（材料加工工程专业论文）等离子弧堆焊条件下高温陶瓷的原位合成.pdf

摘要 巨旦旦里里里巴粤皿口.口毕皿巴里巴粤里里里里巴 巴 巴 巴 巴 曰 曰曰 曰 曰曰. 口. . . . 曰 曰 曰 曰 曰 曰 日 曰 曰 日 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 曰 . 曰曰. . . . . . . . . . . . 曰 巴巴 里 里 里 . 摘要 本文采用等离子弧堆焊设备， 通过钦合金和硼合金粉末之间的 高温冶金反应，在堆焊过程中原位合成了 t i b 2 ，在普通碳钢表面制 备了含 t i b : 的金属陶瓷层。通过对原位合成的 t i b : 一 金属陶瓷层的 组织结构和常温、高温性能的研究发现，利用等离子弧堆焊方法能 够原位合成 t i b 2 ，并且所合成的 t i b ， 以晶须形式弥散而均匀的分 布于金属陶瓷基体中， 而这种金属陶瓷基体则来源于该工艺方法所 使用的那些合金粉末。 这种一步性原位合成工艺所获得的堆焊层主 要是 t i b : 晶须与 f e 及其硼、碳化合物组成，陶瓷层与基体间实现 了冶金结合。堆焊层基体由 f e z b和 f e , ( c , b )的共晶组织和少量 马氏体、残余奥氏体混合组织组成，针状 t i b : 晶须搭成骨架结构。 随着堆焊电流的增加，堆焊层中 t i b : 变得粗大、长宽比增加。原 位合成的 t i b : 一 金属陶瓷层具有合理的梯度结构，从基体到堆焊层 表面之间有一明显的有一定宽度的硬度渐变区，越靠近上表面，堆 焊层的硬度越高.堆焊层的抗裂性较好，优于不含 t i b ， 的其它铁 基 b , c堆焊层。该类堆焊层具有优良的热稳定性、空气中抗高温摩 擦磨损性能 ( 电流为 2 0 0 a时高于 4 5 钢 1 6 倍) 、抗高温碳弧烧蚀能 力，并且不受氧一 乙炔火焰烧蚀。该种方法不仅可以用于制造特定 条件下使用的新零件，节省大量贵重材料，还可以用于修复失效零 件，显著延长其使用寿命，因而具有重要的社会效益和经济效益。 关键词:等离子弧堆焊;t i b 2 ;金属陶瓷;组织与性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e t i b 2 w h i s k e r i s s y n t h e s i z e d i n - s i t u d u r i n g t h e r e a c t i o n o f t h e a l l o y p o w d e r s e m p l o y i n g t h e p l a s m a a r c p o w d e r s u r f a c i n g . i t i s f o u n d t h a t t h e t i b 2 w h i s k e r s c a n b e s y n t h e s i z e d i n - s i t u d u r i n g t h e p l a s m a a r c p o w d e r s u r f a c i n g t h r o u g h t h e s t u d y o f t h e c o n s t r u c t i o n a n d t h e q u a l i t i e s i n o r d i n a r y a n d h i g h t e m p e r a t u r e . t h e t i b 2 w h i s k e r s u n i f o r m l y d i s p e r s e i n t h e m e t a l m a t r i x , w h i c h o r i g i n a t e f r o m t h e a l l o y p o w d e r s e m p l o y e d i n t h e p l a s m a a r c p o w d e r s u r f a c i n g . t h e c e r a m i c c o a t i n g s m a i n l y c o n s i s t o f t h e t i b 2 w h i s k e r a n d t h e c h e m i c a l c o m p o u n d o f f e、c a n d b . a n d t h e c o a t i n g s a n d t h e m a t r i x a r e m e t a l l u