论文题目：激光沉积NiCrBSi合金工艺优化及性能调控研究
摘要：NiCrBSi系合金的主要成分一般包括Ni、Cr、B、Si、Fe、C等,因其在常温及高温下均具有良好的硬度、耐磨及耐腐蚀性能,因此被广泛地应用于零部件表面耐磨及耐腐蚀涂层的制备。NiCrBSi系合金中比较具有代表性的为Ni60合金（Cr16.0 wt.%,B3.2 wt.%,Si 4.0 wt.%,Fe＜15.0 wt.%,C 0.8 wt.%,Ni Bal.）,使用Ni60合金制备的涂层硬度可以达到60 HRC。近年来,随着增材制造技术的快速发展,Ni60合金在模具快速制造与受损零部件的快速修复等领域展现出了越来越广阔的应用前景。本文以Ni60合金为主要研究对象,对激光沉积Ni60合金的工艺及性能进行了深入系统的研究。获得了激光沉积Ni60合金的成形控制方法并优化了工艺参数,研究了激光沉积成形Ni60合金的微观组织特点,并揭示了微观组织对性能的影响机理。针对激光沉积Ni60合金试件裂纹倾向较大的问题,通过加入纳米Nb及纳米ZrC粉末,分别以两种不同的方式改变了成形试件的微观组织,降低了激光沉积Ni60合金试件的裂纹敏感性。对激光沉积成形工艺参数的研究依照从简单到复杂的顺序进行,依次研究了单道单层、单道多层（薄壁试件）、单层多道、大型块状试件的成形控制方法。在影响激光沉积的众多工艺参数中,首先确定了送粉气体流速,保护气体流速,沉积距离等次要影响因素的合理范围,随后研究了激光功率、扫描速度、送粉率等主要参数对沉积层形貌及粉末利用率的影响。在本文的试验条件下,激光沉积可以良好成形的参数为激光功率:400～1000 W,扫描速度:2～14 mm/s,送粉率7.3～18.1 g/min。在对激光沉积Ni60F合金微观组织及性能的研究中,首先确定了在最优工艺参数下,成形试件的基本物相组成与微观组织形态。随后研究了激光功率的变化对试件组织及性能的影响,合金元素比例变化对试件组织及性能的影响,最后通过对比研究铸造Ni60合金试件,明确了激光沉积Ni60合金试件的组织特点。激光沉积Ni60合金试件中的主要物相包括:γ-Ni、Ni3Fe、CrB、Cr5B3、Ni3B、Ni3Si、Cr7C3等。微观组织主要包括γ-Ni固溶体、Ni-B-Si共晶组织与Cr的硬质相组织。试件的微观组织随冷却速度的改变存在明显区别。在沉积层中部区域,冷却速度最慢,硬质相为块状,尺寸较大,γ-Ni固溶体组织含量较多,共晶组织含量较少,硬度约为800 HV;在沉积层顶部及底部区域,冷却速度较快,组织中存在大量的Ni的树枝晶及硬质相树枝晶,共晶组织含量较多,硬度约为850 HV;试件的边缘区域冷却速度最快,硬质相尺寸细小并且分布均匀,共晶组织含量最多,硬度约为900 HV。试件的抗拉强度约为350 MPa,断裂形式为脆性断裂。在其它参数不变的情况下,随着激光功率的提高,试件的热输入量增加,冷却速度降低,试件中的树枝晶组织数量减少,晶枝长度降低,硬质相尺寸增大,试件组织的均匀性有所提高,但硬度下降,激光功率700 W下试件的硬度约为822 HV,1000 W下约为800 HV。当激光功率增加时,由于基板与试件的热输入量增加,导致冷却后的应力增加,因此尽管试件的组织均匀性有所提高,但裂纹敏感性没有发生明显改变。Ni45为硬度及耐磨性相对较低的NiCrBSi合金,其与Ni60合金的元素组成相同,但Cr、B、Si等元素质量分数较低。