热力作用下钴基熔覆层表面界面失效行为及机理研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学博士学位论文热力作用下钴基熔覆层表面／界面失效行为及机理研究博士研究生：李洋指导教师：金国教授学科、专业：材料科学与工程哈尔滨工程大学２０１８年０６月分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文热力作用下钴基熔覆层表面/界面失效行为及机理研究博士研究生：李洋指导教师：金国教授学位级别：工学博士学科、专业：材料科学与工程所在单位：材料科学与化学工程学院论文提交日期：2018年4月3日论文答辩日期：2018年6月5日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndexU.D.C:ADis

2、sertationfortheDegreeofD.EngStudyonFailureBehaviorandMechanismofSurface/InterfaceofCobalt-baseCladdingCoatingwithThermalandMechanicalEffectsCandidate:YangLiSupervisor:Prof.GuoJinAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofTechnicalScienceSpecialty:MaterialsScienceandEngineeringDateofSubmission

3、:April3,2018DateofOralExamination:June5,2018University:HarbinEngineeringUniversity热力作用下钴基熔覆层表面/界面失效行为及机理研究摘要等离子熔覆技术作为一种重要的再制造修复手段已经在机械、冶金、煤炭等行业得到广泛应用，等离子修复完成后形成的表面/界面结构（界面包括涂层和基体界面、搭接界面、晶界和相界等）对机械零件服役性能和安全可靠性至关重要。本文以大型压缩机叶片及转子轴为研究对象，基于压缩机叶片及转子轴的修复特点及服役条件，采用等离子熔覆技术在FV520B基体上制备了钴基熔覆层（

4、Co50;Co50+5wt%Nb;Co50+5wt%Nb+1wt%CeO2）。为了研究表面/界面在热、力、热力耦合及摩擦环境下的服役行为主要进行了以下工作：研究了Co50熔覆层在热作用下的疲劳性能，并对Co50熔覆层的界面匹配性进行分析；研究了(Nb、CeO2)/Co50熔覆层的界面拉伸失效行为，探索合金元素对涂层结构的强化机理，并对NbC和γ-Co微观相界面的结合状态进行了第一性原理研究。研究了钴基熔覆层表面/界面在不同力学形式（压、拉）的热-力耦合作用下演变规律及失效行为。最后，针对压缩机转子轴服役工况下面临的摩擦学问题，通过磁场技术辅助等离子熔覆制备了新

5、型等离子熔覆涂层，研究了磁场条件对钴基熔覆层（Co50;Co50+TiC）的界面拉伸性能及表面摩擦学性能的影响。研究结果表明：Co50熔覆层在600℃具有优异的抗热疲劳性能，在600℃时涂层和基体材料的膨胀系数非常接近，匹配性很好，随着温度升高基体材料发生相变导致体积变化，进而膨胀系数发生变化，异质材料之间的膨胀系数差异增大，匹配性变差。多次冷热循环后，在涂层/基体界面处产生较大的应力集中。疲劳裂纹在涂层与基体间界面处萌生，并沿着涂层内脆性大的晶界位置扩展。随着Nb和CeO2的加入，涂层组织明显细化，有新相NbC形成，组织中产生了大量的位错晶界处，黑色相减少甚

6、至消失。加入Nb和CeO2熔覆层的抗拉性能得到提升，拉伸断裂发生在涂层中的多层多道搭接界面。涂层和基体界面结合良好，为面心立方结构，涂层与基体间界面未发生断裂得益于良好的弹性匹配。基于TEM结果中γ-Co与NbC两相的存在形式进行的拉伸模拟中，γ-Co和NbC相界面结合要强于Co和Co相界面间的结合。在高温压缩试验中，变形量对压缩变形抗力的影响不大，随着温度升高压缩变形抗力逐渐降低。材料的硬度值随着压缩变形量和温度的变化发生明显改变。变形量的增加使熔覆层组织发生扭转和变形。在压缩过程中涂层和基体界面厚度逐渐减小，并发生明显塑性变形。在高温拉伸试验中，Co50熔

7、覆层体系在各种温度下均失效于涂层位置，随着Nb和CeO2的加入以及温度的升高，熔覆层强度提升，断裂失效的位置由原来的I哈尔滨工程大学博士学位论文涂层处转移到基体。通过TEM观察表明裂纹在γ-Co/Fe-Cr界面处产生并向Fe-Cr相内扩展，发现在裂纹源位置存在大量的位错。针对压缩机转子轴在服役环境中的的摩擦工况，采用磁场辅助等离子熔覆技术制备了Co50和Co50+10wt%TiC涂层。磁场作用下的熔覆层强度高于基体材料。磁场作用下的涂层的表面耐磨性高于无磁场涂层，横向磁场的改善效果尤为明显。磁场涂层表面冲蚀磨损性能优于无磁涂层，涂层的冲蚀失重随着冲蚀角度增大而

8、增加。磁场作用下组织得到明显细化，硬质