r g i c a l b o n d e d . t h e m a t r i x c o n s i s t s o f t h e f e 2 b a n d f e 3 ( c , b ) a n d e u t e c t i c c r y s t a l o f ma r t e n s i t e a n d r e s i d u e a u s t e n i t e . t i b 2 w h i s k e r s c o n s t r u c t t h e f r a m e s t r u c t u r e . f o l l o w i n g t h e i n c r e a s i n g o f e l e c t r i c c u r r e n t , t h e t i b 2 w h i s k e r s b e c o m e l a r g e a n d t h e r a t i o o f l e n g t h a n d w i d t h i n c r e a s e s i n t h e c o a t i n g s . t h e c e r a m i c c o a t i n g s h a v e r a t i o n a l g r a d i e n t s t r u c t u r e . t h e q u a n t i t i e s o f b o r o n a n d t h e h a r d n e s s o f t h e c o a t i n g s r i s e i n c r e a s i n g l y f r o m t h e f u s i o n l i n e t o t h e s u r f a c e o f t h e c o a t i n g s . a n d t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c o a t i n g s c r a c k r e s i s t a n c e i s s u p e r i o r t o t h a t w i t h o u t t i b 2 w h i s k e r s . t h e c o a t i n g s h a v e w e l l h e a t r e s i s t a n c e a n d w e l l a n t i - f r i c t i o n a n d a n t i - w e a r p e r f o r m a c e u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e i n t h e a i r ( 1 6 m u l t i p l e t o t h e 4 5 s t e e l u n d e r 2 0 0 a c u r r e n t ) . t h e c o a t i n g s a l s o h a v e v e r y w e l l c a r b o n a r c e r o s i o n r e s i s t a n c e u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e , a n d a r e s e c u r e f r o m t h e o x y g e n - a c e t y l e n e fl a m e e r o s i o n . t h i s m e t h o d c a n b e u s e d b o t h t o m a n u f a c t u r e n e w p a r t s a n d t o r e p a r e t h e i n v a l i d p a r t s u s e d u n d e r s p e c i a l c o n d i t i o n s . i t h a s v e r y i m p o r t a n t s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e f i t s k e y w o r d s p l a s m a a r c p o w d e r s u r f a c i n g ; t i b 2 ; me t a l a n d p r o p e r t i e s c e r a m i c;s t r u c t u r e _ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 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 处创暨色或 其 他 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。 