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磨损、腐蚀、断裂被认为是材料主要的失效形式,激光和等离子熔覆表面强化技术是提高材料的使用性能,延长使用寿命,并且能实现循环再制造的有效途径。TiB2-TiC复合陶瓷材料由于其优异的耐磨性能和高温稳定性能,是很有发展前景的耐磨、耐高温、耐蚀结构材料,用于耐磨涂层在工程机械、矿山、冶金领域有着广阔的应用前景。 本文在国家863计划课题(耐磨蚀组合涂层等离子熔射制备及表征技术,2015AA034404)支持下,分别采用等离子熔覆技术和激光熔覆技术,以Q235D钢为基体,以Fe55、Ti、B4C为初始粉末原位制备了Fe基TiB2-TiC强化复合涂层。利用X射线衍射、高分辨扫描电镜、能谱分析仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机对熔覆试样进行组织结构分析和性能测试。分析涂层物相、显微组织、显微硬度、耐磨性能及其影响因素,研究高能束流对增强相形态、数量、尺度、分布的影响,探究陶瓷相含量对复合涂层组织和性能的影响及涂层组织结构的演化过程,对比两种熔覆技术在涂层制备中的异同点。主要研究结果如下: 1)以等离子和激光为热源,分别通过调节工艺参数和粉末配比,在 Q235D钢表面获得Fe基TiB2-TiC复合涂层。主要物相均包含TiB2、TiC、α-Fe。涂层当中没有剩余的B4C和Ti相,B4C和Ti反应完全,且随着原始粉末中Ti+B4C含量的增多,涂层中TiB2和TiC的相对量增加。 2)当等离子电流较低时,TiB2和TiC形态分别为长条状、六边形块状和不规则细小的多边形规则块状,长度分别为60~74μm、4~5μm和2~3μm。随着等离子电流的增大,长条状的TiB2数量减少且长度变短,近六边形块状的TiB2数量增多,TiC逐渐由多边形规则块状变为近球状。由于激光具有更高的能量密度,能使基体材料获得更高的过冷度,形成的组织更加细小,TiB2和TiC尺寸分别为3μm和1μm,形态分别为块状和近球状。在等离子熔覆极端非平衡下,TiB2晶核极易沿着 C轴方向失稳生长为长条状,少部分TiB2颗粒沿着密排晶面二维生长成为六边形的片状或者长方体,TiC为截八面体或类球状。随着等离子束电流增大,TiB2相尺寸变小、厚径比变大,TiC生长更加充分,形态更加近似于球状。在TiB2和TiC在界面处有着良好共格关系,当增强相颗粒处于生长初期时其空间结构为内部TiC核心、外部TiC外壳、中间TiB2的“核壳结构”。 3)采用等离子熔覆技术制备的涂层,涂层硬度为基体硬度的3~4倍,涂层与基体之间存在一定厚度的硬度过渡层。长条形TiB2能够改变裂纹扩展方向,分布在共晶体组织上的 TiC,可以增强共晶体的抗层间撕裂性,这种多尺度强化有利于提高涂层的抗冲击性能。采用激光熔覆制备的涂层,其硬度值同样能够达到基体硬度的4倍左右,表面硬度随着初始粉末中Ti+B4C含量的增多而增加。 4)等离子熔覆制备的 TiB2-TiC强化涂层耐磨性能显著提高,涂层摩擦系数稳定且低于 Q235基体,随着等离子电流的增大涂层的摩擦系数逐渐降低。涂层的磨损表面相较于 Q235基体的更加平整和均匀,犁沟数量较少且较浅,在激光熔覆涂层当中,由于硼化物和碳化物的尺寸较小且硬度高,但摩擦系数高于 Q235基体。同时随着涂层当中TiB2和TiC含量的增加涂层的摩擦系数随之降低。涂层的磨损体积和磨损质量均远小于Q235基体。涂层的耐磨性能随着陶瓷相含量的增加呈现先增加后减小的趋势,当陶瓷相含量为25 wt.%时耐磨性能相对较好。随后当陶瓷相含量达到30 wt.%时涂层的磨损量增大。