电磁场调控下等离子束原位合成定向排列M7C3涂层研究

针对水轮机关键过流易损部件再制造技术难题，以提高其使用寿命和可靠性为目标，基于材料制备与成形一体化思路，将电磁场和定向凝固技术植入等离子束表面冶金系统中，原位生成定向排列的M7C3碳化物涂层。系统研究电磁场与等离子束交互作用机理，揭示多场耦合下熔池金属的流动行为对涂层凝固前沿界面的作用机制；阐明M7C3定向排列和结构细化的科学机理和效应，建立M7C3原位形核、长大模型。揭示M7C3硬质相/基体在多相流空蚀磨损条件下的构效演变机理和复合强韧化机制以及结构参量与涂层寿命之间的非线性关联，澄清"材料设计-工艺控制-组织结构-性能质量"之间的映射关系，建立涂层多尺度裂纹扩展及全寿命预测模型。本项目研究内容体现材料学、磁流体力学、摩擦学等多学科领域的交叉，为水轮机关键易损部件的高效、节能、绿色新型再制造工艺提供理论基础和技术支持。

本项目针对水力机械易损部件在多相流磨损环境下的再制造技术难题，基于“余氏”固体与分子经验电子理论，优化设计了含残余奥氏体和M7C3增强相的复合涂层结构的铁基合金。构建了外加磁场和水冷基底作用下的等离子束装置系统，研究了线圈结构和磁场强度对外加磁场的分布特性，外加磁场对改善熔池流体流动行为的作用机理；通过优化电磁参数，制备出了定向排列的M7C3的复合涂层。研究发现：当线圈安装在等离子束枪体上时，熔覆区域呈现纵向的磁场分布；随着磁场的施加，熔池流体产生了循环运动和涡旋运动；随着磁场参数的增强，涂层中M7C3的数目随之增加，且均匀分布于堆焊层的表面；当磁场电流为3A，频率为10Hz时，涂层中M7C3获得最佳的细化效果；而且电磁搅拌改善了涂层中M7C3的分布形态，使其由长条状和六方块状的混合形态逐渐转变为较规则、均匀的六方块状，从而进一步提高涂层在含砂、水多相流磨损和清水空蚀环境下力学性能。本项目的研究成果进一步丰富了再制造理论，为水力机械关键易损部件的低碳再制造提供理论基础和技术支持。