（机械制造及其自动化专业论文）等离子熔喷制备wc增强表层复合材料.pdf

中国农业大学硕上学位论文 摘要 表层复台材料技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，可以根据零部件 的不同需求，以较低的成本在材料表层制备出和基体为冶金结合、满足高耐磨性要求 的复合材料。 本文采用等离子熔一喷技术在q 2 3 5 钢表面成功制作了低成本的w c 一1 7 c o 增强的 表层复台材料。对熔喷过程进行了理论分析。采用s e m 、t e m 、x r d 及e d s 对表层 复合材料组织结构及成分进行了分析，采用摩擦磨损实验机测量了复合材料层及基体 的耐磨性能。结果表明：采用等离子熔一喷技术叮以在q 2 3 5 钢表面制备出成型良好、 无宏观缺陷的w c 一1 7 c o 增强的表层复合材料。等离子熔一喷技术制备陶瓷颗粒增强表 层复合材料的主要影响因素包括：陶瓷颗粒尺寸、陶瓷颗粒注射速度、熔化工艺参数 及冷却条什、陶瓷颗粒和液态金属的密度、陶瓷颗粒的润湿性等。等离子熔一喷w c - 1 7 c o 增强的表层复合材料组织结构复杂，由f e 3 w 3 c 、c 0 3 w 3 c 、w c 、y f e 、 c 0 3 0 4 、t - c o 、f e w 3 c 、f e 2 w 和w 2 c 等相组成。复合材料层中增强相分布比较均匀。 基体预热使熔池凝阃减缓，增大了w c 下沉倾向。表层复合材料的摩擦系数远低于基 体材料，耐磨性有明显提高。 关键词等离子熔喷；表层复合材料：显微组织；耐磨性 耋里垒些銮：筌兰堡篁兰 a b s t r a e t t e c h n o l o g i e sf o rp r o d u c i n gs u r f a c em e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sh a v et h ev i r t u a lo f c o a t i n g a n d c o m p o s i t e s ，a n d c a nb eu s e dt o p r o d u c ec o m p o s i t e s w i t h m e t a l l u r g i c a lb o n d i n gt ot h es u b s t r a t ea n dg o o dw e a r r e s i s t a n c ew i t hl o wc o s t ， a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so ft h ep a r t s p l a s m am e l ti n j e c t i o nw a su s e dt op r o d u c ew c 一1 7 c or e i n f o r c e ds u r f a c em e t a l m a t r i xc o m p o s i t eo nq 2 3 5s u b s t r a t ei n t h i st h e s i s t h ep l a s m am e l ti n j e c t i o n p r o c e s sw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h em i c r o s t r u c t u r ca n dc o m p o s i t i o nw e r e t e s t e dw i t hs e m ，t e m ，x r da n de d s w e a r r e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t ea n dt h e s u b s t r a t ew e r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，w i t hp l a s m am e l ti n j e c t i o n ，g o o d w c 一17 c or e i n f o r e e ds u r f a c em e t a lm a t r i xc o m p o s i t ec o u l db ep r o d u c e do nq 2 3 5 s u b s t r a t e t h em a i nf a c t o r sa f f e c t e dt h ep r o c e s si n c l u d e ds i z eo ft h ep a r t i c l e ， i n j e c t i o ns p e e d ，m e k i n ga n dc o o l i n gc o n d i t i o n s ，d e n s i t yo ft h ep a r t i c l ea n dt h e l i q u i dm e t a l ，a n dw e t t a b i l i t yo ft h ep a r t i c l e t h e r ew e