碳氮合金化耐磨合金电弧喷涂的熔滴过渡行为及涂层性能研究

摘要

在设备零件表面制备高性能的耐磨涂层是提高其使用寿命的有效途径。相对于其它热喷涂方法，电弧喷涂由于具有设备简单、操作方便、效率高、成本低的特点而得到广泛应用。目前制备电弧喷涂耐磨涂层主要采用碳强化的合金丝材，但是此种喷涂丝材中的碳化物容易长大、脱落，从而使涂层难以获得高耐磨性能和结合强度。本文通过使用氮替代部分碳进行碳氮合金化，并添加适量的钒、铌等强碳氮化合物形成元素，在涂层中形成了碳氮化物等硬质相颗粒，显著地提高了涂层的耐磨性能和结合强度，开辟了具有较高综合性能电弧喷涂耐磨涂层材料的新途径。
　　以自主研发的4Cr13马氏体涂层为基础合金涂层，通过添加适量的氮化物以及钒铁、铌铁，设计了新型碳氮合金化耐磨合金材料，并研制出工艺性良好的碳氮合金化耐磨合金电弧喷涂药芯丝材；研究了合金涂层金属基体中氮的析出行为，并确定了合金涂层的合理氮含量，结果表明：4Cr13马氏体不锈钢涂层中最大氮含量约为0.10％，而加入微量的固氮元素钒和铌能使合金涂层的氮含量达到0.20％以上。铌和钒提高氮在马氏体不锈钢涂层溶解度的主要原因为：这两种元素降低氮在熔滴金属中的活性系数，从而增大了氮的固溶度；作为碳氮化物形成元素与氮作用，形成复杂的碳氮化物粒子，增大涂层的含氮量。
　　应用高速摄影技术研究了电弧喷涂雾化熔滴过渡行为，并分析其对耐磨合金涂层质量的影响，结果发现：制备碳氮合金涂层时雾化熔滴的尺寸差别较大，最大熔滴体积约为最小熔滴的几十倍。电弧喷涂电流和雾化空气压力越大，雾化熔滴的尺寸就越小，雾化效果就越好，熔滴速度也就越快。熔滴最高速度达78m/s，而最低速度只有21m/s。电弧喷涂雾化熔滴过渡行为研究为电弧喷涂工艺和涂层质量的分析与评定提供了有效手段和依据。
　　系统研究喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离、雾化空气压力等主要电弧喷涂工艺参数对碳氮合金化耐磨合金涂层组织和性能的影响，并优化了喷涂工艺参数；分析了基材表面粗化处理、涂层厚度及喷涂后热处理对涂层组织性能的影响，结果表明：制备碳氮合金化涂层的最优电弧喷涂工艺参数是：喷涂电压为30V，喷涂电流为240A，雾化空气压力为0.5MPa，喷涂距离为200mm；采用Ni95Al5喷涂丝材制备碳氮合金化涂层的打底层（即过渡涂层），其最佳厚度值约为0.1mm，而工作涂层的最佳厚度值约为0.6mm；550℃～650℃的回火热处理细化了涂层的基体组织，提高了涂层的综合性能。
　　深入分析了碳氮合金化耐磨合金涂层的组织结构与性能，结果表明：碳氮合金化涂层组织为板条马氏体、少量残余奥氏体以及弥散分布在涂层基体中的碳化物硬质相颗粒。涂层致密，成形良好，呈典型层状结构。钒和铌元素能改善碳氮合金化涂层的组织和性能，当添加4%的钒铁和6%的铌铁时，涂层获得最佳综合性能，此时涂层的氧化物含量和孔隙率较低。与4Cr13涂层相比，碳氮合金化涂层具有更高的显微硬度和结合强度，其显微硬度平均值约为556HV0.1，结合强度达38.9MPa，耐磨粒磨损性能约为4Cr13涂层的1.78倍。涂层经550℃回火热处理后，其微观组织形貌无明显变化，而涂层硬度、耐磨粒磨损性能以及结合强度有一定提高。
　　全面探析了耐磨合金中碳氮化物硬质相及耐磨粒磨损机理，结果表明：碳氮析出相为MX复合物（M为Nb、V和Ti；X为C、N），弥散分布在涂层金属中的晶界和晶内，尺寸均不大于3.5μm。碳氮化物在涂层中起到了细化一次结晶组织、钉扎位错阻碍晶粒长大的细化作用；碳氮化物分布均匀而且在高温下不易产生分解，对涂层金属起到了沉淀强化作用，上述作用显著提高了涂层的强度和韧性。大量的碳氮化物质点沉淀析出，提高了涂层硬度，抵御了磨粒对涂层金属基体的有效切削，从而使涂层获得较高的耐磨粒磨损性能。
　　研究了碳氮合金耐磨合金涂层残余应力的形成机理及影响因素，用射线衍射法检测了涂层的残余应力，并与采用有限元方法模拟的结果进行比较，结果表明：碳氮合金化涂层与基材结合面处的残余应力值最大且为压应力。用数值分析方法成功模拟了涂层应力分布和形成情况，其分析结果与XRD检测的涂层残余应力为同一量级。数值模拟为预防和控制涂层残余应力提供了可靠依据，并由此将涂层残余应力控制在较低水平。
　　在搅拌车的搅拌筒叶片及泵轴等零件表面制备碳氮合金化耐磨合金并进行了生产应用研究，采用外观分析法和划痕试验法检测了涂层性能，结果表明：碳氮合金化涂层有较高的结合强度、耐磨损性能以及良好的加工性能，适合有耐磨损要求零件的生产与修复，因而碳氮合金化涂层具有较高的推广和应用价值。

