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原文传递汽车万向节凸模表面激光复合修复工艺及组织性能研究

论文题名：	汽车万向节凸模表面激光复合修复工艺及组织性能研究
关键词：	万向节;汽车传动件;挤压模具;激光复合修复;微观组织;磨损性能
摘要：	H13钢被广泛应用于汽车传动件的挤压模具中，而模具工作中经常受到高强度的交变应力以及循环热机械载荷冲击，表面易产生磨损、冲蚀和热疲劳等损伤。传统的模具修复技术不仅对模具钢造成较大的热变形量，而且对环境污染较大。激光熔覆（LaserCladding，LC）作为新型的修复技术，可以有效的修复模具钢的受损表面，但由于熔覆层中较大的残余拉应力会使裂纹敏感性提高和疲劳强度降低。而激光冲击（LaserShockPeening，LSP）作为一种表面强化技术可以有效地改善熔覆层中的应力分布、微观组织以及耐磨损性能。因此，本文以受损模具钢为对象，采用激光复合修复工艺，制备了满足模具应用的Ni25/Fe104复合熔覆层。具体研究内容如下：　　(1)研究了激光工艺参数对Ni25熔覆层宏观和微观形貌的影响，表征了最优参数下Ni25熔覆层的微观组织。结果表明，增加激光功率或降低扫描速度都提高了单位时间内的热输入量，热输入量增加会提高熔覆层的稀释率和内部的热应力，过大的热应力还将导致熔覆层开裂。当激光功率为1600W，扫描速度为12mm/s时可获得最优的Ni25熔覆层组织，与基体结合良好且无明显缺陷。Ni25熔覆层从顶部至底部区域分别分布着等轴晶、柱状晶和胞状晶。熔覆层的微观组织由枝晶与晶间组织构成，两种组织的主要相成分为γ-Ni，在晶间结构中还含有少量的M7C3（其中M表示Fe和Cr）碳化物结构。　　(2)研究了有无添加Ni25过渡层的Fe104熔覆层的微观组织及相成分，阐明了Ni25过渡层与Fe104层在层间区域的元素扩散现象及其对微观组织演变的影响机理。纯Fe104熔覆层与基体的结合质量较差，在结合区域存在大量的微裂纹，其相成分为α-Fe和γ-Fe以及少量的M23C6和M7C3碳化物，微观组织结构同样表现为枝晶-晶间结构，枝晶结构中主要含有片状的马氏体组织，而晶间组织为马氏体和碳化物相结合的具有较高致密性的块状组织。对于Fe104/Ni25熔覆层，由于Ni25合金具有良好的润湿性和流动性，在Ni25过渡层与基体的结合区域发生了良好的冶金结合，有效地抑制了潜在裂纹的扩展。此外，在Fe104/Ni25界面处还观察到光滑的分界线，表明Ni25合金与Fe104合金的层间结合良好。通过面扫和线扫测试，探究了Ni25/Fe104界面处的元素扩散情况，结果表明，由于Marangoni对流的作用，大量的Ni元素由Ni25层向Fe104层扩散，导致Fe104层的中部区域出现了大量的柱状晶和充分生长的二次枝晶臂结构，顶部区域出现了大量的等轴晶。同时，由于Ni元素的扩散抑制了马氏体相变，导致γ(Fe,Ni)成为Fe104层中的主体成分，在γ(Fe,Ni)上还夹杂着少量取向一致的Fe-Cr金属间化合物。　　(3)研究了LSP处理前后Ni25/Fe104熔覆层微观组织、残余应力、显微硬度以及耐磨损性能，阐明了LSP对熔覆层的微观组织及力学性能的影响机理。在LSP的力学作用下，Ni25/Fe104熔覆层内部的应力状态从拉应力转变为高幅度的压应力，在深度为100μm处取得396.5MPa的峰值，且LSP对残余应力的最大影响深度为750μm。此外，LSP产生的冲击波在Ni25/Fe104熔覆层中诱发了强烈的塑性变形，形成了一个厚约800μm的硬化层，其中含有高密度的位错结构(位错缠结和位错晶胞)以及大量的纳米孪晶，导致Ni25/Fe104熔覆层表面晶粒纳米化，将显微硬度提高了约31.8%。LSP前的Ni25/Fe104熔覆层的磨损机制以磨粒磨损为主，并带有少量的黏着磨损，LSP处理后不仅降低了Ni25/Fe104熔覆层的摩擦系数和磨损率，疲劳剥落的面积也明显减小。LSP对Ni25/Fe104熔覆层的强化机理不仅包括了纳米晶粒强化、纳米-孪晶强化和位错强化三种强化方式，还通过细化晶间结构中的Fe-Cr金属间化合物，有效的提高了熔覆层的磨损抗性。　　综上所述，本文的研究内容为激光复合修复工艺对模具修复的微观组织以及耐磨损性能的研究提供了参考依据。
作者：	薛凯宁
专业：	机械工程
导师：	鲁金忠
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021