学 位 论 文 储 签 名 : “ 毗 崎 签 字 晰 侧年 ” 18 q 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解透建叁生一 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 一 孟生.k 生一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签字日期:， 4 叼 年 “ ”“ 峥 /月 ， 8日 导 师 签 名 :多 产哺) 签 字 日 期 : 2 双 宕 年 ，月; 牙 日 第一章 绪 论 第一章 绪论 1 . ， 课题的提出与研究背景 1 . 1 . 1 研究的背景 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑，是多 数发明创造的先导。因此，世界各工业发达国家莫不把新材料的研究与开 发放在十分重要的地位。 材料是人类文明进步的物质基础，材料的更新与进步促进了人类社会 的发展。人类的文明史也是一部材料发展史，所以社会的历史分期有一种 是以材料来划分的。但人类在漫长的历史发展中大都是依靠自然的恩赐， 仅仅停留在能利用天然材料的状态.自1 9 世纪以来由于科学技术的进步， 生产不断发展，对材料不断提出新的要求，有些要求完全超出天然材料所 能提供的性能，从而促进了人类开始对材料从依靠到创造的转变。尤其是 在 2 0世纪下半叶逐渐形成的以新材料技术为基础的信息技术、新能源技 术、生物工程技术、空间技术和海洋开发技术的新技术群，更促使材料科 学飞速发展。时至今日，人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间 的内在关系，可以按照使用要求对材料性能进行设计创造。 随着当代科学技术的发展，各行各业对材料的使用性能的要求越来越 高，使用条件越来越苛刻。其中对于材料在高温或苛刻条件下的各种使用 性能的要求也越来越高。 例如要求: ( 劝高温或苛刻环境条件下具有较高强 度;( 2 ) 高温下具有高韧性;( 3 ) 抗蠕变性高;( 4 ) 耐蚀性优异;( 5 ) 抗热冲 击能力高;( 6 ) 耐磨性好;( 7 ) 化学性能稳定等。 为满足以上高温性能的要求，在材料表面制备耐磨蚀表面层，是一种 发展较早，应用很广的材料复合工艺。它不仅可以用于制造新零件，节省 大量贵重材料，还可以用于修复失效零件，显著延长其使用寿命，具有重 要的社会效益和经济效益。 第一章 绪 论 1 . 1 . 2 课题的提出 随着高新技术的不断发展，工程机械、设备及构件的工作条件日 益苛 刻，要求材料必须具有耐高温、耐腐蚀、抗震动、抗疲劳、抗温度急变以 及耐冲刷等性能，而单纯的金属材料已不能满足要求。高温陶瓷材料则由 于脆性高和抗温度急变性差，其应用也受到一定限制。因此，利用在金属 表面加陶瓷涂层的方法，制备既有金属强度和韧性，又有陶瓷耐高温、耐 腐蚀等优点的复合材料，越来越受到人们的重视。目 前，金属基陶瓷涂层 己成功地应用于航天、航空、国防、化工、机械、电力、电子等工业，且 应用范围越来越广，发展前景相当广阔。 传统堆焊用的金属一 硬质相粉末， 一般以团聚物或金属包覆硬质相的形 式使用 ij 。 涂层中硬质相分布不均匀，且比 较粗大。硬质相的熔点高，在 堆焊过程中较难熔化。因此涂层中往往存在未熔且带棱角的硬质相，成为 应力集中点 幻 .原位合成技术，由于涂层中的晶体是在粉体中原位均匀生 长的， 分散均匀。 同时由于硬质相的原位合成， 使上述缺点容易得到克服。 本课题拟采用等离子弧堆焊作为热源，采用原位合成技术在金属表面 制备具有优异使用性能的高温陶瓷涂层。 与传统堆焊方法相比，本课题采用的原位合成技术具有以下突出的优 点， : a . 用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵的涂层材料; b . 能将微细( . 、 、节 望、 吕 砚 、 “ 于.、“了 丫1 翻 侧 比 卜，.” ， 、 、 ， 令.君“. 