激光熔覆多性能強化涂層工藝與分析

本書基于作者多年研究成果，系統(tǒng)概述了齒形件表面強化技術研究背景和現(xiàn)狀，而后圍繞近年來激光熔覆技術的最新研究動態(tài)，分別詳細闡述了激光熔覆復合涂層的設計與試驗方法，激光熔覆工藝參數(shù)選擇與優(yōu)化，激光熔覆顆粒增強復合涂層、激光熔覆稀土增強復合涂層及脈沖激光熔覆復合涂層的組織與性能研究，主動輪齒面激光熔覆復合涂層多性能強化技術研究，重點分析了顆粒增強相、稀土、脈沖激光在復合涂層微觀組織、熔池流態(tài)、耐磨損、耐沖擊、耐腐蝕性能等方面的演變規(guī)律和深層次機理。
本書對從事表面工程與制造相關領域的研究人員和工程技術人員具有重要的理論指導價值和工程參考價值。

李云峰，內(nèi)蒙古工業(yè)大學，講師，多年來主要從事激光表面強化處理、激光熔覆、激光增材制造、激光焊接等方向的研究工作，獲批省部級科研項目2項，發(fā)表高水平SCI與EI論文9篇，授權3項國家發(fā)明專利。

1.以工藝-材料-性能一體化框架。 2.詳細分析了顆粒增強相、稀土、脈沖激光在復合涂層微觀組織、熔池流態(tài)、耐磨損、耐沖擊、耐腐蝕性能等方面的演變規(guī)律和深層次機理。 3.可為讀者展示一套相對完整的零部件激光熔覆工藝與測試分析流程，同時為讀者在進行類似零部件激光熔覆處理時提供一些理論與實踐參考。

目前，大型履帶式工程車輛廣泛應用于建筑、采礦、石油等工程領域。由于工作環(huán)境惡劣，驅動履帶行走的主動輪齒面在伴有高沖擊載荷的摩擦力作用下，短期內(nèi)出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象，現(xiàn)有的齒面感應淬火工藝已無法滿足工作需要。激光熔覆技術為齒面強化提供了新思路。激光熔覆技術是材料表面工程與增材制造、增材再制造領域的關鍵技術之一。激光熔覆技術利用激光作為熱源，在一個移動的金屬基體表面沉積一層具有一定厚度的金屬功能涂層。在這個過程中，各種不同的金屬粉末材料被激光熔化并沉積在金屬基體表面，形成高耐磨性、耐蝕性、耐高溫氧化及具有良好導電性能的優(yōu)質涂層。激光熔覆技術既可用于零部件表面性能(如耐磨性、耐蝕性、耐高溫氧化性)的提升，又可用于金屬材料的高效率、高質量、低成本的增材制造與再制造，已廣泛應用于能源、化工、汽車、船舶、航空航天等高端裝備關鍵部件的制造與改性。
本書以主動輪為研究對象，以強化主動輪齒面耐磨耐沖擊性能為目標，完成了激光熔覆涂層材料選擇和基礎工藝優(yōu)化、耐磨顆粒選配、稀土元素調(diào)控、脈沖激光熔覆影響因素分析、復合涂層設計與制備以及齒面激光熔覆工藝等研究工作，在實際應用中具有較大的經(jīng)濟意義和實用價值，對其他復雜零件表面強化處理具有參考價值。
本書共分7章：第1章為緒論，概述了齒形件傳統(tǒng)表面改性研究現(xiàn)狀，總結了金屬耐磨耐沖擊涂層制備技術研究現(xiàn)狀，綜述了近幾年激光熔覆技術的研究現(xiàn)狀，并提出了主動輪齒面激光熔覆多性能強化涂層制備存在的關鍵問題；第2章為激光熔覆復合涂層的設計與試驗方法，論述了激光熔覆耐磨耐沖擊復合涂層結構的初步設計與材料選擇，介紹了相關試驗、測試方法與設備；第3章為激光熔覆工藝參數(shù)選擇與優(yōu)化，研究了載粉氣流量對激光熔覆涂層形貌的影響，設計并進行了單道激光熔覆正交優(yōu)化試驗，完成了多道搭接激光熔覆工藝優(yōu)化與分析；第4章為激光熔覆顆粒增強復合涂層，分別探討了微米和納米WC顆粒對涂層宏觀與微觀形貌的影響，研究了微米和納米WC顆粒對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理，分析了微米和納米WC顆粒對涂層性能的影響；第5章為激光熔覆稀土增強復合涂層，分別探討了純釔和氧化釔對涂層宏觀與微觀形貌的影響，研究了純釔和氧化釔對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理，分析了純釔和氧化釔對涂層性能的影響；第6章為脈沖激光熔覆復合涂層，研究了脈沖激光頻率對涂層宏觀形貌與微觀組織的影響，分析了脈沖激光頻率對涂層性能的影響；第7章為主動輪齒面激光熔覆復合涂層，完成了主動輪齒面激光熔覆復合涂層結構與成分設計，進行了激光熔覆復合涂層的宏觀形貌與微觀組織分析，研究了主動輪齒面激光熔覆復合涂層性能及相關機理，完成了主動輪齒面激光熔覆耐磨耐沖擊涂層制備。
本書是作者結合近幾年的研究成果編寫而成，由李云峰、穆東明、劉鑫著，各章的執(zhí)筆人為：第1、4、5章李云峰(16萬字)；第3、6章穆東明(6.4萬字)；第2、7章劉鑫(5.9萬字)。衷心感謝姜廣君對本書提供的指導和幫助，感謝本科生楊宏濤為本書第1章內(nèi)容排版的貢獻，感謝碩士研究生劉成為本書第2、3章內(nèi)容校對所做的出色工作，感謝碩士研究生邱亞杰對本書第4、5章內(nèi)容排版的貢獻，感謝碩士研究生王嘉圣對本書第6、7章內(nèi)容校對的貢獻，感謝化學工業(yè)出版社編輯為本書高質量出版提供的幫助。本書中的彩色模擬圖、表征圖，讀者可通過化學工業(yè)出版社有限公司官網(wǎng)(***。
本書可供機械工程、材料成型領域激光熔覆、激光增材制造等方向的科研人員使用，也可作為高等院校相關專業(yè)研究生的科研參考書。
衷心感謝內(nèi)蒙古工業(yè)大學智能裝備研究院、內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2023QN05013)和內(nèi)蒙古自治區(qū)直屬高?；究蒲袠I(yè)務費項目(JY20220262)對本書內(nèi)容研究提供資助。
鑒于水平有限，書中難免有疏漏之處，敬請讀者指正。

