60A熔覆层主要组成相包括γ-(Ni,Fe)、FeNi_(3)、Ni_(2.9)Cr_(0.7)Fe_(0.36)、Cr_(5)B_(3)和Cr_(23)C_(6)等,添加WC后熔覆层出现了Cr_(3)C_(2)、W_(2)C和WC等硬质相。随WC含量增加,熔覆层显微硬度和耐磨性均逐渐提高,Ni60A/15%(质量分数)WC硬度达到1116.2 HV_(1.96 N),平均磨损失重为9.6 mg,以磨粒磨损为主,磨损形貌中犁沟逐渐减少、变浅变窄,微观切削作用减小,耐磨性提高,Ni60A/15%WC耐磨性较好。综合分析,Ni60A/15%WC复合涂层的综合性能较好。

H13钢表面激光选区熔覆Ni-Al金属间化合物涂层的组织与性能

通过控制Ni基自熔性合金粉末中Al的含量,在H13热作模具钢表面分别原位制备了Ni3Al和NiAl金属间化合物复合熔覆涂层。借助光学显微镜和X射线衍射仪对不同熔覆涂层的化学组成和物相结构进行了分析。结果表明,四种不同Al含量的熔覆层均显现出平整致密、无明显缺陷的宏观特征。随着Al含量的增加,熔覆层显微形貌呈现出底部枝晶区域增加及枝晶逐渐粗化,甚至出现胞状晶的现象。熔覆层在未加入Al时,其主要物相为Ni3Fe及(Ni,Cr)固溶体。随着Al含量的增加,主要物相则由最初的Ni3Al金属间化合物、(Ni,Cr)固溶体到Ni3Al、NiAl金属间化合物和(Fe,Cr)固溶体,再到最终Al含量达到13.9%时的NiAl金属间化合物和(Fe,Cr)固溶体。同时,Al含量的提高使得涂层中杂质相减少。熔覆层摩擦系数均低于基体,最高显微硬度为基体的3.5倍,耐磨性较基体提高了5.8倍。

电火花沉积Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层的组织及性能研究

目的提高H13模具钢的表面耐磨性,探索金属陶瓷涂层的应用。方法分别用Ti(C,N)基金属陶瓷棒和纯镍棒作为电极,氩气为保护气体,在H13钢表面电火花沉积制备Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层。使用X射线衍射仪对涂层的相组成进行了分析,并用扫描电子显微镜及能谱仪观察涂层的微观结构和元素分布情况,采用显微硬度计和CSM球盘式摩擦计对涂层的显微硬度和不同载荷下的耐磨性进行测试。结果涂层表面为单脉冲沉积斑点堆积而成的溅射状形貌,Fe和Ti元素整体上呈现出分区富集的特征,强化层主要物相包括TiC(0.7)N(0.3)、Ni(17)W3、Ni-Cr-Co-Mo和Fe3Ni2。涂层截面组织均匀,缺陷较少,厚度约为31μm,Fe、Ti和Ni元素均在界面处发生扩散,形成了良好的冶金结合,过渡层与基体相互混合,呈现出机械式的咬合结构。涂层的显微硬度实测最高值达1420HV,约为基体的5.4倍。涂层具有比基体更低的摩擦系数,且30 min内的磨损质量损失仅为基体的1/2,涂层磨损机理主要为粘着磨损和轻微的磨粒磨损。结论在H13钢表面电火花沉积制备的Ni/Ti(C,N)金属陶瓷复合涂层可提高其表面的硬度、耐磨性,且具有一定减摩性,可以起到延长模具寿命的作用。

激光熔覆H13-TiC颗粒增强复合涂层的弹塑性能

利用相同的激光熔覆工艺条件,在H13钢基材上制备了不同TiC颗粒含量的H13-TiC复合涂层。采用准静态拉伸实验,获得了复合涂层的弹塑性应力应变曲线。实验结果显示,复合涂层达到屈服强度后,硬化效应明显;颗粒含量提高,其弹性模量和屈服强度相对增加,但抗拉强度变化不明显。利用扫描电镜(SEM)观测试样拉伸后的断口形貌,在TiC颗粒含量较低的情况下,断口分布有大量韧窝,呈韧性断裂,随着TiC颗粒的增多,断裂方式从韧性向脆性转变。基于Mori-Tanaka平均场理论,耦合ABAQUS子程序UMAT,对颗粒增强复合涂层进行了弹塑性的数值模拟,在一定误差范围内,理论预测与实验结果基本吻合。

