氬弧熔覆TiB2+TiN-Ni涂層的微觀結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)行為.pdf

1、在工程中，熔覆涂層作為一種改善材料表面性能的手段得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在提高材料的耐磨、耐腐蝕和抗氧化性能等方面。其主要制備方法是激光熔覆和等離子熔覆，但這些方法存在設(shè)備價(jià)格高、操作復(fù)雜等問(wèn)題，造成生產(chǎn)的成本增加。本文將氬弧熔覆作為提高材料表面耐磨性的一種新方法進(jìn)行研究，在大幅度提高材料耐磨性的同時(shí)降低生產(chǎn)成本，這對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效益的提高具有重要的意義。
　　本文以工程常用的35CrMnSi鋼為基體，選擇鈦粉、氮化硼粉和Ni60A粉

2、的混合粉末制成復(fù)合材料棒，利用氬弧熔覆技術(shù)在35CrMnSi鋼表面制備出熔覆層；研究了熔覆電流、熔覆速度、Ti與BN粉末的摩爾比例和(Ti+BN)含量對(duì)組織形貌的影響；確定出制備熔覆層的最佳粉末體系和熔覆工藝；利用X射線衍射儀、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、高分辨電鏡及能譜分析對(duì)熔覆試樣的物相及微觀組織進(jìn)行表征；通過(guò)顯微硬度和摩擦磨損測(cè)試分析熔覆層的磨損機(jī)制，結(jié)果表明：
　　(1)當(dāng)熔覆電流為120A，熔覆速度為2m

3、m/s時(shí)稀釋率最小且表面成形質(zhì)量最佳；當(dāng)熔覆速度為2mm/s，熔覆電流從100A→120A→140A→160A變化時(shí)，熔覆層頂部組織隨電流的增加形成由細(xì)小的顆粒相(尺寸為2~5μm)→顆粒相、針狀和棒狀組織→針、棒狀組織(尺寸為5μm×600nm~15μm×1.2μm)→粗大的針狀組織(尺寸為20μm×1.2μm~2μm)轉(zhuǎn)變；當(dāng)熔覆電流為120A，熔覆速度在1mm/s~3mm/s范圍，熔覆層的組織主要由 Cr23C6、TiB、TiB2

4、、TiN和γ-Ni組成；隨著熔覆速度的增加，熔覆層頂部組織由粗大的針棒狀組織(尺寸大小約為30μm×1μm)→針棒狀組織(尺寸約為10μm×1μm)+顆粒狀組織(1μm~2μm)→顆粒狀組織+須狀組織(尺寸約為10μm×500nm)轉(zhuǎn)變；BN/Ti的摩爾比例對(duì)形成增強(qiáng)相形貌及分布狀態(tài)具有很大的影響。當(dāng)BN/Ti摩爾比為0.33時(shí)，組織主要由TiN和TiB組成；隨著BN含量的增多，TiB2形核質(zhì)點(diǎn)增多，B元素的含量對(duì)TiB2的形核與長(zhǎng)大起

5、了重要的作用。
　　(2)通過(guò)分析合金體系中各物質(zhì)之間的反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)的可行性及TiN、TiB2合成反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，提出了原位合成 TiN+TiB2的動(dòng)力學(xué)模型。得出Ti-BN-Ni合金系在氬弧加熱過(guò)程中的反應(yīng)過(guò)程為：Ni60A合金粉末首先熔化，形成鎳基熔池，鈦和氮化硼溶解在熔化的Ni60A熔池中，在氮原子周圍首先形成富鈦的合金層，發(fā)生TiN原位反應(yīng)，隨后硼將與鈦相互作用，并從合金液中析出向外擴(kuò)散，最后生成大量的TiN和

6、TiB2晶核。
　　(3)通過(guò)TEM和HREM觀察得到，在BN與Ti摩爾比低的情況下(BN/Ti=0.33)，氬弧熔覆制備的TiB主要呈晶須狀，TiB的橫截面由(100)、(101)和(101)面組成六邊形，沿著[010]方向生長(zhǎng)；在 BN/Ti摩爾比為0.67時(shí)，原位制備的面心立方TiN生長(zhǎng)方式為小平面生長(zhǎng)；通過(guò) HREM可以確定 TiN與γ-Ni基體存在(111)TiN//(113)γ-Ni，(111)TiN//(220)γ-

7、Ni，(220)TiN//(313)γ-Ni的關(guān)系；TiB2顆粒主要以短棒狀和六面體體塊狀組織存在；TiB2與TiN形成了{(lán)111}TiN//{0001}TiB2，<110>TiN//<1120>TiB2的位相關(guān)系，并依附于TiN形核長(zhǎng)大。
　　(4)采用氬弧熔覆Ti-BN體系獲得原位自生的TiB2和TiN涂層具有良好的硬度和耐磨性。隨著熔覆電流和熔覆速度的增加，熔覆層的顯微硬度由先增加后降低，當(dāng)熔覆電流為120A，熔覆速度為2m

8、m/s時(shí)，熔覆層平均硬度可達(dá)1320HV0.5，約是基體的5倍；隨著BN/Ti摩爾比的增加，熔覆層的顯微硬度逐漸增大；當(dāng)BN/Ti=1時(shí)，熔覆層的顯微硬度最高可達(dá)1360HV0.5，但分布并不均勻，隨著(Ti+BN)含量的增加，生成的顆粒相的數(shù)量增多，原位合成的組織發(fā)生變化，熔覆層的顯微硬度增大。
　　(5)隨著摩擦載荷的增加，35CrMnSi鋼的磨損量和摩擦系數(shù)均增大，磨損機(jī)制由氧化磨損向黏著磨損轉(zhuǎn)變；含量為20％(Ti+BN)