r em a n yp h a s e si nt h e c o m p o s i t e ，l i k ef e 3 w 3 c ，c 0 3 w 3 c ，w c ，y f e ，c 0 3 0 4 ，7 - c o ，f e w 3 c ，f e 2 w ，w 2 c a n ds oo n t h er e i n f o r c e dp h a s e sw e r ed i s t r i b u t e du n i f o r m l y p r e - h e a t i n gs l o w e d d o w nt h ec o o l i n gr a t eo ft h em e l tp o o l ，a n di n c r e a s e dt h et e n d e n c yo ff a l l i n g d o w no fw c t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h es u r f a c em e t a lm a t r i xc o m p o s i t ew a s f a rl o w e rt h a nt h a to ft h es u b s t r a t e ，a n dt h ew e a r - r e s i s t a n c eo fi tw a si n c r e a s e d g r e a t l y k e y w o r d sp l a s m am e l ti n j e c t i o n ，s u r f a c em e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，m i c r o s t r u e t u r e ，w e a r - r e s i s t a n c e - i l 独刽性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生繇侈修 帆矿叫月参馅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 猫修沙 砀勿 l 时间：矽j7 年月二阳 时间：彬年，月多卯 主里垒些查兰2 圭耋堡丝兰 1 1 选题意义及课题来源 第1 章绪论 表层复合材料技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，可以根据零部件的不同需 求，以较低的成本在材料表层制备出满足高耐磨性要求的、以陶瓷颗粒为增强相的复合材料， 既能充分发挥出基体材料的强度、韧性优势，又能在表面获得极高的耐磨性，而且耐磨层和基 体为冶金结合，从而使材料整体性能获得夫幅度提升。 尽管采用激光熔覆利等离子熔覆技术已经成功制备出了耐磨性非常好的表层复合材料，但 激光熔覆和等离子熔覆存在着陶瓷增强相分布不易控制和裂纹问题。由丁陶瓷增强相和摹体的 比重差异，在熔覆过程中还会出现增强相上浮或f 沉的问题，尤其比重很大的w c 下沉问题相 当严重。另外，虽然熔覆的复合层和基体之间为冶金结合，但仍存在明显界面，复合层和基体 热膨胀系数存在较大差异，在热应力和j 二作虑力下，界面和复合层中极易产生裂纹。增强相的 偏聚进一步加剧了裂纹问题。裂纹问题已经成了激光熔覆和等离子熔覆制各表层复合材料的瓶 颈问题。 等离子熔一喷是一种新型的表层复合材料制各技术。在等离子熔一喷过程中，采用联合等离子 弧对基体进行表面熔化，用等离子喷涂枪从熔池后部将增强陶瓷颗粒喷涂进熔池中。和激光熔 覆技术相比，等离子设备造价比激光设备低廉，技术更容易实现工业化；采用等离子喷涂枪注 射陶瓷增强相，可以获得更高的粒子速度，从而可以采用其他陶瓷材料，如氧化物作增强相， 而不仅仅是和金属润湿性较好的碳化物。陶瓷增强颗粒的加入和基体的熔化过程完全分离，对 两个过程可以分别控制，从而可以很好地解决增强相的偏聚问题。另外，喷涂注射的陶瓷颗粒 处于熔融状态，陶瓷颗粒之间可以产生较好的结合，从而可以制备出增强相体积分数从0 到 1 0 0 连续变化的梯度复合材料。 采用等离子熔喷技术制各表层复合材料具有诸多技术和经济上的优势，是一种菲常有发展 前途的表层复合材料制备方法，对这一方法进行研究具有重人的理论意义和实用价值。 本课题来源丁国家8 6 3 计划项目“高耐磨耐蚀非晶纳米晶复合涂层材料及制各技术”( 编 号2 0 0 2 a a 3 3 1 0 8 0 ) 的子项目“高硬度涂层的熔一喷新技术及产品研究”。本项目所采用技术已申请 国家发明专利，专利申请号0 2 1 3 5 1 4 3 0 。 1 , 2 国内外研究现状 目前制各表层陶瓷颗粒增强复合材料的技术多种多样，主要采用外部加入陶瓷增强相的方 法制备。近年来又开发了原位n 生陶瓷增强相的表层复台材料制备技术。采用外加陶瓷增强相 制备的方法较多，按j ! c 采用的热源和陶瓷增强颗粒的添加方式加以分类，如表1 1 所示。 