激光熔覆陶瓷颗粒增强高熵合金涂层泥沙冲蚀性能研究

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水电是应用广泛的高效清洁能源,水轮机在水力发电中具有重要作用。但是水轮机叶片等过流部件容易发生冲蚀破坏问题,严重影响水轮机的使用寿命和性能。耐冲蚀材料的研发与应用是目前解决水轮机叶片冲蚀破坏的有效方法。高熵合金具有良好的硬度与耐磨损性能,是一种优异的耐冲蚀材料,但是材料成本较高限制其应用范围。本论文利用激光熔覆技术在马氏体不锈钢基体上制备Ni包Al2O3颗粒增强AlCoCrFeNi高熵合金涂层。利用金相显微镜、扫描电镜及其附带的能谱仪观察涂层的微观组织,利用X射线衍射仪来分析涂层的物相,利用显微硬度计以及自制喷射式冲蚀试验机分别对复合涂层的硬度和耐冲蚀性能进行研究,通过上述方法来研究不同镍包氧化铝含量以及退火处理对高熵合金涂层的微观组织、硬度与耐冲蚀性能的影响,主要结果如下:(1)利用正交实验方法制备单道高熵合金涂层,研究了激光功率、扫描速度、送粉速度对单道高熵合金涂层的几何形状、稀释率以及显微硬度的影响。采用多因素极差分析方法对所选的试验因素与水平进行综合评价,最终确定出优化的激光熔覆工艺参数是激光功率为2500 W,扫描速度为200 mm/min,送粉速度为 9.5 g/min。(2)利用激光熔覆技术在马氏体不锈钢上制备x(Ni包Al2O3)-AlCoCrFeNi复合涂层(x=0 wt.%、1.0 wt.%、3.0 wt.%、5.0 wt.%;Ni:Al2O3质量比=50:50),研究了镍包氧化铝含量对复合涂层的微观组织、硬度与耐冲蚀性能的影响。研究发现,添加Ni包Al2O3颗粒后,高熵合金涂层仍是由BCC相组成;添加镍包氧化铝的高熵合金涂层的硬度提高,这是由于添加的镍包氧化铝颗粒在复合涂层中形成弥散硬质层,产生弥散强化的作用;复合涂层的冲蚀质量损失随冲蚀时间的增加而逐渐增大。当以倾斜冲蚀角度进行冲蚀时,石英砂对涂层的冲蚀效果主要表现为水平切削,产生犁沟形貌;当以垂直冲蚀角度对涂层进行冲蚀时,主要在涂层表面产生凹坑形貌。(3)将添加1.0 wt.%镍包氧化铝的高熵合金涂层在850℃下热处理2 h,研究退火处理对高熵合金涂层微观组织及泥沙冲蚀性能的影响。结果表明,热处理涂层的物相未发生改变,仍是由BCC相组成。退火处理后涂层的硬度提高,这是由于在热处理过程中涂层中的原子扩散能力增强,各元素分布更为均匀,降低了涂层组织的位错运动;热处理前后涂层的冲蚀质量损失随冲蚀时间的增加而增大,同条件下,热处理涂层的冲蚀质量损失小于未热处理涂层的质量损失;退火处理涂层在30°冲蚀角度时的质量损失约为50.5 mg,而在45°冲蚀角度时具有最大质量损失,达到77.1 mg,但随着冲蚀角度的增大,热处理涂层的冲蚀质量损失逐渐降低,热处理涂层在高冲蚀角度下表现出塑性材料冲蚀特征。
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