、 叨1 : 加 栩栩 柳6 一 而而丽百雨 t 度 . 已 皮 ， 亡 ， 柳 肠 钾砚 七 ) 呱 海 二lj t 、/ p 口 j . 业 。 r” 二 柳j r . _ _ 七 巨业. 红 里 巴竺. crl o 拍加t i 1 02 0 加愉1 0 功匆s o 低 ， 州环低 ， 目环低 。 n lm d y t ib r . w o 1 k t ib rt 图 1 - 1各种硬质合金硬度和抗压强度 1 . 2 . 4 . 1 t i b 2 一 金属陶瓷涂层的制备 图 1 一 z t i b 2 对共晶体熔化温度的影响 随着现代化工业的高速发展， 提高结构件在恶劣环境( 高温、 腐蚀、 磨 损等) 下的使用性能显得日 趋迫切和重要。目前广泛采用的硬质合金是 w c - c o 金属陶瓷， 其 硬 质相为w c ( 熔点 为2 7 8 0 1c ， 密 度为1 5 .7 g / c m 3 ) ， c 。为粘结相。一种新型硬质合金一一t i b z - m金属陶瓷正在崛起。t i b : 硬 质相具有许多优异的性能:熔点高 ( 2 9 8 0 0c ) ; 高温硬度高 ( h v 3 3 7 0 ) ;导 第一章 绪 论 电 率( 电阻 率为1 5 .2 - 2 8 .4 0 e m ) 与导热率高; 杨氏 模量高 4 1 4 g p a ( 1 0 9 0 ) ; 化 学 稳 定 性 与 耐 蚀 性良 好 ; 比 重 轻 ( 4 .5 0 g / c m 3 ) 等 1 1,12 。 使 其 成 为 制 备金属陶瓷复合材料的最佳增强剂候选材料，但由于这种材料与多种金属 润湿性不良，与t i c , wc等碳化物陶瓷相比，硼化钦金属复合材料的研 究 和 应 用 尚 未 广 泛 开 展 1 3 ,14 1 最早研究的t i b 2 一 金属陶瓷 材料是t i b 2 - c r 1 5 1 o 1 9 5 2 年， n e l s o n 发表了 无压烧结t i b 2 - 3 0 c r 复合材料的研究报告，在 1 9 2 7 1c 氢气环境下，烧结半 小时， 可以得到多孔的t i b 2 - c r 复合材料。 这种材料具有良 好的抗氧化性， 在1 0 3 9 0c 空 气中 增重速率 为0 .4 m g / e m 2 h o t a n g e r m a n s 等 人 1 5 认为 在氢 气环境中，可能会更有利于t i b 2 - c r 系统的烧结，并在 1 6 5 0 c 氢气中获得 了更加致密的t i b 2 - c r 复合材料，但材料表现出极大的脆性。无压烧结过 程中极高的烧结温度( 1 9 0 0 c) 是造成材料多孔的主要原因， 因为在这种温 度下绝大多数金属都会快速地汽化而留下孔隙。 y u r i d i t s k y 1 6 1 等 人 研究了t i b 2 - f e 金属陶瓷复 合 材料， 在氢气 环境 1 7 0 0 2 0 0 0 条件下，可以获得完全致密的t i b 2 - f e 金属陶瓷复合材料， 并且材料硬度随着 f e 含量增加而降低， 氢气烧结有助于 t i b 2 - f e 材料致密 化。并且认为t i b 2 - f e 在有c杂质存在时不稳定.这微量c主要来源于制 备t i b 2时t i 0 2 , c和b 2 0 ， 或b 4 c间的碳热反应过程。 当有c存在时， 可 能发生下述反应: t i b 2 + 4 f e + c -t i c + 2 f e 2 b t i b 2 + 1 2 f e + b 4 c 一t i c + 6 f e 2 b ( 1 一 1 ) ( 1 - 2) l s - s i g l 1 等 人 从热 力学计 算和实 验证明 上述反 应的 存在，同 时认 为t i b 2 - f e 体系烧结与wc - c o 相类似， 但其致密化过程要缓慢的多， 烧结 温度和成份的选择却要比wc - c 。 严格的多，因此必须严格控制工艺条件。 并且发现致密t i b 2 - f e 与工业wc - c 。 硬质合金相比较，t i b 2 - f e 金属陶瓷 材料 具有更高的 硬度 和良 好的 断 裂韧 性。 t h .j u n g lj n g 1 8 等 人采用无 压烧结 研究了t i b 2 - f e 材料.利用微细的t i b 2 ( 2 11 m ) 可得到完全致密的材料，这 种细粉不仅可以在较低温度下进行烧结，而且还可制备出较细晶粒的金属 陶瓷，同时可降低粘结相的含量。