中国农业大学硕士学位论文 表卜1 外加陶瓷增强相表层复合材料制备方法 同步送粉 陶瓷颗粒送进预制涂层 部分或全部熔化不熔或微熔 激光激光熔覆激光熔覆激光表面熔化粒r 注射 等离子等离下熔覆 等离子粉末堆焊 等离于熔喷 火焰两步法喷焊一步法喷焊 热 聚焦光束聚焦光束堆焊 源 感麻炉感应熔敷 电弧 管状碳化钨堆焊 电炉压力铸造、真卒吸铸、铸渗、离心铸造 国内、国外采册铸造方法制造表面复合材料的基本方法为：一是通过离心和真空力使台金 粉颗粒分布于铸氆表面u , 2 l ，不需要粘结剂，所获得的铸渗层致密，气孔等缺陷较少，质量较稳 定。但强化表面的形状受到限制工艺复杂、设备昂贵。国外麻用此种方法的较多。_ 是将合 金粉颗粒制成涂料或膏块涂刷或贴古| r 铸型表面，方法简单，实用性强，比较适合建筑、农业 机械的易磨损件生产1 3 4 】。侗该j 艺在铸铁件上研究较少，大多集中在铸钢件上。对于第二种方 法，常遇到诸如冲刷、气孔、夹渣、渗透能力差、复合层厚度不均匀、粘砂和表面粗糙度大等问 题，特别是对增强颗粒与基体的界面结合问题以及在1 ：程上的应用，还缺乏系统研究，阻碍了 表面复合材料丁艺的推广和应用，其中复合层中存在气孔和夹渣是晟棘手的问题“。1 。为了解决 此问题，许多材料下作者从选择合适的浇注温度、熔剂的种类和数量、粘结剂的种类和数量等 方面为突破口进行了大量研究，对铸造工艺进行了优化。特别是选择n a f 等为熔剂，聚乙烯醇 胶体为粘结剂，在很大程度上减轻了铸造过程中存在的上述问题。获得r 均匀致密的碳化钨颗 粒与高铬白口铸铁复合、厚度为3 r a m 5 m m 的复合层，克服了直接铸造碳化钨表面复台层在磨 粒磨损形式下碳化钨颗粒易脱落的问题 5 , 6 1 ，而且复合层表面乎整、基本无气孔和夹渣、与基体 结合牢固。此t 艺止成功地应川到实际生产中，收到_ 良好效果。 铸造方法制各表层复合材料，只能应用于铸件。感应熔覆【7 j 、火焰喷焊、等离子粉末堆焊、 管状碳化钨堆焊等方法制备的金属陶瓷复合层，增强相比例较低，应用受到一定限制。陶瓷颗 粒增强表层复合材料制备目前采用最多的是激光和等离子熔敷技术。 国内外的研究丁作者采母激光熔覆技未制备t 各种陶瓷颗粒增强的的表层复合材料，包括 碳化物【s 1 、氧化物1 ”、氢化物。制备出的表层复台材料具有极高的耐磨性能。 曾晓雁、崔岜吲等人对激光熔覆w c 金属陶瓷表层复合材料进行了详尽的研究。结果表 明，铸造和烧结w c 作为增强姐耐磨性较好，远高r 单晶w c 。粗颗粒w c 作为增强相的复合 层耐磨性足氧原子焰堆焊层的3 2 倍，是氧乙炔焰堆焊层的1 7 倍。细颗粒w c 作为增强相的复 合层耐磨性和氧乙炔焰堆焊层相当，要使激光熔覆层的耐磨性显著大丁氧乙炔焰堆焊层，复合 层中w c 含昔必须大丁6 0 。 花固然等人【9 1 在4 5 4 钢表面采闱激光熔覆了纳米a 1 2 0 3 改性a 1 2 0 3 + 1 3 t i 0 2 等离子喷涂陶瓷 涂瑶。纳米a 1 2 0 3 颗粒仍然保持在纳米尺度，填充在涂层的大颗粒之间，使涂层致密化程度得以 2 中国农业大学硕士学位论文 提高，且其耐磨性能明星伍壬笠离子喷涂层。 吴玉萍 i l l _ h j 笋离子弧趋赫涂i 墓商f e c r s i b + t i c 的q 2 3 s 钢板，获得了以t i c 为增强相的表 层复合材料。 尽管采用激光熔覆和等离子熔覆技术已经成功制备出了耐磨性非常好的表层复合材料，但 激光熔覆熔覆和等离子熔覆存在着陶瓷增强相分布不易控制和裂纹问题。由于陶瓷增强相和基 体的比重差异，在熔覆过程中还会出现增强相上浮或下沉的问题，尤其比重很大的w c 下沉问 题相当严重。另外，虽然熔覆的复合层和基体之间为冶金结合，但仍存在明显界面，复合层和 基体热膨胀系数存在较大差异，在热应力和工作应力下，界面和复合层中极易产生裂纹。增强 相的偏聚进一步加剧了裂纹问题。裂纹问题已经成了激光熔覆和等离子熔覆制备表层复合材料 的瓶颈问题。 、 解决这一问题可以从熔覆材料、熔覆工艺、增加过渡层等很多方面入手，但最能根本解决 ，7 问题的思路是制备表层梯磨复合材抖【1 。“】。 王存山等人【12 】用多层激光熔覆法制备了w c p n i 梯度复合涂层。熔覆j = 艺是先在基材上预 置一层纯镍涂层，再一层一层地熔覆不同体积分数的粉末混合体从而形成梯度复合材料。 m r i a b k i n a - f i s h m a n 等人【”噪用多层激光熔覆法在m 2 高速钢基体上制备了w c 梯度复合 材料，耐磨性比基体提高5 倍以e 。 吴玉萍等人【1 4 1 采用等离子熔覆预涂敷在碳钢表面的多层n i 6 0 + t i c 涂层，获得了梯度表层复 - _ 一一一 合材料。 采用逐层增加增强相含量的多层熔覆方法制备梯度复合涂层，有效地减缓了界面应力，但 各层之间仍存在明显界面，整个熔覆层硬度呈阶梯分布【i ”而且由于多次蘑熔的影响，在各层 界面处出现了硬度低谷”“。 裴宇韬i ”l 、x i a o l e iw u ”1 利用低密度增强相由于和基体之间存在密度差而上浮的现象，采用 原位自生陶瓷捐舫法，制备了增强相体积分数连续变化的表层复合材料。但这一方法仅能应 用于增强相密度低于基体的情况。 为降低增强相的溶解程度，减小有害界面反应，j a v e r l i n g t ”1 8 1 等人采用了激光表面熔化- 粒子注射技术( l a s e rm e l ti n j e c t i o n ，l m i ) 制备表层复合材料。