【摘 要】
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本课题采用原位反应法在轴承钢(GCr15)表面制备碳化钽陶瓷增强层,通过吉布斯自由能函数法计算了 GCr15/Ta体系的热力学条件;选用经典动力学模型结合Arrhenius公式计算TaC陶瓷
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本课题采用原位反应法在轴承钢(GCr15)表面制备碳化钽陶瓷增强层,通过吉布斯自由能函数法计算了 GCr15/Ta体系的热力学条件;选用经典动力学模型结合Arrhenius公式计算TaC陶瓷增强层的生长系数和激活能;采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及电子背散射衍射技术(EBSD)对TaC陶瓷增强层的微观组织、物相组成、碳化钽颗粒的形貌以及物相分布进行表征;采用纳米压痕仪、显微硬度仪以及自动划痕仪对碳化钽陶瓷增强层的硬度、弹性模量、断裂韧性以及刻划失效等性能进行了研究。结果表明:(1)通过DSC分析和热力学计算可确定GCr15/Ta体系中的原位反应温度为1150、1200、1250℃。(2)原位生成的碳化钽陶瓷增强层与基体之间结合良好,无孔洞、夹杂等界面缺陷;组织分为未反应完的Ta板、TaC陶瓷增强层以及钢基体;陶瓷增强层横截面存在的物相包括有Ta、TaC、FeC以及α-Fe;TaC陶瓷层的表面仅有TaC相,无其它杂相。(3)不同保温温度和反应时间的体系中,同一温度下,随着时间的延长,原位反应法制备的TaC陶瓷增强层的厚度逐渐增加,生长系数随温度升高而增大。碳化钽陶瓷增强层生长系数K0=1.35×10-9 cm2/s,生长激活能Q=402.41 kJ/mol。根据动力学模型与Arrhenius公式推导出碳化钽陶瓷增强层的厚度与保温温度和时间之间的函数关系式。(4)GCr15表面碳化钽陶瓷增强层的弹性模量最高可达537.9 GPa,约为钢基的2.26倍;硬度最大可达27.5 GPa,约为钢基的2.4倍,TaC陶瓷增强层的硬度值沿钽板垂直向下呈梯度变化;结合维氏硬度法和公式计算GCr15表面TaC陶瓷增强层的断裂韧性KIC=10.06 MPa·m1/2;显微刻划实验表明增强层表面的随着法向载荷的增大,划痕的深度也随之增大,表明采用原位技术制备的陶瓷增强层的抗划痕性能优异。
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