并且认为f e 2 b的形成不能解释为f e 和 t i b 2 与b 4 c或c反应生成了f e 2 b和t i c的结果， x射线衍射和c/ o分 析结果支持下面的反应式: 2 t i o 2 + 8 f e + b 4 c 4 f 2 b + t i 2 o 2 + c o ( 1 - 3 ) 因此，对于烧结过程中出现的f e 2 b相的形成原因有待于进一步的研 究。 尽管f e 2 b对于t i b 2 - f e 系陶瓷材料的致密化有重要贡献，但因同时消 第一章 绪 论 耗f e 基损坏了材料的韧性。为了改善机械性能必须阻止f e 2 b的形成。但 到目前为止对这方面的研究结果还不能令人满意。 w e o n - j u k i m p s l 等人认为， 采用单一的 气氛烧结不利于材料的致密化， 其主要原因是在真空条件下烧结，液相会大量汽化和蒸发，而在气氛中烧 结又有部分气体被包裹。 采用二步烧结法是获得高致密t i b 2 金属陶瓷复合 材料的可行方法。对t i b 2 - n i 的二步烧结研究表明:在 1 6 0 0 真空条件下 烧结 1 小时后， 通入氢气在 1 7 0 0 条件下再烧结 1 小时，可以获得 9 9 %以 上的相对密度。但这种材料的机械性能没有报道。 尽管采用无压烧结技术可以得到高致密的t i b 2 一 金属陶瓷复合材料， 但 材料的机械性能尚不理想，其主要原因是制备过程中烧结温度过高引起晶 粒异常长大所致。 为了 进一步提高t i b 2 一 金属陶瓷复合材料的机械性能， 各 种先进的制备工艺被用于制造高性能的t i b 2 一 金属陶瓷复合材料。 傅正义 2 0 1 等人以t i , b为原料掺加金属相铁，采用自 蔓延高温合成结合快速压制工 艺( s h s / q p ) 研制了t i b 2 - f 。 复合材料。 结果表明这种工艺可以获得硬度均 匀( 9 2 - -9 3 h r a ) ，强度高的t i b : 复合材料，并 且制备过程简单快捷。 p . a n g e l in i 2 l 噜人 利 用真空 热压 烧结技术 获得了 不同 粒径t i b 2 - 2 0 n i 材料， 并且发现， 当n i 含量过大时， 会出现力学性能劣化现象， 认为是由于脆性 金属n i 3 b形成连续结构造成的。通过细化复合材料中t i b 2 的晶粒尺寸， 可以使材料的机械性能大幅提高，当t i b 2 晶粒尺寸为5 u m左右时， t i b 2 - 2 0 n i 材料的机械强度可达8 0 0 mp a ，硬度为9 2 -9 3 h r a 。傅正义2 2 1 等人在研究s h s 工艺制备t i b 2 - x a l 复合材料时发现， 随着al 含量的增加， t i b 2 晶粒尺寸显著减小，通过适当控制，可获得纳米t i b 2 增强a 1 基复合 材料。 对t i b 2 一 金属陶瓷材料的研究尚不充分， 有关的文献较少， 从工艺上来 看要获得高致密度、 机械性能优良的t i b 2 一 金属陶瓷复合材料， 比较理想的 工艺条件是加压烧结工艺。从金属相的选择来看，几乎所有的研究文献均 利用单一金属，有人认为选择合适的合金元素强化金属相并改善金属相与 t i b 2 润湿性，是进一步提高t i b 2 一 金属陶瓷材料综合性能的有效手段 2 3 1 0 1 . 2 . 4 . 2 t i b 2 一 金属陶瓷及其涂层制备技术的研究 进展 由于t i b 2 为共价性极强的化合物， 其自 扩散系数相当低， 难于得到高 密度的烧结体。在2 4 0 0 02 5 0 0 0c , 1 g p a 压力下，其烧结体的密度也只 有9 4 .5 - 9 9 % ， 常压烧结就更困 难2 4 1 。 几十年来 对t i b 2 进行的施洛特法即 金属液相粘结使硬质相致密和改善韧性的诸多尝试均未奏效，如s i , f e , 第一章 绪 论 c r , n i , c o , t i , w, m o , n i 3 a l 等2 4 1 ， 主要是t i b 2 与f e , c o , n i 等粘 结相应形成软的 低熔点 共晶 物 1 7 . 2 5 . 2 6 1 。 为提高 烧结密度， 添加了 与氧结 合能力较强的b , s i 等元素， 但最高烧结密度只能达到9 5 % 左右2 7 1 。 为进 一步致密化， 需要采用象热压一类的致密化方法。 因而工艺过程更加复杂。 因此发展了许多原位合成 t i b 2 颗粒或晶须增强的金属基复合材料的 涂层新技术。 目 前， 对于t i b 2 系抗高温磨蚀涂层的原位合成制备方法主要有:自 蔓 延高温合成、激光熔覆、热喷涂及堆焊和电弧熔炼等方法。 a .