l m i 技术是新兴的表面强化技术， 是指激光束在基体表面产生熔池。，同时将熔注粉末注入到熔池中，激光束离开后，熔池迅速冷 却凝固将注入粉末“抓住”形成熔注层的过程7 。激光熔弦与激熵覆、合金化、堆焊等技术 本质区别在于，激光熔注过程中，外加粉末直接注入到熔池，而不进入热源，最人的优点是可 以降低碳化物的分解。d eh o s s o n 对激光熔注技术的发展作出了很大贡献，2 0 0 0 年以前，d e h o s s o n 大多采用激光熔覆( l a s e rc l a d d i n g ) 和激光镶嵌( l a s e re m b e d d i n g ) 来制备金属陶瓷 层，d eh o s s o n l ”1 在1 9 9 8 年对t i 一6 a i - 4 v 表面激光镶嵌s i c 反虑层电f 微观行为的研究中发 现，为了得到具有优良机械性能的金属陶瓷层，必须把金属陶瓷与基体反应层的厚度控制在儿 微米之内，但是激光熔覆和激光磋嵌反应层较大，这是由于实验过程中，碳化物进入激光束 后被加热到较高温度人量分解，分解后的碳化物与基体进行充分反应生成较厚的反应层，为了 减小反应层的厚度，d eh o s s o n 改变了粉末注入位置，由原来的注入到激光束中心改为注入剑激 光束后部，取得了较盘| 的效果，送粉示意图见图i - i 。 中国农业大学硕十学位论文 图1 1 激光处理过程中粉末注入位置示意图”l d eh o s s o n 进一步调整丁艺，t - 2 0 0 0 年采用激光熔注技术在铝合金表面成功制作了s i c 层，于2 0 0 2 年采用激光熔注技术成功的在t i 6 a i 4 v 表面制作s i c p 2 0 1 和w c p i t 8 功能梯度涂 层，避免了碳化物的烧损，取得了良好的效果，实验示意图见图1 2 。 图1 2 激光熔注过程粒子注入示意图4 郭面焕等人结合熔覆和等离子喷涂制各陶瓷涂层的优点，提出了等离子熔- 喷技术“。熔 喷技术的工作原理是，采用联合等离子弧对基体待强化部位进行表面熔化并形成熔池，用等离 子喷涂枪从熔池后部将增强陶瓷颗粒喷涂进熔池中。作者采用等离子熔一喷技术，用z r 0 2 、w c 及两种陶瓷材料的混合粉末制备了和基体成冶金结合的复合涂层。 热喷涂技术是表面j 二程中重要的表面技术，是表面j 二程发展的重要基础。热喷涂技术是通 过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加 速形成高速熔滴，喷向基体形成涂层。热喷涂是最常用的制作w c c o 金属陶瓷层技术。氧乙炔 火焰喷涂最早用来制作w c c o 金属陶瓷层，但是由于其能量密度低，粒子飞行速度慢，涂层气 孔裂纹等缺陷多，涂层与基体结合强度低，使其发展受到限制。由于等离f 高温阿的温度可以 达到1 0 0 0 0 k 以上，能熔化所有的固体物质，所以等离子喷涂技术起初被认为是理想的制作 w c c o 金属陶瓷层技术 2 2 - 2 5 l 。采用合理的t 艺参数喷涂w c c o 能获得均匀、致密并以w c 为 主的涂层，涂层与基体结合强度高口“，但不管是包覆型粉末还是烧结型粉末，喷涂后都有不同 程度的脱碳，w c 的脱碳量随着电流增大而增加【2 7 j ，hl d ev l l i e r sl o v e l o e k l 2 8 1 总结了粉末、喷涂 中国农业大学硕上学位论文 丁艺和涂层组织之间的关系，表明用等离子喷涂金属碳化钨粉末容易造成w c 分解为w 2 c 或者 w ，降低了涂层的硬度，并且气孔率较高，涂层容易剥落口w 。1 9 8 2 年，“j e t k o t e ”真正商业化 后，超音速火焰喷涂w c c o 金属陶瓷迅速发展起来。由于超音速火焰速度高，可以达到 1 5 0 0 m s 以上，将粉末轴向送进该火焰，将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态并加速到高达 3 0 0 5 0 0 r i d s ，从而获得结合强度高、致密的高质量涂层。与等离子弧相比，超音速火焰由丁温度 低，约为3 0 0 0 。c ，对于w c c o 系硬质合金，可以有效地抑制w c 在喷涂过程中的分解，涂层 结合强度可达到1 5 0 m p a 3 0 1 ，但涂层与基体仍是机械结合，不适合重载工作条件。 堆焊是指将具有定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面以 赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的t 艺方法。堆焊技术在我国起源于2 0 世纪 5 0 年代末，发展初期主要用于修复领域，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性 相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，9 0 年代受先进制造技术理念的影响， 堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术( n e a rn e ts h a p e ) 引起了制造业 的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志【3 ”。