基于等离子堆焊的SiC改性金属基复合焊层的研究

摘要

模具寿命一直是锻压行业的热点问题，热锻模的耐高温磨损性能一直是影响其使用寿命的关键所在。颗粒增强金属基复合材料(PRMMCs)因颗粒增强，金属增韧是理想的耐磨材料，在热锻模强化领域表现出极大的潜力。采用表面工程技术对模具进行修复和强化一直是锻压行业研究的焦点。当前，采用高能束激光或等离子制备PRMMCs存在许多技术难点，如颗粒在高能热源中的氧化分解、颗粒与金属基相之间的湿润性差及难以实现颗粒在基相中弥散分布等问题。SiC作为一种理想的陶瓷增强相，具有优异的机械与化学性能。因此，开展基于等离子堆焊的 SiC改性金属基复合焊层(MMCCs)的研究具有重要的实际应用价值和理论探索意义。
　　本文以镍基、钴基高温合金为研究对象，通过借鉴激光熔注技术的成熟方法，将等离子堆焊(PTA)与等离子熔注(PMI)相结合,采用化学镀镍技术对难熔易烧损SiC粉末进行包覆处理，并以包覆粉作为堆焊的弥散强化相，获得了SiC改性金属基复合焊层。通过研究SiC粉体化学镀镍工艺，探寻适合粉体镀镍的优化配方及工艺参数，并结合粉体化学镀镍机理，将包覆技术向其它粉体拓展。通过研究SiC改性MMCCs的微观组织、探寻SiC对熔池的作用机理，并揭示化学镀镍在PTA+PMI技术中的作用。此外，系统研究SiC改性MMCCs的机械、抗氧化及磨损性能，并深入分析磨损机制及焊层强化机理。在实验室条件下对制备出的焊层进行基于热锻服役条件下的磨损性能评价，研究了复合焊层的高温磨损性能。此外，对复合焊层的热疲劳性能也进行了研究。论文主要的研究内容和结果如下：
　　本研究通过正交设计的方法，优选出了适用于粉体化学镀镍的高效配方，其镀覆速率达到11.28％，且稳定性好，在不补加主盐和还原剂的情况下，单缸重复施镀能力达到4-5次。所获得的镀层致密、均匀，经重复施镀1次，镀厚可达6.5μm。通过对粉体的化学镀镍机制研究表明，镀镍层最开始的形核是依靠SiC表面的Pd活化点进行，随后，通过“自催化形核”和“电化学形核”的方式实现镀层致密并增厚。将上述配方体系拓展至WC、Mo粉，均能实现镍包覆处理。
　　通过对不同送粉方式下的 SiC改性 MMCCs的微观组织研究表明，在PTA+PMI技术中，采用镍包覆SiC粉末(Ni/SiC)，既可以保证SiC在等离子焰中不被烧损和氧化，又可以提高熔池与SiC的润湿性，促进了SiC对熔池的改性。注射进Ni基熔池的Ni/SiC，与熔池金属中的Ni、Cr、Fe元素，发生了界面反应，形成了大量原位M7C3（M=Cr, Fe）型碳化物与共晶硅化物(Ni3Si)。Ni/SiC粉体在熔池中的动态运动效果，使得原位生成的碳化物在熔池中大量存在，并继续发挥形核的“核心”，使得焊层中形成大量的、均匀的碳化物组织，形成动态原位反应增强机制。受熔池阻力与浮力影响，焊层越深的地方，注入的SiC数量越少，造成沿焊层深度方向，生成的M7C3的粒径依次减小，焊层结构呈梯度分布。
　　经SiC改性的Ni基复合焊层，其显微硬度提高了约380 HV0.5,刚度、耐磨性均得到有效提高。常温磨损下主要发生的是微磨粒磨损机制，抗黏着磨损能力得到了加强。高温磨损条件下，主要发生的是磨粒磨损机制和中等程度的黏着磨损机制，Ni3Si是造成磨损的薄弱组织。此外，因焊层中SiC分解引入了大量的Si元素，导致复合焊层的高温抗氧化性能得到了改善。热震实验结果表明，SiC改性 Ni基复合焊层，抗热裂性能发生了下降。焊层中的 M7C3化合物脆性开裂是造成热裂的主要原因之一。
　　利用SiC改性Ni基复合焊层的机理，对Co基Stellite6合金进行改性，SiC发挥了同样的动态原位反应增强机制。焊层中生成了M7C3(M=Cr, Fe)碳化物共晶硅化物(Co2Si, WSi2)。焊层的硬度、弹性模量、抗氧化性、耐高温磨损能力均有效得到提高，然而耐热疲劳性能因改性后的复合焊层具有组织脆性而发生了下降。
　　基于热锻服役条件下的上述两种改性焊层的耐高温磨损实验表明，经SiC改性Ni、Co基处理后的4Cr5MoSiV1钢表面抗黏着磨损、抗磨粒磨损和减摩性能获得了增强，可用于热锻服役条件下模具表面容易发生塑性变形、氧化与磨损，而对热疲劳性能要求不太苛刻的区域，有望提高模具寿命。

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第1章 绪论

1.1.课题研究背景及意义

1.2.热锻模失效分析

1.3.提高热锻模寿命的策略

1.4. SiC增强金属基复合材料的研究进展

1.5.等离子、激光制备MMCs技术研究进展

1.6.研究目标及内容

第2章 研究方法及实验设备

2.1.引言

2.2.实验材料介绍

2.3.化学镀制备镍包SiC的设备及工艺流程

2.4. SiC改性MMCCs复合焊层的制备方法与设备

2.5.材料的微观结构表征设备与方法

2.6.材料的性能表征设备与方法

第3章 镍包SiC复合粉体的制备技术研究

3.1.引言

3.2.正交实验设计方法

3.3.实验结果与讨论

3.4.陶瓷粉体化学镀镍机理探讨

3.5.本章小结

第4章 SiC改性镍基复合焊层的制备技术及改性机理研究

4.1.引言

4.2.焊枪结构设计

4.3. PTA+PMI工艺参数设计

4.4. PTA与PTA+PMI焊层的微观组织分析

4.5. SiC对镍基焊层微观组织的作用机理

4.6.本章小结

第5章 SiC改性Ni基复合焊层的性能

5.1.引言

5.2. SiC改性Ni基复合焊层的机械性能

5.3. SiC改性镍基焊层的磨损性能分析

5.4.基于热锻模服役环境下的SiC改性镍基复合焊层性能

5.5.本章小结

第6章 SiC改性钴基焊层的微观组织与性能

6.1. SiC改性钴基焊层的微观组织分析

6.2. SiC改性钴基焊层的性能分析

6.3.本章小结

第7章 结论及展望

7.1.结论

7.2.展望

参考文献

与博士学位相关的学术成果

致谢