WC对Ni基合金定向结构涂层微结构演变及其性能的影响

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本研究采用火焰喷涂技术和感应重熔加强制冷却的方法,在不同的感应重熔温度(800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃)下制备了WC强化的Ni60/20%WC定向结构涂层,研究不同感应重熔温度对WC强化的定向结构涂层中晶界和晶粒的形态、生长行为、元素分布及其性能的影响,确定出最佳的重熔温度;之后采用不同工艺,在确定的最佳重熔温度下,制备不同含量WC(5%、20%、35%、50%)强化的Ni60预制、重熔和定向结构涂层,研究不同含量的WC对复合涂层的组织演变、物相组成和力学性能的影响;其次对不同WC含量下的定向结构涂层的摩擦磨损性能进行了研究,探讨WC含量的增加对定向结构涂层摩擦磨损性能的影响,系统的分析了WC增强的定向结构涂层磨损机制与摩擦性能,结果表明:(1)随着重熔温度从800℃升高到1100℃,涂层中未形成明显的定向结构组织,主要表现为具有凝聚态的细密组织结构特征,涂层中出现的层状共晶向块状W化物和块状W化物镶嵌的板条状组织的结构进行转变;当重熔温度进一步上升到1200℃时,涂层定向结构特征较为明显,由于此温度下的涂层合金具有较大的过热状态,快速凝固过程中远程W元素较强的扩散和较大的温度梯度导致定向结构涂层的组织发生了改变,此时涂层组织为树枝晶、柱状晶和等轴晶,此外生成的WSi2、W2B等物相,共同对晶界起到阻塞强化的作用。(2)不同重熔温度下,涂层中大部分WC颗粒边缘发生微熔,且以外延生长的形式在WC颗粒周围析出须状、条状、针状的组织,凝固结束后WC颗粒表现出椭圆状的形式,并在界面处保存下来;随着重熔温度的升高,800℃~1100℃时涂层中层状共晶逐渐消失,析出的块状W化物逐渐长大,最终呈现出规则四边形结构,并镶嵌在板条状晶界边缘;由于不同重熔温度下定向涂层的组织结构不同,从而导致涂层的硬度也发生了变化,1200℃时定向结构涂层内大量析出硬质强化相,使其显微硬度最大,其平均值约为699.8HV。(3)不同WC含量下的预制涂层经感应重熔和感应重熔加强制冷却处理后,随着WC含量的增加,涂层内W元素的扩散和界面处未熔WC颗粒的增多,促进了涂层组织结构的转变和界面处晶粒的长大,重熔涂层组织为柱状晶、等轴晶和少量杂乱分布的树枝晶,定向结构涂层为沿热流方向具有特定取向生长的柱状晶、树枝晶以及大量的等轴晶,并且两种工艺下制备的涂层组织在界面处均有长大的现象;定向结构涂层界面处微熔的WC会对枝晶的生长产生影响,使其表现出间断、合并择优生长的特点;此外,WC含量的增加,促进了W元素的扩散与硬质相的生成,定向结构涂层中出现的WSi2、W2B、Ni W、Fe6W6C等新相填充于晶界内部,分布匀均,支撑强化晶界,对软晶粒起到保护作用,可以很大程度上提升涂层的各项综合性能,整体上感应重熔与定向结构涂层的硬度随着WC含量的增加而相应升高,但两者相差值不是太大。(4)定向结构涂层的摩擦系数与磨损率随着涂层中WC含量的增加先减小后增大;当WC含量为20%时,定向结构涂层的摩擦系数和磨损率最小,分别为0.274和1.21×10-6 mm3/Nm,在此成分下定向结构涂层的耐磨性能最好;随着WC含量的增加,定向结构涂层的磨损方式由5%WC含量时的疲劳磨损和磨粒磨损,转变为20%WC含量下的轻微磨损,WC含量为35%时为轻微剥落和粘着涂抹,当WC含量增加到50%时,主要为粘着磨损和轻微磨粒磨损。
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