在堆焊材料方面，由起先的自熔 合金( 钻基合金、镍基合金和铁基合金粉末) 到现在的金属陶瓷，采用堆焊技术制作w c - c o 金 属陶瓷层的最大优点就是堆焊层与基体冶金结合，但开裂问题一直是金属陶瓷堆焊的难题”“。 、一。1 t 毕男一。 1 3 本文主要研究内容 1 。等离子熔喷过程的理论分析； 2 等离子熔一喷w c 增强表层复合材料的制备 3 w c 增强表层复合材料组织分析； 4 w c 增强表层复合材料耐磨性分析。 ! 里垒些查兰堡圭兰堡篁兰 2 1 实验设备 第2 章实验设备材料及研究方法 本文进行的是等离子熔喷制各表层复台材料的探索性试验，采用的是组合式设备。试件基 体熔化采用的是改装后的俄罗斯产h n a 3 m o h p o t e g 型等离子设备，陶瓷增强颗粒喷涂采用的是 瑞十p t 公司生产的r 7 5 0 c 等离子喷涂设备。系统如图2 - 1 所示。 2 2 实验材料 围2 1 等离于熔一喷系统 本文采用q 2 3 5 钢为基体材料，试样尺寸5 x 4 0 x 2 0 0 m m ，试样实验前经过2 0 0 * ( 3 烘干、去 油污和喷砂处理。陶瓷增强颗粒为瑞i f ：s u l z e rp l a s m at e c h n i k 公司生产的w c 一1 7 c o 金属陶瓷喷 涂粉末，粉末粒度为4 0 岫。粉末的形貌结构见图2 2 ，从图中可以看出w c 粘成球状，其间分 布着粘结相c o 。对粉末进行了x 射线衍射分析，结果如图2 - 3 所示，粉末由w c 和y c o 两相 组成。这足由丁- 在烧结时，随着温度的上升，w c 在c o 中的溶解度不断增加，w c 溶解到钻中 形成t 固熔体，在随后的冷却过程中，先析出过共晶相w c ，当液相成分到达共晶成分时( 1 3 4 0 ) 发生共晶转变，生成w c + y c o 共晶。由于该粉末成分远离共晶成分，过共晶相数量很多， 造成共晶转变时发生离异共晶，共晶相中的w c 依附在先析出的w c 上长大，结果使w c 连接 在一起的现象。 2 1 实验设备 第2 章实验设备材料及研究方法 本文进行的是等离子熔一喷制备表崖复合材料的探索性试验，采用的是 h 合式吐各。试件基 体熔化采用的是改装后的俄罗斯产1 1 r l a 3 m 0 1 1 p o t e k 犁等离子设备，陶瓷增强颗粒喷涂采用的姓 瑞士f i 公司生产的r 7 5 0 c 等离子喷涂设备。系统如图2 - 1 所示。 2 2 实验材料 图2 _ 1 等离子熔一赜系统 本文采抖j0 2 3 5 钢为基体材料，试样尺寸5 x 4 0 x 2 0 0 r a m ，试样实验前经过2 0 0 0 c 烘干、去 油污币j 喷砂处理。陶瓷增强颗粒为瑞士s u l z e rp l a s m at e c h n i k 公司生产的w c 一1 7 c o 金属陶瓷喷 祢粉末粉末粒度为4 0 p - r n 。粉末的形貌结构见图2 - 2 ，从附中可以看出w c 粘成球状，其问分 布着粘结相c o 。对粉末进彳jrx 射线衍射分析，结果如图2 - 3 所示，粉末由w c 和y c o 两相 组成。这是由丁在烧结时，随着温度的上升，w c 在c o 中的溶解度不断增加，w c 溶解到铺中 形成t 固熔体，在随后的冷却过程中，先析出过共晶相w c ，当液相成分到达菇晶成分时【1 3 , 1 0 ) 发生共晶转变，生成w c + yc o 共晶。由于该粉末成分远离共晶成分，过共晶相数量很多， 造成弛晶转变时发牛离异共晶，共晶相中的w c 依附在先析出的w c 上长大，结果使w c 连接 在起的现象。 在一起的现象。 6 中国农业大学硕土学位论文 图2 - 2w c t 7 c o 粉末形貌 2 3 组织分析方法 x 射线衍射分析 图2 - 3w c 一17 c o 粉末x 射线衍射图谱 将表层复合材料试样沿垂直丁长度方向截成1 0 r a m 的小块，用d k 7 7 型电火花数控线切割 机床垂直于试样表面将基体切掉，试样表面全部是复合材料层，这样可以保证x 射线衍射结果 的准确性然后将切好的复合材料层表面在金相砂纸上磨平_ jd m a x ，r b1 2 k w 旋转阳极x 射 线衍射仪对复合材料层进行物相分析。 扫描电镜分析 将表层复合材料试样沿垂直于k 度方向截取成小块，用牙托粉进行镶嵌，将镶嵌好的试样 在金相砂纸上磨平。然后用0 1um 的金刚石抛光剂抛光，抛光后的试样用4 硝酸酒精、f e c l 3 溶液( f e c l 3 ：h c i ：h 2 0 = 5 ：1 5 ：8 5 ) 及c u s 0 4 溶液( c u s 0 4 ：h c hh 2 0 - - 4 ：2 0 ：2 0 ) 进行 舢 舢 姗 一 。 言nu手丽c磐c 中国农业大学硕十学位论文 腐蚀。用s - 5 7 0 0 、s 4 7 0 0 型扫描电镜( s e m ) 对复合材料层组织形貌进行观察，用t n 5 5 0 2x - r a y 能谱仪( e d s ) 对复合材料层进行成分分析。 