激光沉积Ni45合金的物相组成与Ni60合金基本相同,但γ-Ni固溶体组织含量明显增加,微观组织中存在大量Ni的树枝晶组织。试件硬度约为527 HV,抗拉强度约为723 MPa,断裂方式为脆性断裂。试件的裂纹敏感性明显低于Ni60合金,说明γ-Ni固溶体组织在NiCrBSi合金中为主要的韧性物相。为了明确Ni60合金的激光成形特点,本文对比研究了铸造Ni60合金试件的微观组织及性能。铸造Ni60合金试件通过真空熔炼制备,熔炼温度为1100℃,保温时间2小时。铸造Ni60试件的微观组织较为均匀,但在试件中部存在明显的孔隙缺陷。在缓慢冷却的条件下,试件中无树枝晶状组织,γ-Ni固溶体组织与共晶组织呈片状交叉分布,试件的硬度约为700 HV。为了改善成形试件的裂纹敏感性,使用球磨机在Ni60合金粉末中掺杂了不同比例的纳米Nb粉末。掺杂纳米Nb粉末后,试件的裂纹敏感性明显降低。Nb在沉积过程中原位形成了NbC,为硬质相提供了形核点,并使促使树枝晶组织转变为等轴晶组织。加入纳米Nb粉末后,原本连续分布的共晶组织转变为分散状态,从而抑制了微观裂纹的萌生与扩展,降低了试件的裂纹敏感性。随着Nb质量分数的增加,试件的平均硬度降低,拉伸性能提高。为了改善成形试件的裂纹敏感性,使用球磨机在Ni60合金粉末中掺杂了不同比例的纳米ZrC粉末。掺杂纳米ZrC粉末后,试件的裂纹敏感性明显降低。ZrC在激光沉积过程中与空气中的氧气发生了反应,因此ZrC没有起到为硬质相提供形核点的作用。在试件的成形过程中,Zr与Ni通过包晶及共晶反应生成了Ni7Zr2与Ni5Zr。随着ZrC质量分数的增加,微观组织中的硬质相没有发生明显变化,γ-Ni固溶体组织含量逐渐增加,Ni-B-Si共晶组织含量逐渐减少,试件的硬度及拉伸性能均有所下降。本文系统地研究了Ni60合金的激光沉积工艺与性能,并创新地通过加入纳米Nb和纳米ZrC粉末,改变了γ-Ni固溶体组织与共晶组织的结构,降低了试件的裂纹敏感性,为NiCrBSi系合金在增材制造领域的应用提供了试验基础和理论支撑。
关键词：NiCrBSi合金;Ni60;激光沉积技术;增材制造;裂纹敏感性;微观组织;力学性能
学科专业：材料加工工程
指导教师对博士论文的评阅意见
指导小组对博士论文的评阅意见
答辩决议书
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 金属增材制造简介及国内外研究现状
1.2.1 金属增材制造的分类
1.2.2 金属增材制造的原理
1.2.3 金属增材制造的应用
1.2.4 金属材料增材制造的研究进展
1.3 NiCrBSi合金的特点、应用及研究现状
1.3.1 NiCrBSi合金的性能特点
1.3.2 NiCrBSi合金的应用及研究进展
1.4 存在的问题及研究目的
1.4.1 现阶段存在的问题
1.4.2 研究目的
1.5 本文的研究内容与技术路线
第2章 试验材料、设备及研究方法
2.1 试验材料
2.1.1 Ni60合金粉末
2.1.2 纳米粉末
2.1.3 基板
2.2 试验设备
2.2.1 样品制备
2.2.2 微观组织观察与力学性能测试
2.3 研究方法
2.3.1 工艺参数研究
2.3.2 微观组织与力学性能研究
第3章 激光沉积Ni60合金成形工艺研究
3.1 引言