自蔓延高温合成 利用自 蔓延高温合成( s e l f - p r o p a g a t i n g h i g h - t e m p e r a t u r e s y n t h e s i s , s h s ) 技术可以制备多种陶瓷复合材料.在制备金属 陶瓷复合材料方面， s h s 也是有效方法之一。目前，国内外学者对t i b 2 - c u , t i b 2 - a l 等体系作 了深入研究2 2 . 2 8 1 。 我国大连理工大学的赵金龙等人也对t i b 2 - a l 体系进行 了深入的 研究【2 9 1 。 并提出了一种在常压无气氛保护条件下， 通过提高s h s 反应预热点火温度的方法，在9 7 3 k制备出( a 1 2 0 3 十 t i b 2 ) / a l 复合体系与 a l 连接材料， 为利用s h s 法进行其他金属( m ) 与( a 1 2 0 3 + t i b 2 ) / m体系连 接的研究打下了基础。高温s h s 反应的( a 1 2 0 3 十 t i b 2 ) / m复合体系， 在一 定预热温度可以使体系中不同质量分数的金属处于熔融状态，作为用s h s 技术制备梯度功能材料的中间过渡层。 b . 热喷涂方法3 0 1 加拿大蒙特利尔碳化物有限公司研究出一种方法使用普通的等离子喷 涂设备( 亚音速型) ，在金属基体上沉积t i b 2 微粒，从而获得一系列硼化钦 的陶瓷涂层，涂层中的陶瓷细小而均匀分布。这种一步性工艺所获得的厚 涂层具有良好的耐磨性能。 最近的初步试验表明，高速喷枪也能用来沉积硼化钦涂层。在喷涂过 程中， 钦基和硼基合金粉末发生反应合成t i b 2 。由于t i b 2 迅速固化， 形成 细的t i b 2 晶粒弥散于被喷涂的金属体上。这种合成法比t i b : 和金属粉末 常规烧结具有更多的优点:由于快速固化，t i b : 晶粒细小( 平均为1 11 m ) ; 陶瓷晶粒均匀、有规则地分布在金属基体上;由于熔池内晶粒润湿性好， t i b : 与金属界面的结合力很强;某些情况下，原料合金相对便宜。 实验表明，决定涂层性能的主要因素在于:晶粒的大小和形状;晶粒 在基体中的分布情况;基体的硬度和延性;相与相之间的结合强度;层与 层之间的结合强度;涂层的密度对基体的附着力。 。 . 激光熔覆表面改性处理 第一章 绪 论 激光熔覆是近年来新兴的表面强化技术，它不仅使涂层与基体之间实 现了冶金结合，而且涂层的厚度可在几十微米到几毫米之间变化，是提高 零件表面耐磨性能的有效手段。 利用激光熔覆技术制备t i b : 的研究主要集中在以钢铁材料为基体的 复合涂层上3 1 - 3 8 1 。昆 明 理工大学的陈敬超3 1 等人采用激光熔覆工艺 在 4 0 c r 钢表面制备了含 t i b : 陶瓷相的覆层材料，覆层平均厚度为 1 0 0 - 1 5 0 i l m ，表层硬度在 1 8 0 0 -2 5 0 0 h v之间。磨料磨损试验表明，该工艺提高 了材料的表面硬度，改变了磨损状态，有效提高了材料的耐磨性能。 天津大学的王惜宝 3 4 ,3 5 1 等人对不锈钢表面激光堆焊进行了 研究。 用金 相显微镜、x射线衍射、电子探针等微观分析手段对涂层中组成相的类型 和形貌进行了分析。 结果发现涂层中t i b 2 有针状、 棒状以及颗粒状等形态。 这与激光加工工艺参数有关。 激光功率密度的提高有利于颗粒状t i b 2 的形 成。同时由于t i b : 的形成， 消除了该激光熔覆合金中f e b成分的偏析， 从 而改善了涂层的显微组织，提高了涂层的硬度和抗裂性能。 最近我国 哈尔滨工业大学的孙荣禄3 9 - 4 2 1 等人对钦合金表面激光熔覆 进行了研究。结果表明，激光熔覆层在微观结构上存在三个区域，由表及 里依次为:熔覆区、结合区和基体热影响区。熔覆区的组织是在堆焊材料 形成的初晶和多元共晶基底上弥散分布着 t i b 2 等颗粒增强相。 结合区是熔 覆材料和基体的混熔区，呈定向凝固特征。基体热影响区为针状马氏体组 织。激光熔覆层的耐磨性能显著提高，磨损机制是剥层磨损和磨粒磨损. 研究表明4 1 1 : 激光工艺参数决定了熔覆层稀释率的大小， 随稀释率的 增加， 熔覆区中“ 原位”形成了t i b 2 等颗粒增强相;激光功率密度的提高 有利于颗粒状 t i b 2 的形成， 并且激光熔覆层的显微硬度由表及里呈阶梯状 递减。 基体材料对熔覆层的稀释作用导致熔覆区组织和相组成的明显变化， 例如: 激光熔覆n i c r b s i 涂层，与6 0 钢相比t c 4 合金表面n i 基合金熔覆 区中出现t t i b 2 , t i c等新相，而未出现m , c ， 相3 9 ,4 2 1 0 1 . 