（材料加工工程专业论文）等离子弧原位合成TiBlt2gt金属陶瓷涂层的缺陷及组织控制.pdf

中文摘要 硼化物陶瓷中的t ib 2 陶瓷因具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和 优异的耐磨耐蚀性，已成为近年来金属陶瓷研究的热点之一。作为一种特异高温 性能的功能材料，t ib 2 的烧结与喷涂却十分的困难，并且难以获得大厚度( m m 级) 的、结合牢固的致密涂层。等离子熔覆具有设备简单、熔敷效率高的特点， 可用于制备大厚度的、致密的含t i b ：金属陶瓷涂层。 本文采用等离子弧堆焊设备，通过钛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t i b 。金属陶瓷涂层。利用金相显微镜、扫描电镜、x 射线衍射仪、显微硬度计等设备对各熔敷层的缺陷、组织和性能进行研究。确定 了熔敷层的气孔、夹渣和裂纹的性质，并总结和分析了熔敷层稀释率、粉末粘结 剂( 水玻璃) 用量和试件烘干温度等因素对熔敷层的气孔、夹渣和裂纹的影响， 探讨了气孔、夹渣和裂纹等缺陷的形成机理，提出了降低熔敷层缺陷的一些措施。 文中对原位合成t ib 2 金属陶瓷熔敷层不同于其他熔池的凝固过程进行了分析，结 果显示，t i b ：的高熔点和在熔敷层上部聚集的特点，使t i b 2 涂层的上部早于熔敷 层内部凝固，并对熔敷层缺陷的消除有不利影响。 本文进行了粉末组成对原位合t i b 。金属陶瓷涂层影响的研究，对不同的原 料粉末熔敷的t i b ：金属陶瓷涂层的成型、组织和基本性能进行了分析，获得了较 佳的粉末配方，并发现当熔敷层t i 或c 过量时，熔敷层中会生成一定量的t i c 。 关键词：p t a ；原位合成； f i b 2 ；缺陷；组织控制 a b s t r a c t a sat y p i c a lb o r i d ec e r a m i c s ，t i b 2c e r a m i c sh a v eb e c o m ear e s e a r c h e dh o tp o i m b e c a u s eo fi t sh i g hm e l t i n gp o i n t , g o o dc h e m i c a ls t a b i l i t y , h i g hh a r d n e s sa n dg o o d r e s i s t a n c et oa b r a s i o n b u ti t ss i n t e r i n ga n ds p r a y i n gi sd i f f i c u l ta n dc a n ta c h i e v ea h e a v ys e c t i o n ，g o o dm e t a l l u 曙i c a lb o n d i n ga n dc o m p a c tc o a t i n g p l a s m a a r cc l a d d i n g ， w i t hs i m p l ea t t a c h m e n t sa n dh i g hc l a d d i n ge f f i c i e n c y ，c a nb eu s e di nf a b r i c a t i o no ft h e h e a v ys e c t i o n ，g o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n ga n dc o m p a c tt i b 2w h i s k e r t h et i b 2w h i s k e ri si n - s i t us y n t h e s i z e dd u r i n gt h er e a c t i o no ft h ea l l o yp o w d e r s e m p l o y i n gt h ep l a s m aa r cp o w d e rs u r f a c i n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sh a v e b e e nr e s e a r c h e db ym e t a i l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s t e r e o s c a ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，x r a y d i f f r a c t o m e t e ra n dm i c r o h a r d n e s st e s t e r t h ek i n do ft h eb l o w h o l e s ， c r a c k sa n d e n t r a p p e ds l a go ft h ec o a t i n gi sd e t e r m i n e d s u m m a r ya n da n a l y s i so f t h ei m p a c to f t h ed i l u t i o nr a t e ，t h em o u n tu s e do fb i n d e ra n dd r y i n gt e m p e r a t u r eo nt h eb l o w h o l e s ， c r a c k sa n de n t r a p p e ds l a gi sa l s ot a k e n t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef l a w si s d i s c u s s e d a n ds o m em e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dt or e d u c et h ed e f e c t si nt h ei n - s i t u s y n t h e s i z e dm e t a l - c e r a m i cc o a t i n gc o n t a i n i n gt i b 2b yp t a t h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s o ft h ec o a t i n gc o n t a i n