高铬铸钢表面激光熔覆复合涂层组织与性能研究

摘要

电站锅炉高铬铸钢燃烧器工作在高温环境中，受到高速煤粉气流的冲蚀，喷嘴冲蚀磨损严重，严重影响锅炉运行安全。喷嘴失效形式主要为严重磨损和变形，其原因是高速煤粉气流中含有高硬度颗粒所致。扫描电镜分析，材料的磨损以犁沟式切削磨损为主，以剥落式弹塑性压痕破裂冲蚀磨损为辅，磨损是失效主导因素。冲蚀磨损的物理模型为喷嘴材料产生变形的“冲蚀破坏氧化膜类型”或冲击能量足以除去氧化皮的直接“冲蚀金属类型”。目前，研究重点一直是改变燃烧器喷嘴材料，提高整体耐磨性。但是，由于燃烧器工作环境恶劣，强化效果不明显。 采用激光表面改性技术，利用激光熔凝与激光熔覆复合，金属基体与金属间化合物复合，在高铬铸钢表面制备耐热、耐磨涂层。研究了激光熔凝和激光熔覆对高铬铸钢组织和性能的影响规律。通过试验研究制定了激光表面改性工艺，确定了耐高温、耐磨损复合涂层材料，制备了适合于锅炉喷嘴工矿条件的涂层，提高锅炉喷嘴的耐高温、耐磨损性能，从而提高锅炉喷嘴的使用寿命。 高铬铸钢激光熔凝后组织由原来粗大的奥氏体组织变得细化，熔凝区存在奥氏体和碳化物两类枝晶结构，微观组织是由细小的胞状晶、枝状晶和碳化物构成。高铬铸钢激光熔凝时，在扫描速度和激光功率适当时，熔凝层奥氏体晶粒细化，组织硬度增加，耐磨性提高，并且超细晶区的耐磨性能最好。试验表明利用激光熔凝技术来改善高铬铸钢表面的组织及硬度，提高高温耐磨性是可行的。 研究了激光熔覆NiAl复合涂层的显微组织结构和成分分布的变化、激光表面强化处理对高铬铸钢的高温冲蚀磨损性能的影响，获得提高材料的耐高温冲蚀磨损性能的激光表面改性方法，并对高温下材料的冲蚀磨损机理进行分析研究。结果表明：激光熔覆层成型良好，实现了与基体的冶金结合，熔覆层的物相组成以NiAl金属间化合物为主，还含有γ-FeNi和少量的Ni<,3>Al化合物。熔覆层中存在大量的孪晶和位错塞积。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

创新点摘要

第1章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2耐热钢及其强化研究现状

1.2.1耐热钢研究现状及分析

1.2.2耐热钢强化机理研究现状

1.2.3耐热钢防护涂层研究现状

1.3激光表面强化技术研究现状

1.3.1激光表面强化技术的种类和特点

1.3.2激光表面熔凝的研究现状

1.3.3激光表面熔覆的研究现状

1.3.4耐热钢激光表面强化研究现状

1.4研究目的和研究内容

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

第2章试验材料、方法与设备

2.1试验材料

2.1.1试验用基体材料

2.1.2熔覆层材料

2.2试验方法与设备

2.2.1激光加工设备

2.2.2激光熔凝试验

2.2.3激光熔覆试验

2.2.4显微组织分析

2.2.5显微硬度测试

2.2.6冲蚀磨损试验

2.2.7熔覆层热震性试验

第3章高铬铸钢燃烧器喷嘴失效机理研究

3.1燃烧器的结构型式和工作原理

3.1.1燃烧器的作用和结构

3.1.2燃烧器的工作原理

3.2电站锅炉燃烧器所用煤粉及喷嘴材料

3.2.1煤粉材料

3.2.2燃烧器喷嘴材料

3.3电站锅炉燃烧器喷嘴的失效特征

3.3.1失效的宏观形式

3.3.2冲蚀磨损的SEM观察

3.4冲蚀磨损机理研究

3.4.1冲蚀磨损机理研究现状

3.4.2电站锅炉喷嘴高温冲蚀磨损机理

3.5高温冲蚀磨损解决思路

3.6本章小结

第4章高铬铸钢激光熔凝研究

4.1高铬铸钢激光熔凝显微组织分析

4.1.1原始组织

4.1.2激光熔凝层组织

4.1.3熔凝层EPMA分析

4.2工艺条件对熔凝层组织的影响

4.2.1扫描速度的影响

4.2.2扫描次数的影响

4.2.3时效处理的影响

4.2.4激光熔凝裂纹

4.3激光熔凝层硬度和磨损性能

4.3.1硬度分布

4.3.2扫描速度和激光功率对硬度的影响

4.3.3激光熔凝层磨损试验

4.4本章小结

第5章高铬铸钢激光熔覆研究

5.1激光熔覆存在的主要问题及主要发展方向

5.2激光熔覆层材料体系及相容性设计

5.3激光熔覆陶瓷涂层

5.3.1激光熔覆的工艺流程及参数确定

5.3.2显微组织观察及成分测定

5.3.3涂层的抗热震性

5.4激光熔覆金属间化合物涂层

5.4.1涂层的显微组织

5.4.2涂层的TEM分析

5.4.3熔覆层相结构和成分分析

5.4.4涂层的硬度分布

5.5本章小结

第6章激光熔覆层高温冲蚀性能

6.1高温冲蚀试验过程

6.2激光表面强化层高温冲蚀性能

6.2.1冲蚀性能比较

6.2.2冲蚀形貌分析

6.3激光表面强化层高温冲蚀机理

6.3.1低温下的熔覆层材料冲蚀机理

6.3.2氧化影响的熔覆层材料冲蚀

6.3.3氧化物的冲蚀

6.4抗高温冲蚀磨损性能的影响因素

6.4.1材料组织结构的影响

6.4.2熔覆层材料硬度的影响

6.4.3冲蚀角度的影响

6.4.4熔覆层材料抗氧化性能的影响

6.5本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果