高錳鋼上等離子熔覆鎳基合金數(shù)值模擬與組織性能分析.pdf

1、耐磨高錳鋼因其特殊的加工硬化性能常用于制造抗沖擊磨損的耐磨件，被廣泛應(yīng)用于采礦等行業(yè)，其在低應(yīng)力與未能加工硬化時(shí)耐磨性較差，常規(guī)硬顆粒強(qiáng)化的鐵基涂層雖能顯著改善高錳鋼在低應(yīng)力下的耐磨性，但在高應(yīng)力和磨粒磨損下有容易開裂失效等不足。本論文提出等離子熔覆鎳基合金的表面強(qiáng)化技術(shù)是提高高錳鋼性能和壽命的較佳方法之一。等離子熔覆加工是個(gè)極速加熱快速冷卻的過程，在高錳鋼表面熔覆鎳基合金是一個(gè)非平衡凝固過程，工藝控制不當(dāng)則容易引發(fā)過大的應(yīng)力導(dǎo)致涂層開

2、裂等問題，同時(shí)很難用實(shí)驗(yàn)的方法測量到加工過程的溫度場和應(yīng)力場規(guī)律。本文通過利用ANSYS軟件對高錳鋼表面等離子熔覆鎳基合金的工藝過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，探究等離子熔覆過程中的溫度場和應(yīng)力場分布規(guī)律，優(yōu)化出熔覆工藝參數(shù)，探明鎳基合金涂層的組織和相組成形成條件、硬度、摩擦磨損等性能以及裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，以期為高錳鋼表面等離子熔覆耐磨強(qiáng)韌性較佳的鎳基合金涂層的制備與應(yīng)用提供試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　采用ANSYS有限元分析軟件，

3、結(jié)合實(shí)際加工情況建立了送粉式等離子熔覆鎳基合金的物理模型，分析了不同工藝參數(shù)和基體預(yù)熱溫度對等離子熔覆過程溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn):等離子熔覆工藝參數(shù)對溫度場中節(jié)點(diǎn)最高溫度、熔池尺寸、稀釋率均有影響，基體預(yù)熱溫度也會(huì)對溫度場分布和裂紋形成造成影響，較優(yōu)工藝參數(shù)為:功率P=2.0kw,掃描速度V=150mm/min，弧半徑R=4mm，預(yù)熱溫度T=250℃。
　　探討了等離子熔覆溫度場分布規(guī)律、節(jié)點(diǎn)溫度-時(shí)間歷程、溫度梯度變化及基體預(yù)熱

4、溫度對溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn):節(jié)點(diǎn)急速升溫后快速冷卻，熔覆層兩端節(jié)點(diǎn)最高溫度值高于中間節(jié)點(diǎn)，表現(xiàn)出端部效應(yīng)。熔覆過程產(chǎn)生極大的溫度梯度，可達(dá)105℃/m的數(shù)量級，同時(shí)熔池凝固過程冷卻速率變化可達(dá)4000℃/s，易形成細(xì)小的組織。基體預(yù)熱可提高熔覆層節(jié)點(diǎn)最高溫度，隨著預(yù)熱溫度提高，節(jié)點(diǎn)溫度梯度和冷卻速率呈下降趨勢。
　　基于溫度場模擬結(jié)果進(jìn)行等離子熔覆應(yīng)力場分析，研究發(fā)現(xiàn):應(yīng)力場分布表明熔池底部熔覆層與基體結(jié)合處應(yīng)力值最大，是裂紋的

5、高發(fā)區(qū)。熔覆層中殘余應(yīng)力以熱應(yīng)力為主，試樣冷卻后熔覆層殘余應(yīng)力值為235Mpa，沿等離子弧掃描方向受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為225MPa，Y、Z兩個(gè)方向的合力為壓應(yīng)力，同時(shí)熔覆加工的塑性應(yīng)變在沿掃描方向?yàn)樽畲笳?，材料產(chǎn)生塑性伸長變形，因此在冷卻過程中易發(fā)生橫向裂紋。
　　探討基體溫度對應(yīng)力場的影響，對20℃、150℃、250℃三種不同基體溫度得的熔覆層中的裂紋進(jìn)行微觀組織分析和斷口形貌研究。研究發(fā)現(xiàn):基體預(yù)熱不同溫度下應(yīng)力分布差異

6、明顯，預(yù)熱250℃時(shí)熔覆層和周圍區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象得到消除。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)基體溫度為20℃時(shí)熔覆層表面出現(xiàn)粗大的宏觀裂紋，預(yù)熱到150℃后出現(xiàn)微觀裂紋，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到250℃時(shí)熔覆層沒有裂紋。分析原因是因?yàn)殡S基體預(yù)熱溫度升高，溫度梯度下降104℃/m同時(shí)冷卻速率明顯降低，減小了應(yīng)力集中。
　　通過實(shí)驗(yàn)測得熔池尺寸和熔覆層某節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力值，分別與ANSYS模擬分析得到的熔池尺寸和該節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值相比較，從而驗(yàn)證所建模型的正確性。考察了熔覆層