超声冲击对激光熔覆-低温离子渗硫复合改性层的影响研究

摘要

海水液压泵是液压传动系统中的核心动力元件，其工作介质为汽化压力高、粘性低的海水，腐蚀及磨损情况严重，通过激光熔覆镍基金属陶瓷与低温离子渗硫相结合的方法来制备复合固体自润滑涂层可以有效的解决上述问题。但由于镍基金属陶瓷成分复杂，且Fe的含量有限，渗硫时间与保温温度明显高于在钢铁表面进行低温离子渗硫，且获得的渗硫层均匀性较差，厚度较薄，不利于其自润滑性能的充分发挥。本文采用超声冲击表面处理技术对镍基金属陶瓷涂层进行预处理，再进行离子渗硫，以获得更厚、更均匀、自润滑性能更加优异的渗硫层。 通过超声冲击处理可以在镍基熔覆层表面形成一层大约300-400μm的塑性变形区，其中熔覆层的塑性变形导致位错在塑性变形区内堆积与缠结形成位错墙，进而形成新的晶界将粗大树枝晶分割成细小的等轴晶；而在近表层区域由于受到强烈的冲击力，细小等轴晶会进一步形成垂直于冲击力方向的扁平棒状晶，最后断裂破碎形成纳米级小晶块，形成强塑性变形区，厚度约为5μm。超声冲击后，熔覆层表面粗糙度略有下降，硬度略有提高，摩擦学性能明显提升，耐蚀性能明显增强。 在280℃保温2.5h条件下，对超声冲击与未超声冲击试样分别进行低温离子渗硫，超声冲击试样表面可形成2.97μm厚的渗硫层，是未超声冲击试样的2.25倍。渗硫层表面主要的含硫物相为FeS和FeS2，超声冲击处理试样的渗硫层中FeS在硫化物中的比例由24.61%升高到30.49%，超声冲击有利于生成更多的FeS。渗硫后由于硫化物颗粒的富集导致试样表面粗糙度略有增加，尤其是超声冲击试样表面粗糙度增加更明显些。渗硫后试样在干摩擦条件下摩擦系数明显变小，其中超声冲击试样摩擦系数更稳定些，摩擦学性能更加优异，但在油润滑条件下超声冲击起到的作用并不明显。 渗硫初期硫化物优先富集在吸附能量较高的晶界或缺陷处，超声冲击增加了熔覆层表面晶界与缺陷数量，有利于提高渗硫层初期生长速度。随着渗硫过程的进行，渗硫层由晶界处优先向低熔点共晶区生长，然后再向树枝晶区域生长。当渗硫层覆盖满试样表面以后，会继续有硫化物在渗硫层表面凸起部分等吸附能较高区域优先富集生长，但此时生长速度已经非常缓慢。渗硫过程中保温前期是硫化物含量迅速增加的时期，保温后期活性铁减少，与硫的反应减弱，渗硫层中硫含量增加缓慢，此时由于不间断的通入H2S气体，渗硫炉内处于一种富硫的环境，倾向于形成FeS2，不利于渗硫层发挥其减磨润滑的作用。普通试样的保温时间宜控制在2h左右，超声冲击试样宜控制在1h左右，超声冲击可明显缩短保温时间，提高渗硫效率。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的来源及意义

1.2 激光熔覆技术

1.2.1 激光熔覆技术特点及现状

1.2.2 激光熔覆金属陶瓷

1.3 固体自润滑及低温离子渗硫技术

1.3.1 固体自润滑技术

1.3.2 低温离子渗硫技术

1.4 超声冲击表面处理技术

1.4.1 超声冲击表面处理技术的原理及特点

1.4.2 超声冲击表面处理技术的发展及应用

1.5 课题的研究目的和研究内容

1.5.1 研究目标

1.5.2 研究内容

第二章 实验材料、方法及设备

2.1 实验材料

2.2 试样制备方法与设备

2.2.1 激光熔覆实验

2.2.2 超声冲击实验

2.2.3 低温离子渗硫实验

2.3 组织性能分析方法与设备

2.3.1 微观组织成分分析

2.3.2 性能测试

第三章 超声冲击对镍基熔覆层组织性能的影响

3.1 表面形貌及物相分析

3.1.1 表面宏观形貌分析

3.1.2 表面微观形貌分析

3.1.3 XRD分析

3.2 性能分析

3.2.1 表面粗糙度分析

3.2.2 硬度分析

3.2.3 摩擦学性能分析

3.2.4 耐蚀性分析

3.3 超声冲击作用机理分析

3.3.1 熔覆层截面形貌分析

3.3.2 EBSD分析

3.4 本章小结

第四章 超声冲击熔覆层对渗硫层组织性能的影响

4.1 表面形貌及成分分析

4.1.1 表面宏观形貌分析

4.1.2 表面微观形貌及成分分析

4.2 物相分析

4.2.1 XRD分析

4.2.2 XPS分析

4.3 性能分析

4.3.1 表面粗糙度分析

4.3.2 摩擦学性能分析

4.4 本章小结

第五章 超声冲击处理熔覆层对渗硫层生长过程的影响

5.1 熔覆层成分分析

5.2 渗硫层生长过程分析

5.2.1 硫化物初始生长位置分析

5.2.2 渗硫层生长过程分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