透射电镜( t e m ) 分析 用d k 7 7 型电火花数控线切割机床沿着复合材料层表面，并与复合材料层表面早一定角度 截取厚度为o 3 m m 的薄片，这样做的目的是可以得剑复合材料层、熔合区以及热影响区等不同 部位，可以缩短制样时间。将截好的薄片用金相砂纸磨到7 01 1m 左右，然后用g a t a n 6 9 型等离 子减薄仪进j 7 潜薄，做成透射电镜试样。用p h i l i p sc m l 2 型透射电镜对复合材料层组织结构进 行分析，并进行选区电子衍射。 2 4 性能分析 采用h x 1 0 0 0 型显微硬度计对表层复合材料进行硬度测未载荷2 0 0 9 ，加载时间1 0 s ，每 个部位测量三次取平均值。 将表层复合材料试样沿垂直于长度方向截成8 8 5 试样，将截好试样的复合材料层表面 在金相砂纸上磨平后抛光，基体试样的处理方法与此相同。复合村料层和基体的表面磨损实验 在c j s i11 a 型摩擦磨损实验机上进行，该实验机的t = 作原理是被测试样水平固定在转速可调的 i 作台上，1 = 作时试样旋转，其上加一与传感器相连的崮定摩擦偶，该试验机通过传感器信号 变化来测晕被测试样的摩擦系数随时间变化关系。表面磨损实验的摩擦偶采用陶瓷球，转速为 3 0 0 r m i n ，载荷3 0 9 和5 0 9 ，测出复合材料层和基体摩擦系数随时间变化关系，并作出摩擦系数 随时间变化曲线。 8 中国农业大学硕士学位论文 第3 章等离子熔喷制备w c 增强表层复合材料的理论分析 在等离子熔一喷过程中，大量具有一定粒度分布的陶瓷颗粒在等离子焰流的加热卜 ，以一定 的速度分布被注入到熔池中。 假定陶瓷颗粒为球形，半径为r ，密度为p ，与水平方向呈0 角飞向熔池，到达熔池表面 时速度为v o 。陶瓷颗粒要进入熔池中，必须克服液态金属的表面张力。根据j a v e r l i n g 的模 p 型，其速度必须高于临界速度v 。， v c2 ( 盯v + 盯加仃p ，) ( 3 1 ) o j v ， 盯p v 分别为掖汽、顺吲、圃汽表面的表面张力。 进入熔池后陶瓷颗粒的初速度 v 1 2 v o v 。( 3 2 ) 进入熔池的陶瓷颗粒将以初速度v 1 = v 0 一在重力f 1 、浮力f 2 、粘滞阻力f 3 作用下减速运 动。以水平方向为x 方向，竖直向下方向为y 方向，则运动过程满足以下方程： 詈艘3 p 鲁哦 ， 昙积3 p 鲁= e + e 塌 ( 3 - 4 ) x = f 。v x d t ( 3 - 5 ) y = n a r t ( 3 _ 6 ) e ：昙斌，印( 3 - 7 ) e ：一昙积，g p l ( 3 - 8 ) e 。= 一6 a - rr v ， ( 3 9 ) e y = 一o r r r v y ( 3 - 1 0 ) 其中，x 为陶瓷颗粒在熔池中水平方向的位移，l ，为陶瓷颗粒在熔池中坚直方向的位移，t o 为陶 瓷颗粒被凝固金属捕获的时刻。h 拳陶瓷颗粒速度水平分量，w 为陶瓷颗粒速度垂直分量，几x 为粘性阻力水平分量，凡v 为粘性粤譬直分量，岛为液态金属密度，7 为液态金属粘度系数。 盟：一要v 。( 3 - 1 1 ) d t 2 r 2 p 。 一9 一 丢 中国农业大学硕士学位论文 生：一要v 。+ ( 1 - 旦) g d t 2 r 2 p 7 p 7 。 r 3 1 2 ) 通过求解方程( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 和( 3 5 ) ( 3 6 ) ，即可得到陶瓷颗粒在熔池中的注射深度和水平位 移。可以看出，陶瓷颗粒注入深度主要受以下因素影响：液态金属粘度刁，陶瓷颗粒半径r ， n 陶瓷颗粒密度p ，液态金属和陶瓷颗粒的密度比丝，凝固金属捕获陶瓷颗粒的时刻t o ，陶瓷颗 p 粒的注射速度v 0 ，液汽、液固、固汽表面张力盯 仃咖，仃，。液态金属粘度是材料本身的 物理参数，对特定的材料主要取决于熔池温度，由熔池熔化工艺参数和冷却条件决定；凝固金 属捕获陶瓷颗粒的时刻也由熔池熔化工艺参数和冷却条件决定。 因此，采用等离子熔喷技术制备陶瓷颗粒增强表层复合材料的主要影响因素可以归结为以 下几个方面： 1 陶瓷颗粒尺寸 陶瓷颗粒尺寸不仅影响陶瓷颗粒在等离子焰流中的加速过程，即影响陶瓷颗粒的注射速度 v o ，而且影响陶瓷颗粒穿透液态金属表面的临界速度v 。( 参见方程( 3 1 ) ) ，影响陶瓷颗粒在液态金 属中的运动过程( 参见方程( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ) ，是影响注射过程的关键因素之一。陶瓷颗粒尺寸不仅和 其最终的注射深度直接相关，而且可能对注射过程能否顺利进行起决定性作用。 2 陶瓷颗粒注射速度 陶瓷颗粒的注射速度v 0 ，是决定注射过程能否完成的关键因素之一。当v 0 v c 时，陶瓷颗粒 无法克服液态金属表面张力，停留在熔池外，注射过程不能完成。v 0 的大小还是决定陶瓷颗粒 注射深度的最直接因素。 采用熔一喷工艺制备表层复合材料时，大量陶瓷颗粒在高温高速等离子焰流的加速下，冲入 熔池，假定陶瓷颗粒流的平均速度为h ，横截面积为a ，颗粒平均密度为 ，则在时间彩内达 到熔池表面的陶瓷颗粒数为 n = n a y 。