3本课题的研究方案与技术路线 本研究的技术路线是采用等离子弧堆焊工艺将合金硼化、碳化在碳钢 基体表面形成硼化物和碳化物的金属陶瓷堆焊层，陶瓷与基体之间保持合 理的梯度层结构。总体研究方案如图1 - 3 : 第一章 绪 论 选料 机械混合 堆焊 热 处理工艺 堆焊工艺 堆焊层 性 能测试 熔点、 导电性、 硬度、 抗烧蚀 、 抗裂件 图 1 - 3 本课题的总体研究方案 第二章 研究内容与实验方案 第二章 研究内容与试验方案 2 . ，课题研究的内容 本文采用等离子弧堆焊设备，通过含钦合金和含硼合金的粉末之间进 行冶金反应，在堆焊期间合成 t i b 2 。由于快速凝固作用，所形成的t i b , 晶 体致密地分散于金属基体中，而这种金属基体则来源于该工艺方法所使用 的那些合金。合成法优于常规机械附聚法的优点包括:由于快速凝固作用 而形成细小且分布均匀的t i b , ;这种一步性工艺所获得的涂层主要是t i b 2 与f e 及其化合物等粘结相， 实现了陶瓷层与基体间的冶金结合， 能满足各 种特殊的使用要求，包括同时发生高温磨损、腐蚀等复杂场合;在堆焊过 程中，含钦和含硼的合金粉末发生冶金反应生成t i b 2 。由于堆焊时的熔池 凝固时间很短， 是一个快速冷却的过程，并且t i b : 的熔点很高 ( 2 9 8 0 c ) , 生成的t i b 2 迅速固化， 形成细小的t i b ， 晶须弥散分布于被堆焊合金的金属 基体上。通过对工艺的研究，使堆焊层厚度可以根据需要在m m 级和c m 级 间任意调节。 具体内容包括: a . 原位合成硼化物类高温陶瓷等离子弧堆焊工艺研究。 主要包括形状 系数和稀释率及电流等工艺参数对堆焊层质量的影响; b . 原位合成的高温陶瓷层的组织结构研究。 主要研究陶瓷层的相组成 和梯度层结构及电流和合金粉末成分对堆焊层组织的影响规律; 。 .原位合成的高温陶瓷层的性能研究。 主要研究硬度、 热稳定性 ( 退 火稳定性)等力学性能，空气中抗高温摩擦磨损、抗电弧、火焰烧蚀等使 用性能及导电导热等物化性能。 2 . 2试验方法、材料与步骤 ( ， ) 试验设备 本试验采用的堆焊设备是沈阳工业大学研制的 l p - 1型等离子弧堆焊 设备，其技术条件如表2 - 1 。该堆焊设备结构构成如图2 - 1 . 第三章 确化物类高温陶瓷涂层的原位合成及堆捍 第三章硼化物类高温陶瓷涂层的原位合成及堆焊 3 . ，原位合成的冶金反应原理 当采用f e t i 粉末和 b , c 粉末作为堆焊材料时，经过等离子弧的加热， 各种材料相继融化， 并在这种高温的状态下发生了一系列冶金反应4 4 1 。 可 能发生如下反应: 2 t i + b , c - - 2 t i b , + c( 3 - 1 ) t i b 2 + 4 f e + c - - t i c + 2 f e , b( 3 - 2 ) 4 f e + b , c - 4 f e b + c ( 3 - 3 ) 反应式( 3 - 1 ) 是本试验所期望得到 t i b : 的反应，因此应尽可能的使这 一反应顺利进行。但由于式( 3 - 2 ) 和( 3 - 3 ) 两反应也不可避免的发生，会使 反应生成物多样化， 从而使堆焊层组织多样化， 并因此影响堆焊层的性能。 特别是在存在杂质以及反应物氧化或保护不利的情况下还会有很多复杂反 应的发生，主要有以下几个反应: 2 t i 0 , + 8 f e + b , c - - 4 f e z b + t i , o , +c o( 3 - 4 ) t i + 2 f e + b 2 0 , -t i b 2 + f e 2 0 , ( 3 - 5 ) t i + 4 f e + 4 0 , - t i 0 2 + 2 f e , 0 ,( 3 - 6 ) 由反应式 ( 3 - 1 )可以看出:当t i 和 b , c的摩尔比为2 : 1 时最有利于 t i b 2 的生成并可以相应减少其它反应的发生，因此我们主要对这一反应进 行分析。在f e t i 合金粉末中，t i 占2 1 . 0 7 % , b 4 c 在 b , c 粉末中占9 5 % ，分 别见表2 - 2 和表2 - 3 。因此根据反应式 ( 3 - 1 ) ，经过计算可知当所加f e t i 粉末与b , c 粉末的质量比为7 . 7 3 : 1 时，可以使t i 和 b , c的摩尔比近似为 2 : 1 ，即加入 b , c 粉末约为 1 1 . 4 5 % 。此时，t i b , 在堆焊层中的理论质量百 分含量为 2 4 . 