磨损失效是材料表面最常见的失效形式之一,不仅会带来巨大的经济损失,还会造成重大的人员伤亡。表面工程技术(如大气等离子喷涂、高速火焰喷涂、激光熔覆、等离子喷焊等)是改善材料表面性能的有效途径。热喷涂技术,由于涂层内部存在孔隙、涂层与基体之间为机械结合(结合强度低),且涂层厚度受到一定限制,影响其更广泛的应用。激光熔覆设备比较昂贵,维修成本高,并且难于制备大面积的熔覆层,在生产中的应用也受到一定的限制。等离子喷焊具有组织致密、喷焊层/母材界面为冶金结合及喷焊层厚度易于控制等优点,近年来受到工业界的普遍关注。本文采用等离子喷焊技术在Q235低碳钢表面研究制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料强化层,并研究其微观组织及性能特点,为改善材料的表面性能提供必要的理论依据和工艺途径。本文首先系统地研究了等离子喷焊参数(喷焊电流I、喷焊距离S、喷焊速度V)对Ni60A喷焊层的表面质量及熔合比的影响规律。结果表明,选择喷焊参数:I=45A-55A、S=12mm-13mm、V=30mm/min-35mm/min有利于改善喷焊层的质量。在此基础上,研究了Ni60A喷焊层的微观组织及性能特点。Ni60A喷焊层主要由γ-Ni、Cr23C6、Cr7C3、Ni3Si、Cr B和Cr5B3相组成,γ-Ni为主要组成相,其次是Cr23C6,Cr7C3、Ni3Si、Cr B和Cr5B3相的含量相对较小。Ni60A喷焊层的耐磨性能明显高于Q235钢母材,其磨损机制主要为显微切削和Cr23C6颗粒的破断。基于Ni60A喷焊层的研究结果,采用Ni60A+Ni Cr-Cr3C2+WC-12Co混合粉末研究制备WC颗粒增强Ni基复合材料喷焊层。研究结果表明,随着混合粉末中Ni Cr-Cr3C2粉末质量分数的增加,促进碳化铬(Cr23C6、Cr7C3)的形核、长大,有利于改善喷焊层的耐磨性;随着WC-12Co粉末质量分数增加,WC颗粒明显增多,但WC-12Co质量分数过大(20%)导致喷焊层中出现未完全熔化的WC粒子,影响喷焊层的耐磨性能。WC颗粒增强Ni基复合材料喷焊层微观组织的突出特点是多边形WC颗粒镶嵌在γ-Ni基体中。WC形成反应的吉布斯自由能较低,在熔池中可以自发进行。WC在熔池中的形核方式主要为均质形核,未熔化的WC粒子也可作为核心促进WC的生长。与Q235母材相比,WC颗粒增强Ni基复合材料喷焊层的硬度和耐磨性明显提高,耐磨性能可提高13倍以上。高硬度的WC颗粒是提高喷焊层耐磨性的主要因素,其磨损机制主要为微切削和粗化的WC颗粒破断。采用Ni60A+Ni Cr-Cr3C2+Ti混合粉末研究制备原位生成Ti C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层,喷焊层主要为大量原位生成Ti C颗粒弥散分布在Ni基体中。随着纯Ti和Ni Cr-Cr3C2粉末质量分数的增加,原位生成Ti C颗粒的数量明显增多,但纯Ti粉末的质量分数过大(8.58%)时,喷焊层表面氧化严重,内部出现微小的孔隙。在熔池中Ti C主要为均质形核,Ti-Si-C多元化合物粒子也可作为形核的核心,以小平面生长方式生长。与Q235母材相比,原位生成Ti C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层的耐磨性提高15倍以上。这主要与Ti C颗粒/Ni基体界面具有很高的强韧性、抗塑性形变能力和裂纹萌生扩展阻力,且Ni基体可以很好地支撑Ti C颗粒等因素有关。原位生成Ti C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层主要的磨损机制为微切削、划擦。采用Ni60A+Ni Cr-Cr3C2+Nb混合粉末研究制备原位生成Nb C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层,喷焊层的微观组织特点是大量原位生成Nb C颗粒弥散分布在Ni基体中。随着纯Nb和Ni Cr-Cr3C2粉末质量分数的增加,有利于原位生成Nb C颗粒,但纯Nb粉的质量分数过大(13.08%)时,喷焊层中出现未完全熔化的Nb粒子,影响喷焊层的耐磨性能。Nb C在熔池中主要形核方式为均质形核,也会以未完全熔化的Nb粒子为核心进行异质形核,并以二维形核和螺旋位错的生长方式长大。与Q235钢母材相比,原位生成Nb C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层的耐磨性可提高14倍以上,其磨损机制主要为微切削和增强相的脱落。比较三种复合材料喷焊层的性能及制备工艺,Ti C颗粒增强Ni基复合材料喷焊层具有更高的耐磨性能,但由于纯Ti粉的存在影响喷焊过程的稳定性;WC(Nb C)颗粒增强Ni基复合材料喷焊层的制备具有相对好工艺稳定性。