著者
2024年3月20日

第1章　緒論001
1.1　引言001
1.2　齒形件傳統(tǒng)表面改性技術002
1.3　金屬耐磨耐沖擊涂層制備技術006
1.4　激光熔覆技術010
1.4.1　激光熔覆常用方法010
1.4.2　激光熔覆技術進展014
1.5　主動輪齒圈齒面激光熔覆多性能強化涂層制備存在的關鍵問題025
參考文獻026

第2章　激光熔覆復合涂層的設計與試驗方法036
2.1　引言036
2.2　基體材料036
2.3　復合涂層結構的初步設計與材料選擇037
2.3.1　復合涂層結構的初步設計037
2.3.2　界面連接層與增韌層粉末材料選擇038
2.3.3　耐磨層合金粉末材料選擇038
2.4　試驗與測試分析方法040
2.5　性能測試方法043
2.6　本章小結047
參考文獻048

第3章　激光熔覆工藝參數(shù)選擇與優(yōu)化049
3.1　引言049
3.2　載粉氣流量對激光熔覆涂層形貌的影響049
3.2.1　對熔覆層宏觀形貌的影響050
3.2.2　對粉末流態(tài)的影響050
3.3　單道激光熔覆正交優(yōu)化試驗與分析054
3.3.1　正交優(yōu)化試驗055
3.3.2　正交試驗結果方差分析（ANOVA） 059
3.3.3　參數(shù)優(yōu)化選擇與響應預測068
3.4　多道搭接激光熔覆工藝優(yōu)化與分析072
3.4.1　激光熔覆工藝試驗072
3.4.2　激光熔覆過程應力場分析074
3.5　本章小結079

第4章　激光熔覆顆粒增強復合涂層081
4.1　引言081
4.2　微米WC 顆粒對涂層組織與性能的影響081
4.2.1　對涂層宏觀形貌的影響081
4.2.2　對涂層微觀組織的影響083
4.2.3　對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理089
4.2.4　對涂層性能的影響095
4.3　納米WC 顆粒對涂層組織與性能的影響112
4.3.1　對涂層宏觀形貌的影響112
4.3.2　對涂層微觀組織的影響113
4.3.3　對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理118
4.3.4　對涂層性能的影響123
4.4　本章小結137
參考文獻138

第5章　激光熔覆稀土增強復合涂層141
5.1　引言141
5.2　純釔對涂層組織與性能的影響141
5.2.1　對涂層宏觀形貌的影響141
5.2.2　對涂層微觀組織的影響142
5.2.3　對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理147
5.2.4　對涂層性能的影響155
5.3　氧化釔對涂層組織與性能的影響167
5.3.1　對涂層宏觀形貌的影響167
5.3.2　對涂層微觀組織的影響168
5.3.3　對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響機理172
5.3.4　對涂層性能的影響178
5.4　本章小結189
參考文獻191

第6章　脈沖激光熔覆復合涂層193
6.1　引言193
6.2　脈沖激光對涂層宏觀形貌與微觀組織的影響193
6.2.1　脈沖激光功率對單道涂層宏觀形貌的影響193
6.2.2　脈沖激光頻率對涂層宏觀形貌的影響195
6.2.3　脈沖激光頻率對涂層微觀組織的影響197
6.2.4　脈沖激光頻率對熔池流動狀態(tài)與凝固組織的影響200
6.3　脈沖激光頻率對涂層性能的影響207
6.3.1　脈沖激光頻率對涂層顯微硬度的影響207
6.3.2　脈沖激光頻率對涂層耐磨性能的影響207
6.3.3　脈沖激光頻率對涂層力學性能的影響209
6.3.4　脈沖激光頻率對涂層電化學腐蝕特性的影響213
6.4　本章小結217
參考文獻219

第7章　主動輪齒面激光熔覆復合涂層220
7.1　引言220
7.2　主動輪齒面激光熔覆復合涂層結構與成分設計220
7.3　激光熔覆復合涂層的宏觀形貌與微觀組織222
7.3.1　宏觀形貌222
7.3.2　微觀組織223
7.4　主動輪齒面激光熔覆復合涂層性能及相關機理230
7.4.1　勻質復合涂層顯微硬度230
7.4.2　勻質復合涂層耐磨性能與磨損機理231
7.4.3　勻質與夾層式復合涂層的耐沖擊性能233
7.4.4　帶基材復合涂層綜合耐沖擊性能238
7.4.5　勻質復合涂層耐腐蝕性能241
7.5　主動輪齒面激光熔覆耐磨耐沖擊涂層制備245
7.5.1　齒面激光熔覆工裝夾具設計246
7.5.2　齒面激光熔覆運動軌跡控制247
7.5.3　齒面激光熔覆工藝過程248
7.5.4　不同強化層對齒面嚙合過程應力狀態(tài)分布的影響251
7.6　本章小結258
參考文獻259