强流脉冲荷电粒子束辐照WC-Ni硬质合金表面改性研究

摘要

以Ni代Co粘结相可提高WC基硬质合金的耐高温、耐腐蚀、防辐射等性能，但力学性能和耐磨性能有所降低，为进一步提高WC-Ni系硬质合金的耐磨性，延长硬质合金零部件在极端服役条件下的使役寿命，分别利用TEMP-6型强流脉冲离子束(HIPIB)装置和紧凑型强流脉冲电子束(HIPEB)装置上，开展了二类强流脉冲荷电粒子束辐照WC-13Ni硬质合金改性实验研究，揭示了辐照硬质合金表面形貌、表面粗糙度、相结构、表面硬度，以及摩擦学性能的变化规律，获得了具有减摩耐磨性能的改性表面，阐明了强流脉冲荷电粒子束辐照Ni粘结WC基硬质合金表面改性机制。
　　采用能量密度1～6 J/cm2，脉冲宽度70 ns，辐照次数1～10次的HIPIB辐照WC-13Ni硬质合金，硬质合金表面发生熔融和Ni粘结相的选择性烧蚀，形成具有微区光滑致密化的“峰-谷”起伏特征的烧蚀重熔表面形貌，硬质合金表面粗糙化，表面粗糙度Ra随着能量密度和辐照次数显著增加，6 J/cm2、10次辐照可使硬质合金Ra由原始的0.13μm增加至1.62μm。辐照硬质合金表层发生六方相α-WC向立方相β-WC1-x转变，且转变量随能量密度和辐照次数增加。HIPIB辐照使WC-13Ni硬质合金表面发生硬化。单次或多次辐照硬质合金表面显微硬度均随能量密度的增加呈“先增加-后减小-再增加”的变化趋势，6 J/cm2、10次辐照表面显微硬度由原始的11.84 GPa提高至16.60 GPa。HIPIB辐照硬质合金表层具有“长程硬化”效应，硬化层深度随能量密度和辐照次数增加，6J/cm2、10次辐照硬化层深度可达160μm。环-块式摩擦磨损实验表明，HIPIB辐照显著降低了硬质合金的表面摩擦系数和磨损率，6 J/cm2、10次辐照硬质合金具有最佳的减摩耐磨性能，摩擦系数从原始的0.80减小到0.48，磨损率从原始1.2×10-6 mm3/Nm减小到3.6×10-7 mm3/Nm，较原始硬质合金降低约70％。
　　采用能量密度3～34 J/cm2，脉冲宽度180 ns，辐照次数1～10次的HIPEB辐照WC-13Ni硬质合金，硬质合金表面发生熔化、烧蚀与喷发，快速冷凝后形成具有“火山坑”以及烧蚀孔等典型特征的起伏状重熔喷发表面形貌，硬质合金表面粗糙化。Ra的变化规律与HIPIB辐照相似，较高能量密度、多次辐照的Ra增大，34 J/cm2、10次辐照可使Ra由原始的0.21μm显著增加到1.26μm。辐照硬质合金表层发生六方相α-WC向立方相β-WC1-x和六方相α-W2C转变，且转变量随能量密度和辐照次数增加;在高能量密度条件下，辐照表面有石墨C形成。HIPEB辐照使WC-13Ni硬质合金表面产生不同程度的硬化与软化。3 J/cm2、1次辐照表面显微硬度达到最大值，约13.70 GPa，34 J/cm2、5次辐照表面显微硬度降低至最小值，约10.49 GPa。HIPEB辐照表面硬化和软化的硬质合金试样均具有“长程硬化”效应，硬化层深度随能量密度和辐照次数增加，34 J/cm2、10次辐照硬化层深度可达380μm。环-块式摩擦磨损实验表明，HIPEB辐照显著降低了硬质合金的表面摩擦系数和磨损率，34 J/cm2、10次辐照硬质合金具有最佳的减摩耐磨性能，摩擦系数从原始的0.80减小到0.54，磨损率从原始1.2×10-6 mm3/Nm减小到3.8×10-7 mm3/Nm，较原始硬质合金降低约68％。
　　HIPIB辐照的最大能量沉积在表层数百nm范围内，使硬质合金表面发生强烈的熔融与选择性烧蚀，形成“峰-谷型”起伏形貌;而HIPEB辐照的最大能量沉积于亚表层，约数μm处，造成亚表层优先熔化以及亚表层熔体的喷发，易形成火山坑形貌。二类强流脉冲荷电粒子束辐照的极速加热和冷却过程，可导致WC相中碳的反应烧损和急冷淬火，有助于β-WC1-x亚稳相形成;HIPEB脉冲作用时间较长且能量作用深度更大，相对缓慢的加热冷却过程和更长的高温反应导致较多的碳损失和部分β-WC1-x相分解促使α-W2C亚稳相和石墨C相的形成。辐照硬质合金的表面硬化归因于表面重熔致密化和Ni粘结相含量减少，而HIPEB辐照硬质合金表面α-W2C亚稳相形成对表面硬化也有贡献;β-WC1-x亚稳相的形成对HIPIB辐照硬质合金表面硬化有降低作用，而β-WC1-x亚稳相和表面烧蚀孔隙或裂纹缺陷的形成是HIPEB辐照硬质合金表面软化的原因。辐照应力波的冲击强化作用导致WC-Ni硬质合金表层位错、空位等晶体缺陷形成是硬质合金表层“长程硬化”的原因，硬化效果取决于应力波的宽度和强度，HIPEB辐照应力波宽度较大，硬化层较深，而HIPIB辐照可以在较低能量密度获得更为显著的硬化效果。原始WC-Ni硬质合金的磨损以Ni粘结相的塑性变形和WC晶粒脱落为主要特征的磨粒磨损，耐磨性依赖于硬质合金的硬度。二类强流脉冲荷电粒子束辐照硬质合金磨损机制相似，耐磨性提高不仅仅与表面硬度相关，也与辐照改性的组织特性相关。辐照引入表面熔化导致原始硬质合金中WC晶粒与Ni粘结相之间微孔缺陷愈合，在滑动摩擦磨损的初始阶段硬质合金表面熔层组织被逐渐磨削，局部区域发生片状粘着，磨损机制主要为微观切削和粘着磨损。稳定磨损阶段的磨损机制与原始硬质合金相似，但辐照冲击波在较长范围的深度硬化效应使硬质合金中WC晶粒与Ni粘结相之间的结合力增强，以及Ni粘结相自身强化有效抑制了滑动摩擦磨损过程中Ni粘结相的微观磨损和随后WC晶粒的脱落。

