6061铝合金电子束熔覆Ni60+CeO2涂层的熔覆工艺及改性研究

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6061铝合金以其自身结构轻量化的优势被广泛应用于汽车及飞机关键零部件。但在长期处于高强度工况下6061铝合金表面硬度、耐磨性及耐蚀性较差,采用电子束熔覆技术对其进行表面改性已成为当前的研究热点之一。本文在6061铝合金表面熔覆Ni60+CeO2复合涂层,针对低熔点铝合金电子束熔覆工艺较难的问题,采用有限元数值模拟方法对电子束加工过程进行温度场模拟,研究不同预置涂层厚度和不同工艺参数下的温度场分布的影响规律,通过优选的工艺参数进行稀土CeO2调控熔覆实验,探讨CeO2在熔覆层中的作用机制。首先,建立了复合粉末配比模型,通过引入填充系数K确定了CeO2粉末的质量配比,经实验分析,CeO2颗粒以单分散性的形式存在于复合涂层中,验证了配比模型的可靠性。其次,建立熔覆温度场模型,分别模拟分析了预置涂层厚度和工艺参数对温度场的影响,并计算了仿真稀释率。结果表明,熔覆层表面同一结点的峰值温度随着预置涂层厚度的增加而升高,熔池的熔深、熔宽随着预置涂层厚度的增加而增大,基体熔深随着预置涂层厚度的增加而减少。结合实验结果,发现预置涂层厚度为1mm的熔覆层成形质量最好。工艺参数方面:随着扫描功率的增大,熔覆层的熔池熔深、熔宽也增大;随着扫描速度和束斑直径的增大,熔覆层的熔池熔深、熔宽反而减小。模拟分析确定较佳的熔覆层仿真稀释率为0.2936,扫描功率为1500W,束斑直径为6mm,扫描速度为10mm/s。再次,通过对熔覆层截面进行SEM、EDS和XRD分析,发现添加4%CeO2的Ni60熔覆层形貌最好,其表面致密、平整光滑,没有裂纹、气孔及凹坑等缺陷,显微组织主要由一些细条的树枝晶组成,晶体间距小,组织致密,添加稀土后结合区元素扩散明显,Cr、Si等硬质元素含量较少,相成分主要有Al、Al3Ni、Al4Ni3、AlCr2和少量的Al3Ce,相对于Ni60、Ni60+5%CeO2及Ni60+6%CeO2熔覆层,(Al Si)7Ni3脆性相消失了,减小熔覆层的断裂倾向。最后,对熔覆层性能进行了对比检测。Ni60+4%CeO2熔覆层的截面硬度最高,是基体的14.4倍;Ni60+4%CeO2熔覆层的耐磨性相对于铝合金基材、Ni60以及其他稀土CeO2含量的熔覆层都要高;熔覆层的耐酸碱盐腐蚀性能由大到小顺序为:Ni60+4%CeO2熔覆层>Ni60熔覆层>6061铝合金。证明了适量的稀土CeO2可以提高熔覆层的性能。
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