摘要
钴基合金涂层（如stellite12）有着优异的耐高温氧化性能，优良的耐腐蚀性能与耐磨性，常用于齿轮、阀门，核电站堆内构件等高温、高压、高磨损以及强腐蚀的环境。而激光熔覆技术以热影响区小、稀释率低、冷却速度快等优势被广泛应用于这些领域中涂层的熔覆，但在此过程中由于工艺参数不当以及钴基熔覆材料组织及性能特点，导致成形后的熔覆层残余应力的产生，从而导致中裂纹的产生拓展，影响熔覆件的服役性能。因此，本文通过激光熔覆数值模拟与组织性能的分析相结合的方式，对工艺参数进行优化，并在上述模拟与试验结果的基础上，对激光熔覆涂层中出现的裂纹进行分析，最终实现无裂纹试样的制备。 1.建立了 304L 基体上激光熔覆 stellite12 的多层多道平板模型以及多层多道圆柱轴模型，主要研究不同熔覆策略、不同预热温度以及焊接线能量下残余应力场的分布与演化。研究表明，多层多道平板熔覆件表面x方向残余应力场呈现熔覆结束区域为拉应力，远离熔覆结束区域为压应力的拉压应力平衡状态，随着焊接线能量和预热温度的增大，表面残余应力场逐渐从拉压应力平衡转变为压应力状态；在焊接线能量在 174.75 J/mm 时，熔覆层表面 Mises 等效应力最低，最低达到 503 Mpa 随着预热温度的增加，熔覆结束处的残余拉应力逐渐降低，远离熔覆区域的残余压应力逐渐增大，在预热温度达到 300℃时，熔覆层表面等效Mises 残余应力最低，最低达到 344.4 Mpa。多层多道圆柱轴模型熔覆层表面在Mises 等效残余应力与环向残余应力上熔覆起始与结束区域应力值最高达到 822 Mpa、723 Mpa，超过了 stellite12 材料的塑性应力极限，是裂纹易发区。 2.stellite12 激光熔覆层组织从底部到顶部分别为平面晶区、柱状晶区、胞状晶与树枝晶区以及树枝晶与等轴晶区，基体与熔覆层之间形成了良好的冶金结合，结合X衍射图谱与成分分析可得熔覆层组织主要由钴基枝晶和共晶碳化物组成，分析确定M7C3，M23C6及M6C为激光熔覆stellite12的主要共晶碳化物；本文试验得出焊接线能量为174.75 J/mm时，熔覆层整体的显微硬度值最高，达到627.2 HV，高出基材 304L 显微硬度 220 HV 达到 2.85 倍以上。且其他工艺参数一定情况下，预热 300℃的熔覆层显微硬度低于无预热状态，达到 567.8 HV。 3.主要从应力角度结合 XRD、EDS 及微观组织观察分析了熔覆层裂纹以及热影响区微裂纹的产生机理，得出熔覆层裂纹是由涂层厚度方向上的拉应力，周围温度梯度导致的约束应力以及熔覆层表面的残余应力所致的脆性裂纹，在启裂处区域断口微观形貌上表现为局部的韧窝状，整个熔覆层裂纹周围显微硬度在450-540 HV 之间，并随着裂纹启裂处至止裂尖端硬度值呈减小趋势；而热影响区微裂纹则是由于热应力所致，主要因基体与熔覆层热膨胀系数等性能参数的不同使得界面处热应力较大。两种裂纹在拓展路径上均发现明显的C偏析，因此碳化物硬脆相也是两种裂纹扩展方向的原因。 4.结合模拟与试验结果，设计无裂纹试样的优化路线，最终成功制备出无裂纹多层多道钴基合金涂层。确定无裂纹试样制备的最优的工艺参数为送粉速率2.5 rpm，每段熔覆间距 2 mm，焊接线能量为 174.75 J/mm，预热温度 300℃，熔覆速度 1030 mm/min。
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