H13钢表面激光熔覆316L/H13+20%WC复合涂层温度场数值模拟

H13钢常充作热作模具材料,在高温高压等工作环境中极易产生磨损、开裂等失效的问题,激光熔覆是一种有效的再制造方法。然而,由于激光熔覆骤冷骤热的特点,使得成形过程温度梯度及冷却速率过大,常导致热应力过大而引起涂层开裂。对H13钢表面激光熔覆316L/H13+20%WC复合涂层温度场进行数值模拟,研究成形过程温度梯度、冷却速率随时间的变化规律,以及基体预热对温度梯度和冷却速度的影响。同时,在H13钢基体上进行了复合涂层激光熔覆成形试验,以便对数值模拟结果进行验证。试验结果表明,预热可明显降低温度梯度和顶层冷却速率,对于试样表面裂纹产生具有一定的抑制作用。研究结果为H13钢表面激光熔覆改性及模具修复提供了参考依据。

表面激光熔覆H13/NiCr-Cr_(3)C_(2)复合粉末熔覆层性能研究

采用激光熔覆技术在H13基体表面制备H13与Cr3C2-NiCr复合粉末的熔覆层,首先借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)观察分析粉末和涂层的微观组织与相结构以及两者的结合特征,然后通过热震试验测试熔覆层的热疲劳性能,接着测试涂层表面和截面的显微硬度,最后使用高温摩擦磨损试验机测试各种因素对基体与熔覆层耐磨性的影响。结果表明,85%H13+15%NiCr-Cr3C2复合粉末的熔覆层质量最好,复合粉末主要由Fe-Ni相和Fe-Cr相组成,熔覆层主要物相为马氏体、Cr3C2、Cr7C3和(Cr·Fe)7C3。经过激光熔覆处理后,熔覆层的显微硬度随着Cr3C2-NiCr含量的增多而增大,熔覆层表面的显微硬度值接近1100 HV,熔覆层的平均显微硬度为920 HV。在相同条件下,基体的磨损深度显著大于熔覆层,表明熔覆层的耐磨性明显优于基体。

半导体激光熔覆TiC/H13涂层的抗回火性能

在热作模具钢H13基体上通过激光熔覆制备出TiC/H13复合涂层,研究不同TiC含量对复合涂层抗回火(600℃)性能的影响。利用扫描电镜、能谱仪和显微硬度计对激光熔覆涂层回火前后的组织、成分、硬度进行了对比分析和测试。TiC质量分数小于25 wt.%时,涂层与基体之间保持良好的结合,没有出现明显缺陷,当质量分数为25 wt.%时,颗粒周围出现微裂纹。能谱分析表明复合涂层中的颗粒主要成分是Ti和C。激光熔覆TiC/H13复合涂层回火处理10h和回火前对比,晶粒明显长大,随着TiC含量增加,涂层晶粒越细小,TiC弥散分布于晶界处,抑制枝晶的生长,起到细化晶粒的效果;回火20h和回火10h的对比发现晶粒长大不明显。硬度测试显示随着TiC质量分数的增加,熔覆层硬度明显增加,回火后仍保持很高的硬度。

H13钢表面激光熔覆NiCr/Cr3C2涂层组织及其摩擦学性能

为了提高H13钢表面耐磨性能,采用激光熔覆技术在H13钢表面制备NiCr/Cr3C2复合涂层。首先通过扫描电子显微镜和显微硬度计对涂层显微组织与硬度进行测试分析;随后对涂层与H13钢基体进行室温干滑动摩擦磨损试验,并根据涂层的磨损形貌、磨损失重、摩擦系数曲线展开分析,探究涂层的耐磨性能及其磨损机制。研究结果表明:涂层微观组织主要由枝晶、柱状晶及胞状柱状晶组成,涂层整体的显微硬度大于基体,其平均显微硬度是基体的2.5倍;在相同磨损工况下,涂层的耐磨性明显优于基体,其中涂层和基材的平均摩擦系数分别为0.488 3和0.678 7,基材的平均磨损量为涂层的3.6倍。H13钢基体的磨损机制为混合粘着与磨粒磨损,而涂层为轻微磨粒磨损与疲劳磨损,表明在H13钢表面激光熔覆NiCr/Cr3C2合金粉末涂层可以显著提高其耐磨性能。

纳米TiO2含量对等离子喷涂Al2O3/TiO2涂层耐磨性的影响

采用大气等离子喷涂设备在H13热作模具钢表面制备了不同纳米TiO2含量的Al2O3/TiO2陶瓷复合涂层,并应用扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、显微硬度计、摩擦磨损试验机等研究了陶瓷复合涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明,不同纳米TiO2含量的Al2O3/TiO2陶瓷涂层均为层片结构,存在一定的孔隙和裂纹,纳米TiO2添加可以改善涂层表面质量。XRD图谱显示陶瓷涂层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和Rutile-TiO2相组成,Al2O3再结晶过程中部分α-Al2O3转变为γ-Al2O3,且再结晶过程发生晶粒细化。涂层显微硬度平均值为1153 HV0.2。纳米TiO2添加可以降低涂层摩擦因数,但其含量对涂层耐磨性影响不明显。