3.2 单道成形工艺研究
3.2.1 沉积层评价指标
3.2.2 沉积距离对沉积层的影响
3.2.3 气体流速对沉积层的影响
3.2.4 送粉率、扫描速度及激光功率对单道成形的影响
3.2.5 单道成形工艺参数的选择
3.2.6 工艺参数的简化
3.3 单道多层成形工艺研究
3.3.1 Z轴提升量对单道多层成形的影响
3.3.2 热输入量对单道多层试件宏观形貌的影响
3.3.3 成形尺寸对试件裂纹倾向的影响
3.4 单层多道成形工艺研究
3.5 块状Ni60金属部件成形试验
3.6 本章小结
第4章 激光沉积Ni60合金微观组织与性能研究
4.1 引言
4.2 激光沉积Ni60合金试件的微观组织
4.2.1 工艺参数与宏观形貌
4.2.2 微观组织分析
4.2.3 微观组织形成机理分析
4.3 激光沉积Ni60合金试件的性能
4.3.1 硬度
4.3.2 拉伸性能
4.3.3 裂纹缺陷
4.4 激光功率对激光沉积Ni60合金微观组织与性能的影响
4.4.1 工艺参数与试件宏观形貌
4.4.2 微观组织分析
4.4.3 力学性能
4.5 激光沉积Ni45合金的微观组织与性能
4.5.1 工艺参数与试件宏观形貌
4.5.2 微观组织分析
4.5.3 力学性能
4.6 铸造Ni60合金微观组织与性能
4.6.1 工艺参数与试件宏观形貌
4.6.2 微观组织分析
4.6.3 硬度
4.7 本章小结
第5章 激光沉积纳米Nb掺杂Ni60合金微观组织与性能研究
5.1 引言
5.2 激光沉积纳米Nb掺杂Ni60试件的制备
5.2.1 工艺参数与粉末形貌
5.2.2 成形试件的宏观形貌
5.3 激光沉积纳米Nb掺杂Ni60试件的微观组织
5.3.1 XRD分析
5.3.2 硬质相分析
5.3.3 γ-Ni固溶体组织及共晶组织分析
5.4 纳米Nb质量分数对微观组织的影响
5.4.1 纳米Nb质量分数对硬质相的影响
5.4.2 纳米Nb质量分数对γ-Ni固溶体及共晶组织的影响
5.5 纳米Nb掺杂对激光沉积Ni60试件性能的影响
5.5.1 纳米Nb掺杂对组织均匀性的影响
5.5.2 纳米Nb掺杂对裂纹敏感性的影响
5.5.3 纳米Nb掺杂对硬度的影响
5.5.4 纳米Nb掺杂对拉伸性能的影响
5.6 激光沉积纳米Nb掺杂Ni60合金的裂纹敏感性改善机理
5.7 本章小结
第6章 激光沉积纳米ZrC掺杂Ni60合金微观组织与性能研究
6.1 引言
6.2 激光沉积纳米ZrC掺杂Ni60试件的制备
6.2.1 工艺参数与粉末形貌
6.2.2 成形试件的宏观形貌
6.2.3 组织均匀性与裂纹敏感性
6.3 激光沉积ZrC掺杂Ni60试件的微观组织
6.3.1 XRD分析
6.3.2 SEM分析
6.4 纳米ZrC质量分数对微观组织的影响
6.4.1 纳米ZrC掺杂对硬质相的影响
6.4.2 纳米ZrC掺杂对γ-Ni固溶体组织及共晶组织的影响
6.5 纳米ZrC掺杂对激光沉积Ni60试件性能的影响
6.5.1 纳米ZrC掺杂对硬度的影响
6.5.2 纳米ZrC掺杂对拉伸性能的影响
6.5.3 纳米ZrC掺杂试件中的缺陷
6.6 纳米ZrC掺杂对试件微观组织及性能的影响机理
6.7 本章小结
第7章 结论
7.1 研究结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
致谢