论文部分内容阅读
随着纳米技术的发展，利用纳米材料的优异特性，以各种纳米粉末为原料，通过熔覆、镀覆、气相沉积等方法构筑纳米结构涂层正成为新材料开发及表面工程领域中的一个研究热点。在不改变材料整体性能的前提下通过在材料表面制备高性能的纳米涂层，不仅经济而且能够大大提高材料的耐磨性能和使用寿命。
本文采用大功率CO2激光器，以2Cr13不锈钢和碳钢为基体，进行了激光熔覆纳米复合涂层的实验，研究了在强激光作用下，镍包纳米氧化铝复合涂层、碳纳米管复合涂层以及纳米氧化铝复合化学硬化镀层的组织和性能转变，探讨纳米材料的存在形式和强化方式，以及各种工艺参数对涂层性能的影响。本文利用高能激光束快速加热和冷却的特点，控制晶粒长大，制备了性能优越的纳米结构涂层，并把该涂层技术应用于轮机叶片和刀具制造中。
分析研究结果表明，经过高能量激光快速作用后，各纳米材料(Al2O3/Ni，CNTs碳纤维，WC)都起到着不同的强化作用，纳米相的弥散强化，固溶强化以及激光快速熔凝造成的晶粒细化等是涂层强化的主要原因，在此基础上，不同纳米材料的复合体现出自身的特点：
(1)以2Cr13为基体的Al2O3/Ni复合涂层，在优化的30％Al2O3，4kW，10m/min，3～4×104W/cm2的条件下，纳米Al2O3分布在细晶内强化涂层，涂层硬度HV0.2700，耐磨损性能比淬火态基体提高了1.25倍。
(2)以碳钢为基体的碳纳米管涂层，多数碳纳米管都溶入表面熔融层中，形成Fe3C、Fe5C2以共晶和过共晶形态出现，与石墨相比碳纳米管对基体的增碳效应显著，涂层表面的显微硬度HV0.2800～HV0.2850，耐磨性能比45钢基体高出2～3倍。
(3)以2Cr13为基体的纳米WC涂层，在激光作用下可获得70～75nm纳米晶结构，熔覆层硬度高达HV0.21758，磨损性能比淬火态基体提高了2.5倍。
(4)以2Cr13为基体的纳米Al2O3化学复合沉积涂层，在低功率密度的激光束作用下，体现为激光热处理晶化处理方式，镀层硬度达到HV0.21280，与基体结合状态没有改变；而在高功率密度的激光束作用下，体现为激光重熔晶化处理方式，晶粒度为21.8～31.8nm，镀层与基体呈冶金结合，表层硬度为HV0.2865，耐磨损性能比淬火态基体提高了2倍以上。
用上述方法制备的纳米强化涂层在轮机关键部件叶片和刀具上使用，通过装机实测，使用寿命提高一倍以上。该技术的实用化尝试证明，该技术应用前景广阔，与相比其他方法，激光强化纳米涂层相比其他纳米涂层，优越性显著，适应性强，因此，该技术研究是一项开创性的并有广泛的实际意义的工作，开拓了纳米材料新的应用领域。