5 8 % 。考虑到合金元素的烧损以及 b与其他元素的反应，b 4 c 粉末的加入比例应大于上述计算值， 否则 t i b 2 在堆焊层中的质量百分含量 会小于 2 4 . 5 8 % . 2 t i+ b , c - - 2 t i b 2+c 2 x4 8 5 6 2 x7 0 2 4 1 4 3 5 正是由于上述原因，碳弧重熔对比试验的 t i b , 粉末的加入量选择 2 。 % 第三章翻化物类高温陶瓷涂层的原位合成及堆焊 ( 见 4 . 4节) 。 对于 8 0 f e t i + 2 0 b , c堆焊层，理论上，如果式 ( 3 - 1 )的反应进行的十 分完全，也就是合金粉末中的 t i 元素和 b元素完全反应生成 t i b 2 ，经过 计算t i b , 在堆焊层中的理论质量百分含量为2 4 . 5 8 % ， 折算成体积百分含量 为 3 6 . 1 % 左右。由于堆焊层可能的主要生成物如 f e z b , f e b , f e的密度相 差不大，并且以f e 为主，因此，进行体积换算时，以f e 的密度作为堆焊 层近似的密度进行计算 ( 各种物质的密度见表 3 - 1 ) . 表 3 - 1各种物质的密度 不同物质t i b z f e 2 bf e b ti c f e 密度 ( g / c m ) 4. 5 27 . 3 2 7 . 1 54 . 9 2 7 . 8 3 等离子 弧堆焊时， 合金粉 末及母 材发生 熔化， 熔池中的f e , n以 及b 元素在热流的作用下混合均匀， 同时发生各种冶金反应， 生成一系列产物。 随着熔池的冷却， 高熔点的t i b 2 晶须首先析出， 之后是f e z b 相等组织， 通 过熔池的对流作用，带至堆焊层的各个部分，在冷却至室温的过程中熔池 中 铁碳组织发生相应的相 变， 形成最后的堆焊层组织 1 9 3 . 2堆焊工艺参数和堆焊层质量指标 3 . 2 . ，工艺参数 等离子弧堆焊层的质量受到多种因素的影响，其中工艺参数的选择是 很重要的方面。因此必须了解各主要工艺参数对各项工艺指标的影响及其 影响的规律，从而能够通过合理地选择工艺参数，以及在施焊过程中正确 的调节工艺参数，消除工艺故障、获得理想的堆焊层质量。 主要工艺参数有:离子气流量、转移弧电流和电压、焊接速度、枪摆 频率和幅度、喷嘴距工件之间的距离等。 ( 1 ) 离子气流量离子气是形成等离子弧的工作气体，对电弧起压缩 作用，并对熔深起保护作用。离子气流量的大小直接影响电弧的稳定性和 压缩效果。气流量过小，对电弧压缩作用较弱，造成电弧不稳定;气流量 过大，对电弧压缩过强，增加电弧刚度，致使熔深加大。因此离子气流量 要选择适当，一般取0 . 3 - 0 . 5 m 3 / h 为宜。 第三章 硼化物类高温自瓷涂层的原位合成及堆焊 ( 2 ) 转移弧电流和电压在堆焊过程中，转移弧电压随电弧电流的增 加而近于线性上升，但在焊枪和其它参数一定的情况下，电弧电流在较大 范围内变动时，电弧电压的变化量却是不大的。应当指出的是，尽管堆焊 过程中电弧电压变化量小，对工艺影响不大，但电弧电压的基数值却是很 重要的，它影响电弧功率的大小。电弧电压的基数值主要取决于喷嘴结构 和喷嘴距工件的距离。 在堆焊过程中，转移弧电流的主要影响是: a . 影响熔深和稀释率。在其它参数一定的情况下，随着电弧电流的增 加，输入到母材的热功率增加，热量增加，熔池温度升高，因而使熔深和 稀释率加大。 b . 影响 堆焊效 率 和 粉末利 用率。 送粉量一定时 ， 要 使粉末充分 熔化， 需要足够的热量，因此转移弧电流不能低于一定的数值。试验表明，转移 弧电流小于一定数值时，合金粉末飞散多，粉末利用率很低。 c . 影响堆焊层质量。转移弧电流规范控制不当，是造成堆焊层成形不 好，使堆焊层内部及表面出现质量缺陷的主要原因。电流过小时，由于熔 池热量不够，母材及合金粉末熔化不充分，熔池中的气体和杂质不能彻底 浮出，造成未焊透、气孔、夹渣等缺陷;同时堆焊层形状系数较小，成形 较差。电流过大时，由于稀释率过大，合金成分变化，使堆焊层性能显著 降低。由于本试验中选用的堆焊材料有碳化硼，为了避免碳化硼在堆焊过 程中过度损耗，电流不宜过大，经过研究结果，暂取 1 4 0 - 2 5 0 a . ( 3 ) 堆焊速度堆焊速度是表示堆焊过程进行快慢的量。堆焊速度与 堆焊效率是直接相关的，在保持堆焊层宽度和厚度一定的情况下，焊接速 度越快，堆焊效率就越高，反之亦然。 ( 4 ) 喷嘴端面距工件的距离 ( h )喷嘴端面距工件的距离 ( 喷距)反 映了转移弧电压。喷距大，电弧长，电弧电压高，由于