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1 概论

1.1 课题的背景和意义

1.2 电弧喷涂及其耐磨涂层技术的研究现状

1.3 电弧喷涂药芯丝材的研究现状

1.4 碳氮合金化的研究现状

1.5 研究目的和主要研究内容

2 碳氮合金化耐磨合金设计及药芯丝材研制

2.1 前 言

2.2 碳氮合金化耐磨合金设计

2.3 碳氮合金化耐磨合金药芯丝材的研制

2.4 碳氮合金化耐磨合金的组织结构

2.5 本章小结

3 雾化熔滴过渡行为研究

3.1 前 言

3.2 熔滴过渡行为的研究现状

3.3 高速摄影系统的组成及其工作原理

3.4 电弧喷涂的雾化熔滴过渡行为

3.5 电弧喷涂雾化熔滴的速度

3.6 本章小结

4 碳氮合金化耐磨合金电弧喷涂工艺优化

4.1 前 言

4.2 试样的制备

4.3 电弧喷涂主要工艺参数的优化

4.4表面状态对涂层组织的影响

4.5 涂层厚度对涂层性能的影响

4.6热处理对碳氮合金化涂层性能的影响

4.7 本章小结

5 钒和铌对碳氮合金化耐磨合金组织结构与力学性能的影响

5.1 前 言

5.2 实验方案

5.3 碳氮合金化涂层组织结构

5.4 碳氮合金化涂层力学性能

5.5 热处理对碳氮合金化涂层组织和性能的影响

5.6 本章小结

6 合金化涂层的碳氮化物热力学分析及其耐磨损机理研究

6.1 前 言

6.2 碳氮化物分析

6.3 微合金元素对碳氮合金化耐磨涂层的强化作用

6.4 碳氮合金化涂层耐磨损机理

6.5 本章小结

7 碳氮合金化涂层残余应力检测与数值分析

7.1 前 言

7.2 涂层残余应力及其形成机理

7.3 涂层残余应力的检测

7.4 碳氮合金化涂层残余应力的数值模拟

7.5 涂层残余应力的控制

7.6 本章小结

8 碳氮合金化耐磨合金的生产应用研究

8.1 前 言

8.2 搅拌筒叶片耐磨涂层的制备

8.3 搅拌车落料槽耐磨涂层的制备

8.4 泵轴耐磨涂层的制备

8.5 本章小结

9 总结与展望

9.1 总 结

9.2 展 望

致谢

参考文献

附录一 攻读博士学位期间发表的学术论文