激光熔覆多性能强化涂层工艺与分析

本书基于作者多年研究成果，系统概述了齿形件表面强化技术研究背景和现状，而后围绕近年来激光熔覆技术的最新研究动态，分别详细阐述了激光熔覆复合涂层的设计与试验方法，激光熔覆工艺参数选择与优化，激光熔覆颗粒增强复合涂层、激光熔覆稀土增强复合涂层及脉冲激光熔覆复合涂层的组织与性能研究，主动轮齿面激光熔覆复合涂层多性能强化技术研究，重点分析了颗粒增强相、稀土、脉冲激光在复合涂层微观组织、熔池流态、耐磨损、耐冲击、耐腐蚀性能等方面的演变规律和深层次机理。
本书对从事表面工程与制造相关领域的研究人员和工程技术人员具有重要的理论指导价值和工程参考价值。

李云峰，内蒙古工业大学，讲师，多年来主要从事激光表面强化处理、激光熔覆、激光增材制造、激光焊接等方向的研究工作，获批省部级科研项目2项，发表高水平SCI与EI论文9篇，授权3项国家发明专利。

目前，大型履带式工程车辆广泛应用于建筑、采矿、石油等工程领域。由于工作环境恶劣，驱动履带行走的主动轮齿面在伴有高冲击载荷的摩擦力作用下，短期内出现严重磨损现象，现有的齿面感应淬火工艺已无法满足工作需要。激光熔覆技术为齿面强化提供了新思路。激光熔覆技术是材料表面工程与增材制造、增材再制造领域的关键技术之一。激光熔覆技术利用激光作为热源，在一个移动的金属基体表面沉积一层具有一定厚度的金属功能涂层。在这个过程中，各种不同的金属粉末材料被激光熔化并沉积在金属基体表面，形成高耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化及具有良好导电性能的优质涂层。激光熔覆技术既可用于零部件表面性能(如耐磨性、耐蚀性、耐高温氧化性)的提升，又可用于金属材料的高效率、高质量、低成本的增材制造与再制造，已广泛应用于能源、化工、汽车、船舶、航空航天等高端装备关键部件的制造与改性。
本书以主动轮为研究对象，以强化主动轮齿面耐磨耐冲击性能为目标，完成了激光熔覆涂层材料选择和基础工艺优化、耐磨颗粒选配、稀土元素调控、脉冲激光熔覆影响因素分析、复合涂层设计与制备以及齿面激光熔覆工艺等研究工作，在实际应用中具有较大的经济意义和实用价值，对其他复杂零件表面强化处理具有参考价值。
本书共分7章：第1章为绪论，概述了齿形件传统表面改性研究现状，总结了金属耐磨耐冲击涂层制备技术研究现状，综述了近几年激光熔覆技术的研究现状，并提出了主动轮齿面激光熔覆多性能强化涂层制备存在的关键问题；第2章为激光熔覆复合涂层的设计与试验方法，论述了激光熔覆耐磨耐冲击复合涂层结构的初步设计与材料选择，介绍了相关试验、测试方法与设备；第3章为激光熔覆工艺参数选择与优化，研究了载粉气流量对激光熔覆涂层形貌的影响，设计并进行了单道激光熔覆正交优化试验，完成了多道搭接激光熔覆工艺优化与分析；第4章为激光熔覆颗粒增强复合涂层，分别探讨了微米和纳米WC颗粒对涂层宏观与微观形貌的影响，研究了微米和纳米WC颗粒对熔池流动状态与凝固组织的影响机理，分析了微米和纳米WC颗粒对涂层性能的影响；第5章为激光熔覆稀土增强复合涂层，分别探讨了纯钇和氧化钇对涂层宏观与微观形貌的影响，研究了纯钇和氧化钇对熔池流动状态与凝固组织的影响机理，分析了纯钇和氧化钇对涂层性能的影响；第6章为脉冲激光熔覆复合涂层，研究了脉冲激光频率对涂层宏观形貌与微观组织的影响，分析了脉冲激光频率对涂层性能的影响；第7章为主动轮齿面激光熔覆复合涂层，完成了主动轮齿面激光熔覆复合涂层结构与成分设计，进行了激光熔覆复合涂层的宏观形貌与微观组织分析，研究了主动轮齿面激光熔覆复合涂层性能及相关机理，完成了主动轮齿面激光熔覆耐磨耐冲击涂层制备。
本书是作者结合近几年的研究成果编写而成，由李云峰、穆东明、刘鑫著，各章的执笔人为：第1、4、5章李云峰(16万字)；第3、6章穆东明(6.4万字)；第2、7章刘鑫(5.9万字)。衷心感谢姜广君对本书提供的指导和帮助，感谢本科生杨宏涛为本书第1章内容排版的贡献，感谢硕士研究生刘成为本书第2、3章内容校对所做的出色工作，感谢硕士研究生邱亚杰对本书第4、5章内容排版的贡献，感谢硕士研究生王嘉圣对本书第6、7章内容校对的贡献，感谢化学工业出版社编辑为本书高质量出版提供的帮助。本书中的彩色模拟图、表征图，读者可通过化学工业出版社有限公司官网(***。
本书可供机械工程、材料成型领域激光熔覆、激光增材制造等方向的科研人员使用，也可作为高等院校相关专业研究生的科研参考书。
衷心感谢内蒙古工业大学智能装备研究院、内蒙古自然科学基金项目(2023QN05013)和内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目(JY20220262)对本书内容研究提供资助。
鉴于水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请读者指正。

