强流脉冲离子束升温辐照WC-Ni硬质合金涂层的表面强化机制研究

摘要

本文采用超音速火焰喷涂技术在17-4PH不锈钢基体上制备涂层厚度为200μm的WC-12Ni硬质合金涂层。然后用TEMP-6型强流脉冲离子束装置对WC-12Ni硬质合金涂层进行辐照实验。辐照次数为1、5、10次，辐照时的初始温度分别为室温25℃、200℃、400℃，其中200℃和400℃的初始温度通过加热炉控制升温台来加热试样表面得到。完成实验后，分析检测了辐照前后WC-12Ni硬质合金涂层的表面形貌及粗糙度、横截面形貌、表层相结构、表面显微硬度、显微硬度-深度分布和孔隙率，并研究了试样在辐照后随辐照次数的变化规律。目的是从中探究强流脉冲离子束在升温条件下辐照WC-Ni硬质合金涂层的表面强化机制。 用以石墨为阳极的自磁绝缘离子二极管产生能量密度为7J/cm2、脉冲宽度70ns的强流脉冲离子束在室温25℃条件下对涂层厚度200μm的WC-12Ni硬质合金涂层试样进行辐照，辐照次数为1、5、10次。经过1次辐照后，WC-12Ni硬质合金涂层的表面出现蚀坑和裂纹，粗糙度Ra值从原始的0.035μm增加到0.516μm,原始的表面硬度表面硬度为10.1GPa基本不变，少部分WC相发生脱碳现象转变为WC1-x相和W2C相，而Ni相则发生选择性烧蚀。随着辐照次数的增加，WC-12Ni硬质合金涂层的表面粗糙度和硬度不断增加，但是表面更加致密，蚀坑也在慢慢的减少。WC-12Ni硬质合金涂层表层的硬质相WC相不断转变为W2C相和WC1-x相，粘结相Ni发生选择性烧蚀而逐渐减少。当辐照次数达到10次时，WC-12Ni硬质合金涂层的表面生成了小范围内光滑致密的波浪状起伏的烧蚀重熔形貌，粗糙度Ra值增加到3.137μm,表面硬度增加到13.6GPa,涂层的显微硬度-深度分布由于辐照次数的增加而变得更加均匀，硬化层深度先增加后减小，硬度-深度分布在近表面和亚表面处呈现双峰结构。辐照次数增加到10次的过程中孔隙率从初始的1.050%先减小至0.652%后减小至0.597%再降低至0.218%。 在初始温度为200℃和400℃的条件下，分别对涂层厚度为200μm的WC-12Ni硬质合金涂层采用室温辐照时相同实验参数的强流脉冲离子束进行辐照实验，辐照次数为1、5、10次。表面形貌也出现了典型的由光滑疏松的原始形貌到出现烧蚀坑及裂纹再到形成起伏状的烧蚀重熔形貌这样一个变化过程，但是初始温度400℃下辐照10次后的试样涂层表面相对于室温下辐照10次后的试样涂层表面在微区内更加光滑致密。涂层表面粗糙化，200℃和400℃条件下表面粗糙度Ra值在辐照10次后分别达到2.760μm和3.806μm。涂层表层的相结构同样发生了随着辐照次数的增加WC相转变为W2C相和WC1-x相而减少，Ni相选择性烧蚀而减少，但是当辐照次数同为10次时，初始温度为400℃的条件下涂层表层中更多的WC相转变为W2C相和WC1-x相。试样涂层的表面显微硬度在初始温度为200℃和400℃的条件下辐照10次后分别增大到13.1GPa和14.9GPa。涂层的硬化层深度随着辐照次数的增加而逐渐增大，除了出现双峰结构外，亚表面处的第2个硬化峰随着辐照次数的增加而增大。初始温度为200℃下试样涂层的孔隙率先增大后减小，辐照10次后最终为0.0505%。初始温度为400℃下试样涂层的孔隙率先减小后增大再减小，辐照10次后最终为0.391%。

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