在碳钢基材上激光熔覆玻璃涂层及其物理化学行为研究
Laser Clad Glass Coatings on Steels and Their Physical-Chemical Behaviors

本文简单回顾激光技术发展历史,并总结激光表面处理技术在陶瓷材料加工、电子陶瓷和结构陶瓷的改性和陶瓷涂层的制备诸方面的应用.在此基础上,对激光熔覆玻璃涂层技术进行了系统的研究.以在普通碳素钢基材上激光熔覆NA-K-CA-AL-B硅酸盐玻璃涂层为背景,研究工作围绕激光熔覆工艺、玻璃涂层和金属基材的界面反应和玻璃熔体的凝固和析晶三个方面,探索激光熔覆陶瓷涂层的新方法. 本文主要在以下几个方面进行了详细实验研究和理论分析: 第一,首先研究了激光熔制玻璃体和激光重熔搪瓷涂层,以了解激光辐照引起玻璃成分和结构的变化,及其与激光工艺参数的关系.发现了激光辐照会造成玻璃中NA,K,B和F工艺降低玻璃软化温度的元素大量地汽化,和引起玻璃的相分离.影响激光重熔搪瓷涂层的主要因素是激光功率,激光束扫描速度和试样预热温度.4.81*10〓-1.56*10〓J/M〓的激光能量密度范围的激光辐照足以使搪瓷涂层熔化甚至汽化.基于大量实验数据,得出了适宜于激光熔覆玻璃涂层的大致工艺范围:激光束尺寸为4*4MM时,激光功率低于500W和扫描速度低于8MM/S的能量密度范围;试样预热有利于形成均匀玻璃涂层. 第二,研究了A3钢基材上激光熔覆玻璃涂层的可行性.实验结果表明,激光熔覆玻璃涂层是在激光辐照下玻璃熔体在金属基材表面上润湿、铺展和密着过程.玻璃熔体的铺展程度与激光功率、扫描速度和试样预热之间有密切的依赖关系.在激光能量密度为1.25*10〓J/M〓左右范围内获得了均匀、致密、粘附和无裂纹的玻璃涂层.无裂纹玻璃涂层的形成突破了当前存在的激光表面改性处理必然导致陶瓷材料开裂的困境.研究结果表明,玻璃的滞弹性行为是使玻璃涂层承受激光熔覆过程中热应力冲击的主要原因.作为比较,激光熔覆玻璃涂层比工业搪烧涂层具有更致密、更均匀的结构和碱金属元素和铁元素含量低和硅,铝和钙元素含量更高的成分等特点. 第三、研究了激光熔覆过程中玻璃熔体与A3钢基材之间的界面反应.基于玻璃熔体与金属基材之间的物理化学性能的差异和激光熔覆时高于2000℃的熔池温度条件,它们之间发生了激烈的氧化还原反应;基材中铁和碳元素将玻璃熔体中NA,K,CO,NI,SI,AL和CA元素还原: COO+FE=CO+FEO NIO+FE=NI+FEO NA〓O+FE=2NA+FEO OR NA〓O+C=2NA+CO K〓O+FE=2K+FEO OR K〓O+C=2K+CO SIO〓+2C=SI+2CO AL〓O〓+3C=2AL+3CO CAO+C=CA+CO 当选用工业纯铁为基材时,由于其C含量比A3钢的含C量低得多,而还原产物因而也少得多. 第四、研究了激光熔覆过程中玻璃熔体的凝固和析晶.虽然玻璃的导热性能比之于一般金属材料要差得多,但停止激光辐照后玻璃熔体主要通过金属基材导热而不是熔体表面的辐射传热来散热的,从而凝固方向是由熔池底部指向熔池表面的.在激光能量密度较高时,有晶体自玻璃熔体中析出.研究结果表明大量FEO进入玻璃熔体,导致玻璃熔体分相,降低玻璃熔体粘度,减少玻璃熔体中晶核临界尺寸和形核势垒,是FE-SI-AL氧化物晶体从玻璃熔体中析出的主要原因.形核位置是在玻璃熔体的表面或熔体内部的气孔壁上.FE-SI-AL氧化物晶体有典型的光面生长特征,其生长方向与形核位置有关,既可以沿着最快导热方向生长,也可以沿着最快导热方向的反方向生长.生长形貌与析晶体在熔池内所处的位置的G〓/R值大小有关,在熔池底部G〓/R值最大,析晶体以平界面生长;在熔池外部G〓/R值迅速变小,析晶体以枝晶形态生长. 第五、讨论了激光熔覆玻璃涂层过程中的传热和传质.基于FOURIER热传导方程和NAVIER-STOKES动量传输方程描述了激光熔池内不均匀的温度场和熔体的对流流场.近似计算表明.即使在相同熔池的相同流速条件下,玻璃熔池的流动状态和金属(以铁为例)熔池的流动状态相差很悬殊.玻璃熔池的REYOLDS系数至少比金属熔池的REYOLDS系数小10〓个数量级,而摩阻系数要大10〓个数量级以上;玻璃熔池内层流流动的熔体占很大比例,而对流流动的熔体相对地仅占较小比例;从而,与金属熔池相比,玻璃熔池的流动较易造成溶质在熔池内的不均匀分布.这一结论对于解释玻璃熔化区内的环状物质偏析或其它材料熔化区内的多环结构的形成机理颇有指导意义. 第六,初步研究了陶瓷涂层中玻璃相的滞弹性行为对减小激光熔覆过程中陶瓷涂层的开裂倾向的可行性.采用掺加少量玻璃粉的陶瓷粉料的激光熔覆新方法,获得了均匀、致密、粘附的和无裂纹的AL〓O〓和MULLITE基陶瓷涂层.这一成果可能为解决激光熔覆陶瓷涂层的开裂问题提供了新途径.