d t 个颗粒的半径曰不完全相同，在一定范围内分布，而且等离子焰流对陶瓷颗粒的加速过程 也不完全相同，因此个颗粒到达熔池表面时的注射速度v 0 也不是完全相同的，而是按某种规 律在一定范围内分布。其分布规律应为，较高速度和较低速度的颗粒较少，大部分的颗粒速度 分布在附近。其分布规律会随着等离子注射参数的变化而发生变化，而且将影响到陶瓷颗粒 在熔池中的分布。 3 熔化工艺参数及冷却条件 熔化j ：艺参数及冷却条件影响熔池表面张力、液态金属粘度和熔池冷却速度，从而影响注 射临界速度、陶瓷颗粒的运动过程和固液界面对陶瓷颗粒的捕捉。 4 陶瓷颗粒和液态金属的密度 定义陶瓷颗粒速度从v 降为0 的时间为颗粒注射时间矗，陶瓷颗粒从进入熔池到被凝固的 金属捕获的时间为颗粒存活时间。 如果基体凝固较慢，t i 400 等离子熔枪倾待定 k 。 二斜角度( 。) 氩气流量 3 0 氩气流量 3 0 等离子喷枪倾待定 ( l m i n )( l m i n )斜角度( 。) 等离子熔枪嘴距 待定送粉速度待定 基体距离( r a m ) ( g m i n ) 熔- 喷速度( m m s ) 待定喷涂距离( i n t o ) 1 2 0 由于等离子熔一喷工艺参数较多，而且相互间有一定的连带影响，逐个参数进行尝试既不经 济，也不科学。在熔化工艺参数中，氩气流量主要为保证建立稳定的等离子弧，不受具体工艺 影响，可以预先确定。基体的熔化状态主要和电流、等离子熔枪嘴距基体距离( 和电压相关联) 、 熔喷速度即等离子枪的移动速度有关。为简化起见，采用固定等离子电流，调整等离子熔枪嘴 距基体距离、熔喷速度的方式，研究熔化工艺参数对等离子熔一喷过程的影响。 从上一章的理论分析中可以知道，陶瓷颗粒的注射速度是表层复合材料制备的关键参数之 一，这一参数主要由等离子喷涂t 艺决定。等离子喷涂工艺参数的变化对表层复合材料制备有 着重要影响，但在本文中不进行这方面的研究，因吐采用工同定的等离子喷涂工艺参数。 等离子熔枪倾斜角度和等离子喷枪倾斜角度是等离弋结雯苎主赞直氅将在本论文 中进行研究。 、， 一 4 2 等离子熔一喷工艺参数的确定 中国农业大学颁十学位论文 等离子熔枪倾斜角度 等离子熔。喷的最人特点是将粉末用等离子喷枪喷入到熔池中，南于等离子弧能量密度比较 集中，等离子转移弧形成的熔池较小。在相同热输入的情况下，将等离子熔枪沿熔喷方向倾斜 一定角度，形成熔池“拖尾”现象，相对增人熔池，增加熔池面积，延长熔池的凝固时间，从 而形成平滑的熔喷形貌。但是等离子熔枪倾斜角度过大时，等离子流压力分解成向下和向后的 分力，向后的分力作用在熔池就形成向后的“吹力”，当倾斜角度为4 0 。时形成鱼鳞状涂层，当 倾斜角度为5 0 。时，熔一喷涂层开始不连续，当倾斜角度为6 0 。时，熔一喷涂层早现典型的泪珠 状，当倾斜角度为3 0 。时，熔一喷涂层呈现咬边现象，而且熔池会变小，不利于喷涂材料进入熔 池中。通过反复实验，最后将等离子熔枪沿熔喷方向倾斜角度确定为3 5 。为最佳。实验结果见 图4 1 。 等离丧喷枪倾斜角度 图4 - 1 熔枪不同角度时熔一喷涂层形貌 等离子喷涂的粉末材料喷入倾斜角度和熔枪倾斜角度是一对密切关联的参数粉末喷入角 度受等离，熔枪倾斜角度影响，w c 1 7 c o 粉末喷入角度的选择直接关系到等离子熔- 喷复合材料 层制备的成败。当粉末喷入角度过小时，w c 1 7 c o 粉末喷到熔池的后方，无法进入到熔池中， 达不到熔喷的目的。当粉末喷入角度较大时，w c 一1 7 c o 粉末将穿过等离子弧打到熔池前方的基 体上，形成等离子熔覆层，也达不到熔一喷的日的。因此粉末喷入的角度要保证粉末恰好喷入熔 池中。喷粉角度不同时熔一喷涂层外观形貌不同，通过不同角度的实验，粉末喷入角度在3 5 。时 最佳，其结果见图4 2 所示。 中国农业人学硕士学位论文 图4 - 2 喷枪赜涂角度不同时熔一喷复合材料层形貌 等离子熔枪嘴距基体距离 等离子熔枪嘴距基体距离也是一个比较重要的参数，当其他参数一定时，等离子熔枪嘴距 基体距离越小，等离子弧柱越挺，转移弧越稳定，热效率也越高，但距离越小作用在熔池表面 的等离子流力也越大，熔池越深，熔一喷涂层表面凹陷越严重，飞溅也越严重。另外由于等离子 熔枪沿熔喷方向倾斜一定角度，这就导致等离子流力向后的分力加强，使熔喷涂层成型很差， 图4 - 3 为等离子熔枪嘴距基体距离过小时的熔喷涂层外观形貌。 图4 - 3 熔枪嘴距基体距离过小时的复合材料层形貌 同时，为了将粉末精确的喷入到熔池中，必须为粉末喷入角度的调整留出足够的空间，冈 此总是希望在其他参数一定时加大等离子熔枪嘴距基体距离，但是在其他参数一定时等离子熔 枪嘴距基体距离过大，会导致转移弧稳定性变著，能量密度降低。通过大量试验，等离子熔枪 嘴距基体距离确定为1 8 r a m 时最佳。 熔。喷速度的确定 熔喷速度是等离子熔喷上艺参数中对复合材料层外观形貌影响较大的一个参数，当其他参 数一定时，熔- 喷速度越慢，单位面积的热输入越大，熔深、熔宽越大，熔池温度越高，复合材 料层的应力较人，引起复合材料层的开裂。同时，复合材料层的稀释率加大，影响复合材料层 的性能。