著者
2024年3月20日

第1章　绪论001
1.1　引言001
1.2　齿形件传统表面改性技术002
1.3　金属耐磨耐冲击涂层制备技术006
1.4　激光熔覆技术010
1.4.1　激光熔覆常用方法010
1.4.2　激光熔覆技术进展014
1.5　主动轮齿圈齿面激光熔覆多性能强化涂层制备存在的关键问题025
参考文献026

第2章　激光熔覆复合涂层的设计与试验方法036
2.1　引言036
2.2　基体材料036
2.3　复合涂层结构的初步设计与材料选择037
2.3.1　复合涂层结构的初步设计037
2.3.2　界面连接层与增韧层粉末材料选择038
2.3.3　耐磨层合金粉末材料选择038
2.4　试验与测试分析方法040
2.5　性能测试方法043
2.6　本章小结047
参考文献048

第3章　激光熔覆工艺参数选择与优化049
3.1　引言049
3.2　载粉气流量对激光熔覆涂层形貌的影响049
3.2.1　对熔覆层宏观形貌的影响050
3.2.2　对粉末流态的影响050
3.3　单道激光熔覆正交优化试验与分析054
3.3.1　正交优化试验055
3.3.2　正交试验结果方差分析（ANOVA） 059
3.3.3　参数优化选择与响应预测068
3.4　多道搭接激光熔覆工艺优化与分析072
3.4.1　激光熔覆工艺试验072
3.4.2　激光熔覆过程应力场分析074
3.5　本章小结079

第4章　激光熔覆颗粒增强复合涂层081
4.1　引言081
4.2　微米WC 颗粒对涂层组织与性能的影响081
4.2.1　对涂层宏观形貌的影响081
4.2.2　对涂层微观组织的影响083
4.2.3　对熔池流动状态与凝固组织的影响机理089
4.2.4　对涂层性能的影响095
4.3　纳米WC 颗粒对涂层组织与性能的影响112
4.3.1　对涂层宏观形貌的影响112
4.3.2　对涂层微观组织的影响113
4.3.3　对熔池流动状态与凝固组织的影响机理118
4.3.4　对涂层性能的影响123
4.4　本章小结137
参考文献138

第5章　激光熔覆稀土增强复合涂层141
5.1　引言141
5.2　纯钇对涂层组织与性能的影响141
5.2.1　对涂层宏观形貌的影响141
5.2.2　对涂层微观组织的影响142
5.2.3　对熔池流动状态与凝固组织的影响机理147
5.2.4　对涂层性能的影响155
5.3　氧化钇对涂层组织与性能的影响167
5.3.1　对涂层宏观形貌的影响167
5.3.2　对涂层微观组织的影响168
5.3.3　对熔池流动状态与凝固组织的影响机理172
5.3.4　对涂层性能的影响178
5.4　本章小结189
参考文献191

第6章　脉冲激光熔覆复合涂层193
6.1　引言193
6.2　脉冲激光对涂层宏观形貌与微观组织的影响193
6.2.1　脉冲激光功率对单道涂层宏观形貌的影响193
6.2.2　脉冲激光频率对涂层宏观形貌的影响195
6.2.3　脉冲激光频率对涂层微观组织的影响197
6.2.4　脉冲激光频率对熔池流动状态与凝固组织的影响200
6.3　脉冲激光频率对涂层性能的影响207
6.3.1　脉冲激光频率对涂层显微硬度的影响207
6.3.2　脉冲激光频率对涂层耐磨性能的影响207
6.3.3　脉冲激光频率对涂层力学性能的影响209
6.3.4　脉冲激光频率对涂层电化学腐蚀特性的影响213
6.4　本章小结217
参考文献219

第7章　主动轮齿面激光熔覆复合涂层220
7.1　引言220
7.2　主动轮齿面激光熔覆复合涂层结构与成分设计220
7.3　激光熔覆复合涂层的宏观形貌与微观组织222
7.3.1　宏观形貌222
7.3.2　微观组织223
7.4　主动轮齿面激光熔覆复合涂层性能及相关机理230
7.4.1　匀质复合涂层显微硬度230
7.4.2　匀质复合涂层耐磨性能与磨损机理231
7.4.3　匀质与夹层式复合涂层的耐冲击性能233
7.4.4　带基材复合涂层综合耐冲击性能238
7.4.5　匀质复合涂层耐腐蚀性能241
7.5　主动轮齿面激光熔覆耐磨耐冲击涂层制备245
7.5.1　齿面激光熔覆工装夹具设计246
7.5.2　齿面激光熔覆运动轨迹控制247
7.5.3　齿面激光熔覆工艺过程248
7.5.4　不同强化层对齿面啮合过程应力状态分布的影响251
7.6　本章小结258
参考文献259