铜合金表面激光熔覆Ni-玻璃陶瓷复合涂层数值模拟及组织性能分析

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铜合金因其优良的塑性、韧性、导电性和导热性,被广泛的应用于电气、电子、建筑、航天和交通运输等方面。随着各行各业的发展,对铜合金的消耗量和性能要求迅速提高,需要铜合金能够在各种复杂情况下服役更久,且满足耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等一系列条件。激光熔覆技术制备金属-陶瓷复合涂层具备金属和陶瓷的双重性能,可以有效的改善金属表面性质,达到强化表面的目的。本文对铜合金表面激光熔覆技术制备金属-陶瓷复合涂层进行数值模拟和组织性能分析。本文以T2紫铜为基体,质量比为8:2的Ni-玻璃复合材料为熔覆材料,采用ANSYS软件构建激光熔覆温度场模型。研究了单道、多道熔覆在某一时刻的熔池特征及温度场分布、特定路径温度梯度变化、节点温度速率-时间变化情况。分析了激光功率P、扫描速度V、预热温度T对单道熔覆熔池形貌、温度场的影响规律,获得工艺参数对熔池尺寸影响效果为P>V>T,对峰值温度影响效果为P>V>T,对基板温度的影响效果为V>T>P。依据数值模拟结果优化设计实验参数,进行相关熔覆测温实验,验证模拟模型的准确性。通过对比得到激光熔覆温度模拟值和实验值变化趋势一致,最大误差不超过9%。熔池尺寸的模拟值和实验值最大误差不超过13%。进一步对熔覆层的组织、物相组成及熔凝行为进行分析,并探讨工艺参数对熔覆层组织与性能的影响。结果表明Ni-玻璃陶瓷复合涂层与基体结合良好,无明显裂纹等缺陷。其组织分布符合模拟中温度梯度G和凝固速度R值分析结果。熔覆层主要为α-(Cu,Ni)、Cr、Ni-Cr-Co等其他金属化合物。较高的功率和扫描速度会使组织向枝晶方向转变。不同工艺参数得到的熔覆层显微硬度均有所提升,约为基体的4.3~4.7倍。此外通过增大功率或降低扫描速度可以控制熔覆层中气孔的数量和大小,提高成形质量。
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