目录

声明

摘要

TABLE OF CONTENTS

图表目录

主要符号表

第一章 绪论

1．1 硬质合金及其表面改性

1．1．1 表面涂层

1．1．2 离子注入

1．1．3 载能束辐照

1．2 强流脉冲荷电粒子束技术

1．2．1 强流脉冲荷电粒子束技术原理

1．2．2 强流脉冲荷电粒子束与材料表面相互作用

1．2．3 强流脉冲荷电粒子束辐照材料表面强化

1．3 本论文研究目的与内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．2 强流脉冲荷电粒子束辐照工艺

2．2．1 强流脉冲离子束辐照

2．2．2 强流脉冲电子束辐照

2．3 分析与测试方法

2．3．1 表面特性分析

2．3．2 摩擦学性能测试

第三章 强流脉冲离子束辐照WC-Ni硬质合金表面特性

3．1 形貌特征

3．2 表面成分

3．3 相结构

3．4 表层硬度

3．5 摩擦学性能

3．5．1 摩擦系数

3．5．2 磨损率

3．5．3 磨损表面形貌

3．6 讨论

3．7 本章小结

第四章 强流脉冲电子束辐照WC-Ni硬质合金表面特性

4．1 形貌特征

4．2 表面成分

4．3 相结构

4．4 表层硬度

4．5 摩擦学性能

4．5．1 摩擦系数

4．5．2 磨损率

4．5．3 磨损表面形貌

4．6 讨论

4．7 本章小结

第五章 强流脉冲荷电粒子束辐照WC-Ni硬质合金表面改性机制

5．1 表面烧蚀作用

5．2 表层相变机制

5．3 表层硬度变化行为

5．4 辐照硬质合金的减摩耐磨机制

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介