摘要
激光熔覆技术在精密制造、智能制造、航空航天以及能源等诸多领域有着广泛应用。利用激光熔覆手段对贵重、易磨损和腐蚀环境下服役的工件表面涂覆耐磨耐腐蚀强化涂层，是一种极重要的实用表面强化技术。齿轮是传动系统的核心，齿面磨损失效是机械传动系统故障的主要原因之一。现有重载齿轮的齿面激光熔覆耐磨层研究成果较少。在重载齿面强化领域的激光熔覆研究中，三个亟待解决的关键问题是：如何通过材料设计和工艺优化手段提升耐磨涂层性能、如何精确计算耐磨涂层制备后的部件弯曲变形量、如何高效地在渐开线齿面上熔覆高性能耐磨涂层。 本学位论文旨在分三步进行重载齿轮齿面的激光熔覆层研究： 首先，利用稀土晶粒细化和硬质颗粒增强的原理进行耐磨涂层镍基合金性能优化设计，试图在三种激光熔覆层配方中优选得到适用于重载工况齿面的高耐磨性熔覆层配方。随后，通过热－相变－应力多场耦合动态仿真，借助张量计算手段多次迭代应力和热应变之间的相互作用数据。以熔池凝固过程中相变引起的熔覆层体积收缩拉应力和熔池底部热影响区相变引起的膨胀压应力为核心数据——最终算出平面样品分别在制备三种成分的激光熔覆层配方后的弯曲变形量。并由此优选出单道熔覆产生较小弯曲角度的激光熔覆层配方。最终，在确定了激光熔覆层配方成分和核心工艺参数“激光功率密度”后，为达到提高熔覆加工效率的目的，对大横截面矩形光束激光熔覆工艺在重载齿面上制备耐磨熔覆层的熔覆层效果做了系统性分析。将大横截面矩形光束制备的耐磨熔覆层的磨损性能和“熔覆层\基体结合界面平整度”两项关键性能与圆形光束激光工艺制备的熔覆层对应性能做了对比分析。 得到成果： (1).制备了优质耐磨熔覆层：借助纳米稀土氧化物添加对镍基合金熔覆层的净化除杂和细晶强化作用，以及微米级硬质颗粒添加对熔覆层的整体抗磨损性能提升，本学位论文研究团队制备了中碳合金钢30CrMnSiNi2A表面耐磨性能良好、无裂纹、无气孔、无未熔透粉末微区，且与结构钢基体结合部呈现牢固冶金结合界面的0.7mm(±0.1mm)厚激光耐磨熔覆层。 (2).通过在仿真过程中引入新的激光塑性变形算法，解决了精确计算激光成形后的弯曲量问题：对中碳合金钢30CrMnSiNi2A熔覆层区域和热影响区域(HAZ)的微区离散化处理，将激光输入热、相转变体积膨胀和收缩、应力、应变的动态交互作用，模型化为迭代计算，并输出计算结果——“弯曲变形量”。将模型计算结果与激光实体实验测试数据做了对比，匹配性良好，说明这一整套分析方法是可行的。 (3).大横截面矩形光束激光熔覆：18Cr2Ni4WA表面矩形激光束熔覆层的耐磨性能与17CrNiMo6表面圆形光束熔覆层等同，而矩形光束熔覆的单道宽度是圆形光束道宽的5.5倍，因此熔覆效率比传统圆形光束提升5.5倍。且相较于圆形光束，矩形光束制备的熔覆层具有更优良的“熔覆层\基体结合界面平整度”，从而使界面应力更均匀，更适合应用于重载齿轮齿面熔覆。
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