等离子熔化-注射制备碳化物增强涂层组织及耐磨性能研究

摘要

为解决热喷涂、堆焊、熔覆等技术制备碳化物涂层中存在的涂层脱落、碳化物分解、碳化物颗粒沉底或上浮、裂纹等问题，研制开发了等离子熔化－注射技术，实现了涂层与基体冶金结合，显著地提高了涂层与基体结合强度。有效解决了涂层中碳化物颗粒沉底或上浮，碳化物颗粒分解等问题，显著提高涂层的耐磨性能。等离子熔化—注射设备造价低廉，加工效率高，技术更容易实现工业化。
　　本文采用等离子熔化－注射技术在Q235钢表面注射WC-Co、SiC颗粒制备出成形良好、无宏观缺陷的碳化物涂层。采用SEM、TEM、XRD及EDS对涂层组织结构及成分进行了分析。采用摩擦磨损实验机测量了涂层干滑动摩擦磨损性能。组织分析结果表明，熔化－注射WC-Co涂层由WC、M6C（Fe3W3C、Co3W3C）、Fe和W2C等相组成。熔化－注射20～30μmWC-Co涂层顶部由原始WC颗粒、棒状和十字花状的Fe3W3C、板条状铁基共晶组织和灰色铁基组织构成；中部棒状和十字花状组织比较粗大，灰色铁基共晶组织明显多于涂层顶部；底部棒状及十字花状组织比中部稍多，尺寸较小。熔化－注射200～300μmWC-Co涂层顶部WC基本保持原始形貌，颗粒边缘Fe3W3C形成长竿状的“触角”，远离WC的显微组织为网状碳化物和铁基相；涂层中部和底部均由网状碳化物和铁基相组成。熔化－注射200～300μmSiC涂层中形成Fe、SiC、石墨等相。在涂层表面，注入的SiC颗粒“镶嵌”在基体中，涂层内部组织由石墨、铁素体、珠光体组成。熔化－注射80～120μmSiC时，涂层中除有Fe、Fe3C外，还出现了珠光体和非平衡相。基体预热200℃制备的20～30μmWC-Co涂层，顶部组织包括鱼骨状共晶组织、灰色铁基组织及鱼骨状组织周围的黑带；中部析出比较粗大碳化物，呈白色树枝状；底部由未分解的块状WC、十字花状碳化物及鱼骨状共晶组织构成。
　　熔化－注射20～30μmWC-Co、200～300μm和80～120μmSiC涂层组织分布均匀，避免了由于碳化物颗粒与基体密度差引起的颗粒沉底和上浮。采用相同工艺制备200～300μmWC-Co涂层中WC-Co分布在涂层的顶部，没有沉底。20～30μmWC颗粒注入到熔池中需要克服的临界速度为0.20m/s、实际注入速度为2.6m/s。200～300μmWC-Co颗粒所需临界速度为0.063m/s。实际注入速度为0.7m/s。基体表面预涂Ni基自熔合金后，改善WC颗粒与液态基体润湿性，200～300μmWC-Co颗粒所需临界速度转变为零，颗粒在熔池中运行初始速度为0.07m/s，200～300μmWC-Co在整个涂层中分布均匀。
　　随着颗粒粒度增加，涂层中的颗粒分解程度降低，大颗粒200～300μmWC-Co和200～300μmSiC颗粒分解程度均低于小颗粒20～30μmWC-Co、80～120μmSiC。基体温度提高，由于熔池加深及凝固时间变长，涂层中WC-Co颗粒分解和下沉倾向增加。
　　等离子熔化—注射碳化物涂层磨损机理主要是磨粒磨损，涂层耐磨性有明显提高。注入大颗粒的碳化物涂层中保留大量的原始碳化物，耐磨性能明显高于注入小颗粒碳化物涂层的耐磨性能。干滑动摩擦磨损条件下，等离子熔化－注射200～300μmWC-Co涂层的耐磨性大约为Q235钢的87倍；20～30μmWC-Co涂层的耐磨性为Q235钢的14倍；200～300μmSiC颗粒涂层耐磨性为Q235钢的48倍，80～120μmSiC颗粒涂层的耐磨性为Q235钢的4倍。

目录

等离子熔化-注射制备碳化物增强涂层组织及耐磨性能研究

MICROSTRUCTURE AND WEAR

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题目的意义

1.2 国内外在该方向的研究现状

1.3 研究的主要内容

第2章 实验设备材料及研究方法

2.1 实验设备

2.2 实验材料

2.3 组织分析及耐磨性能分析

2.4 注入颗粒速度的测量

第3章 等离子熔化－注射WC 涂层组织及颗粒分布

3.1 等离子熔化－注射WC-Co 涂层宏观形貌及相分析

3.2 等离子熔化－注射20~30μmWC-Co 涂层显微组织

3.3 等离子熔化－注射200~300μmWC-Co 涂层显微组织

3.4 等离子熔化－注射过程中WC-Co 颗粒的分解行为

3.5 WC-Co 颗粒的分布

3.6 本章小结

第4章 等离子熔化－注射SiC 涂层组织及颗粒分布

4.1 等离子熔化－注射SiC 颗粒涂层宏观形貌及相分析

4.2 等离子熔化－注射SiC 涂层显微组织

4.3 等离子熔化—注射涂层中SiC 颗粒分布与分解

4.4 本章小结

第5章 等离子熔化－注射碳化物涂层耐磨性

5.1 等离子熔化－注射WC 涂层的耐磨性及磨损机理分析

5.2 等离子熔化－注射SiC 颗粒涂层的耐磨性能

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历