U71Mn钢轨表面Fe基激光熔覆层的激光冲击波调控基础研究

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U71Mn钢是目前铁路上最常用的道轨钢,随着我国铁路的扩建、铁路运输能力的增加和火车速度的提升,对U71Mn钢的需求量日益增加。然而,铁路轨道在服役过程中,在侧磨、碾压等工况下,铁轨表面极容易磨损及腐蚀而失效,大大降低了铁轨的服役安全性和使用寿命。更换铁轨需要将与该道岔的所有线路的车次进行整改或者暂时封闭,为了在短时间内回复铁路正常运营,通常情况下,更换一根尖轨需要大量人力物力,严重影响社会效益和经济效益。为了提高铁轨的耐磨蚀性、延长铁轨的使用寿命,提高服役安全性,本文将激光熔覆和激光冲击强化技术(Laser shock peening,LSP)相结合,对U71Mn钢表面进行改性处理。首先采用激光熔覆技术制备了 43X和SP 465两种高耐磨的铁基熔覆层,针对激光熔覆层内存在较大的拉应力从而影响熔覆层使用寿命的问题,又采用激光冲击技术对熔覆层进行了强化处理,以消除残余拉应力,抑制熔覆层开裂及裂纹扩展。主要研究激光冲击对熔覆层表面物相、组织结构、摩擦磨损及耐腐蚀性能影响。得到主要结论如下:43X熔覆层的物相组成包括α’-Fe、γ-Fe、CrFe4和Fe19Ni,SP 465熔覆层主要物相是α’-Fe、γ-Fe和CrFe4。激光冲击后熔覆层的物相未发生显著变化,衍射峰位也未发生移动。然而,随着激光功率密度和冲击次数的增加,高角度衍射峰逐渐消失,表明激光冲击强化过程中熔覆层内部发生了择优取向。激光冲击前的熔覆层内部组织表现为粗大的柱状晶,经过激光冲击强化后的熔覆层上部的晶粒明显细化,而且激光冲击功率越高、冲击次数越多,强化层深度越大,晶粒细化越显著。激光冲击强化显著降低了熔覆层表面的粗糙度,激光功率密度越大、冲击次数越多,粗糙度下降越显著。激光冲击强化前熔覆层内部表现为拉应力,随着激光功率密度增大和冲击次数增加,熔覆层内部的拉应力逐渐减小,在高功率密度冲击2次以上后,拉应力转变为压应力,可有效抑制熔覆层服役过程中开裂和裂纹扩展。两种熔覆层的硬度均远高于U71Mn钢表面硬度,而且,激光冲击强化后,熔覆层硬度和耐磨性都显著提高,且与激光功率密度和冲击次数正相关。高功率密度、多次冲击更有利于提高熔覆层的耐磨性。U71Mn钢的磨损机理表现为磨粒磨损和黏着磨损,激光冲击前后的熔覆层则表现为典型的磨粒磨损特征。两种熔覆层的耐腐蚀性能均优于U71Mn钢。激光冲击强化能有效提高熔覆层的耐腐蚀性。两种熔覆层的耐腐蚀性能与激光功率密度和冲击次数之间的依赖关系不同,SP 465熔覆层的耐腐蚀性能随着激光功率密度增大和冲击次数增加而增强,而43X熔覆层在高功率密度冲击3次时耐腐蚀性能反而下降,甚至比U71Mn钢的耐腐蚀性还差。
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