因此在相同热输入的情况下，应尽量采用较高的熔- 喷速度，但是在热输入一定的情 况f ，熔喷速度的提高有限。图4 - 4 是熔喷速度不同时复合材料层外观形貌从图中可以看 山。采用较低熔一喷速度( v ：4m m s ) 时，复合材料层宽度较大，平整度差，并且复合材料层中 间凹陷。这是由于熔喷速度低，热输入大，熔池温度高。由烙池表面张力和温度的关系可知， 1 4 中国农业人学硕上学位论文 熔池温度越高，熔池表面张力越低，抵抗外力变形能力越差，因此熔池在等离子流“吹力” 的作用下，中间变得凹陷。熔喷速度变大时，复合材料层宽度明显变窄，当熔喷速度为5 m m s 时，复合材料层表面形貌最好，复合材料层表面平整，鱼鳞状波纹小，复合材料层边缘与基体 润湿良好，当熔喷速度进一步变人时( v = 7 m m s ) ，复合材料层表面平整度变著，鱼鳞状波纹明 显，复合材料层边缘与基体润湿性变差，当熔一喷速度达到8 5m m s 时，复台材料层变成不连续 形貌。 送粉速度的确定 图4 - 4 熔一喷速度不同时复合材料层形貌 一般来说送粉速度的大小对复合材料层的外观形貌没有明显的影响，当热输入一定时， 送粉速度有一最大值，当送粉速度人于这个值时，粉末的利用率将下降。但是在实验过程中发 现当送粉速度很大时( 约是正常送粉量1 0 倍) ，金属陶瓷粉末进入很少或不能进入基体熔池 中，而是在基体表面形成一层金属陶瓷层“粘”基体表面，经轻轻敲击，金属陶瓷层剥落，如 图4 - 5 所示。由丁送粉速度大，大量粉末同时打到熔池，导致金属陶瓷粉末和熔池基体来不及发 生冶金反应，结果出现图中所示的涂层剥落现象。经过反复实验，最后将送粉速度确定为 4 8 0 m g m i n 。 图4 - 4 送粉量过大时复合材料层形貌 通过实验确定的表层复台材料制备工艺参数如表4 - 2 所示。 耋基登些查兰堡圭兰堡兰兰 裹4 - 2 初步确定的等离子熔一喷工艺参数 熔化参数 喷涂参数 相互作用参数 电流( a )7 5电流( a )4 0 0等离子熔枪倾 3 5 斜角度( 。) 氩气流量3 0氩气流量 3 0 等离子喷枪倾 3 5 ( t m i n )( l m i n ) 斜角度( 。) 等离子熔枪嘴距 1 8 送粉速度4 8 0 摹体距离( m m l ( m g m i n ) 熔- 喷速度( m m s 1 5 喷涂距离( m m ) 1 2 0 采用上面1 1 艺参数制备出的表层复合材料如图4 - 6 所示。 国4 _ 6 轻佳工艺规范龇备出的裹层复合材料 - 1 6 ! ! ! ! i 些；i ! ：占i 譬! i ： 第5 章w c 增强表层复合材料的组织分析 5 1w c 增强表层复合材料的显微组织 图5 - 1 所示为w c 1 7 c o 增强表层复合材料x 射线衍射图谱。由图可知复合材料层相组成 非常复杂，主要由m 6 c ( f e 3 w 3 c 或c 0 3 w 3 c ) 、w c 、v f e 、c 0 3 0 4 、y c o 、f e w 3 c 、f e 2 w 和 w 2 c 等相组成。由于等离子弧能量密度比较集中，熔牍过程中加热和冷却速度比较快，熔池中 的成分、温度以及冷却条件都存在较人的差别，所以造成复合材料层相种类多、组织结构复杂 的现象。 2 t h e t a ( d e g ) 图5 1 州c 一1 7 6 0 增强表层复合材料x 射线衍射图谱 幽5 2 所示为表层复合材料的显微组织。从图5 2a ) 中可以看出，增强相在整个复合材料层 - | j 分布比较均匀，没有出现明显的沉底现象。这和等离子熔- 喷过程快速加热、快速冷却的特点 有关。熔喷过程中，基体首先在等离子弧的作用下熔化形成熔池，随后被等离子喷涂枪加速的 w c 陶瓷颗粒注射到熔池中并以一定的速度在熔池中运动。由r 等离子弧能量密度非常集中 并且熔池很浅( 零点几毫米) ，熔池的冷却非常迅速，在重力对陶瓷颗粒的运动起主要作用之前， 熔池已经冷却凝固陶瓷颗粒被捕获，因此没有发生明显的w c 沉底，增强相分布比较均匀a a ) b 、 一c|o一皇cm_c一 中国农业人学硕士学位论文 图5 - 2w c 增强表层复合材料微观组织 a ) 复合材料层整体形貌b ) 复合材料层上部c ) 复合材料层中部d ) 复合材料层底部 但是，增强相在复合材料层的顶部、中部和底部的形态并不完全一样。在复合材料层的中 部和底部，复合材料的显微组织主要包括二种不同形态的组织：扳条状组织、突起部分灰色组 织、白色棒状及t 字状组织。在复合材料层的顶部，除了这二三种形态的组织外，还存在大量块 状组织，并且这些块状组织的聚集形态为球形，保留着陶瓷粉末颗粒的形状和尺寸。这些组织 的能道坌蚯结果如表矗l 所示， j l ，一 表5 - 1 表层复合材料显微组织的能谱分析结果 c f e c ow 板条状组织 83 16 6 6 39 4 8 1 5 5 8 突起部分灰色组织98 26 28 8 7 1 92 0 1 l 白色棒状发十字状组织5 3 6 2 32 73 0 06 8 9 2 块状组织 1 1 2 81 5 80 9 08 62 4 从这些组织的成分和形态上，可以判定，板条状组织为铁基一次组织，突起部分灰色组织 为铁基共晶组织，白色棒状及十字状组织为m 。c 型一次碳化物，块状