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汽车冲压模具激光熔覆FeCoNiCrMo涂层组织及性能研究

摘要

冷冲压模具Cr12MoV具有高硬耐磨特性，但在冲压过程中仍会发生磨损。为了提

高汽车冲压模具的耐磨性能和使用寿命，针对汽车轻量化和安全性的需求，汽车冲压

模具需要具备更高的硬度和耐磨性能。涂层技术成为提高模具耐磨性能的重要手段之

一，其中激光熔覆技术是一种新兴的汽车冲压模具涂层制备工艺。因此，本研究通过

激光熔覆设备优化工艺参数来制备高硬耐磨涂层，主要目的是提高涂层的硬度和摩擦

磨损性能。主要研究内容如下：

利用ANSYS软件建立汽车冲压模具激光熔覆FeCoNiCrMo涂层的有限元模型。计

算出每种材料的热物性参数，对模型进行网格划分。设计不同的工艺参数来制备涂层，

并对其熔池温度进行测量，观察其表面形貌和横截面微观组织。对高能量密度参数下

的样件进行组织观察并分析产生气孔和裂纹的原因。探究不同工艺参数下熔池宽度和

高度的变化，熔覆出多组工艺参数下单道单层涂层，根据涂层微观形貌、稀释率和气

孔面积百分比为指标，确定了最佳工艺参数，制备多道单层涂层来验证数据的准确性。

当激光功率为1600W，扫描速度为150mm/min时，涂层外观形貌良好，无明显缺陷。

比较模拟和实验在不同工艺参数熔池温度、熔深和熔宽随时间的变化，并分析了残余

应力的分布情况。

分析不同质量分数WC对FeCoCrNiMo涂层显微组织和物相组成的影响。涂层厚度

均在1mm左右，无明显裂纹、气孔等缺陷。FeCoCrNiMo涂层主要由FCC相、σ相和

μ相组成，加入WC后，对于10wt.%WC/FeCoCrNiMo涂层、20wt.%WC/FeCoCrNiMo

涂层和30wt.%WC/FeCoCrNiMo涂层，涂层主要由η相和FCC相组成，没有观察到明

显的σ相和μ相峰。η-相通常被认为是MC-MC型碳化物。FeCoCrNiMo涂层的横截

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面组织由下至上是枝晶向等轴晶转变，温度梯度G与凝固速率R的比值是决定显微组

织差异的主要因素。对于FeCoCrNiMo涂层，靠近底部区域的G/R值大于顶部区域的

G/R值，因此涂层底部为枝晶，顶部为等轴晶。未添加WC的涂层主要由σ相和μ相组

成的等轴晶和FCC+σ相的共晶组织组成，WC的加入导致涂层中大量碳化物析出，碳

化物主要以初生碳化物晶体、共晶组织和沿着WC颗粒周围生长的块状晶体3种形式存

在。

对FeCoCrNiMo涂层的显微硬度和耐磨性能进行了更深入的研究，并进行了相关分

析。随着WC含量的提高，涂层的硬度逐渐提高，硬度增长趋势减缓。具有

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

30wt.%WC/FeCoCrNiMo涂层，涂层的平均硬度最高为689.7HV0.2，比未添加WC涂层

的平均硬度提高了129.9HV，这主要是由于固溶强化和第二相强化，

0.2

30wt.%WC/FeCoCrNiMo涂层硬度最高可达到704.3HV0.2。FeCoCrNiMo涂层对WC颗

粒有较好的固持作用，碳化物具有较好的减摩效果。在30wt.%WC/FeCoCrNiMo涂层结

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果表明，涂层的耐磨性最好，平均摩擦系数为0.7215，体积磨损率为1.53×10mm

3/N·m，仅为不含WC的HEA粉末激光熔覆层的7.2%。

关键词：汽车冲压模具；激光熔覆；WC/FeCoCrNiMo涂层；显微组织；耐磨性

汽车冲压模具激光熔覆FeCoNiCrMo涂层组织及性能研究

Abstract

coldstampingdieCr12MoVhasthecharacteristicsofhighhardnessandwearresis