i n gt i b 2 ，t h a ti sd i f f e r e n tf r o mo t h e rc o a t i n g ，i so na na n a l y s i s t h er e s u l t sa b o u tt h i ss t u d ys h o wt h a tt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft h eu p p e rc o a t i n g h a st a k e nb e f o r et h a ti ni n t e r i o rc o a t i n g ，b e c a u s et h em e l t i n gp o i n to ft i b 2i sv e r yh i g h a n dt h et i b 2w h i s k e rg a t h e r e di nt h eu p p e rl a y e r t h i ss o l i d i f i c a t i o np r o c e s sh a sa n a d v e r s ei m p a c to nt h ee l i m i n a t i o no fd e f e c t s i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo ft h ep o w d e rc o m p o s i t i o nt ot h et i b 2 m e t a l c e r a m i cc o a t i n gi sc a r r i e do n d i f f e r e n tr a wm a t e r i a l sp o w d e ri si nu s et o d e p o s i tt h em e t a l c e r a m i cc o a t i n gc o n t a i n i n gt i b 2 ，t h em o l d i n g ，s t r u c t u r ea n dt h e h a r d n e s so fw h i c ha r ea n a l y z e d ag o o dp o w d e rf o r m u l ah a sb e e no b t a i n e d i ti s d i s c o v e r e dt h a tw h e nt io rci nc o a t i n ge x c e s s i v e ，ac e r t a i na m o u n to ft i cw i l lb e g e n e r a t e di nt h et h em e t a l - c e r a m i cc o a t i n g k e yw o r d s ：p t a ，i n - s u i t s y n t h e s i z e d ，t i b 2 ，d i s f i g u r e m e n t ， m i c r o s t r u c t u r e - c o n t r o l l i n g 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，也不包含为获得鑫盗盔堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杂厩娟 签字日期： 2 矿年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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：殍霸东角 签字日期： p 。孑年多月占日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着工业化的不断延伸，机械零件的使用也渗入到社会生活的各个领域在实 际生产中，而机械零件的失效问题也一直是研究领域重点关注的问题。机械零件 的失效多数发生在表面或者从表面开始的。各种磨损，磨蚀，氧化所引起的失效 都发生在表面；扭转或弯曲疲劳断裂失效也是从表面开始的，裂纹源产生于表面 并逐渐向内发展，最后导致断裂【lj 。因此，提高零件的表面性能对延长零件使用 寿命和发挥材料潜力起着重要作用。 传统材料是按整体均匀性原则设计的，由于使用中经常存在着零件本体与表 面工作不同，造成零件要求的表面性能与心部性能如耐磨性与韧性，耐蚀性与强 度常常存在矛盾。在对零件进行整体处理时二者往往难以兼顾，因此，为了提高 整体性能的同时还希望对表面进行特殊处理，从而提高材料使用效率。各种强化 技术随之应运而生。这就使采用表面改性和表面强化技术来提高金属材料的表面 抗磨损和抗腐蚀性能的新技术成为当今研究的热点1 2 j 。 表面强化技术的根本目的在于： ( 1 ) 充分发挥材料潜力； ( 2 ) 节约贵重材料； ( 3 ) 制各具有特殊性能的表面层。 应用表面技术，有可能在广阔的领域中生产各种新材料和新器件，目前表面 技术己在制备高t c ( 临界温度) 超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、 纳米晶体材料、多孔硅、碳6 0 等新兴材料中起关键作用，同时又是许多光学、 光电子、微电子、磁性、量子、生物等功能器件的研究和生产上的最重要的基础 之一【3 4 】。表面技术术的应用使材料表面具有原来没有的性能，大幅度拓宽了材 料的应用领域，充分发挥材料的潜力。 按照表面强化技术的物理化学过程可将其划分为表面形变强化( 如喷丸、滚 压、激光冲击) ，表面热处理，化学热处理( 如渗c 、渗n 、c - n 共渗；渗b 、 a 1 、s ) ，表面冶金强化( 如激光合金化、激光熔凝强化、激光上釉、热喷涂( 等 离子喷涂、激光熔覆) ) ，薄膜强化( 如镀金属、复合镀、p v d 、c v d 、l c v d 、 注入n + 等) 。等离子弧堆焊作为- - f - 新兴的技术，由于其特殊的优点正以蓬勃的 第一章绪论 状态发展。 金属基陶瓷涂层是指涂在金属表面的耐热无机保护层或表面膜的总称。它能 改变金属底材外表面的组织形貌、结构及化学组成，并赋予底材新的性能【12 1 。随 着高新技术不断发展，工程机械、设备及构件的工作条件目益苛刻，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大、抗温度急变性差， 其应用也受到一定限制。因此，利用在金属表面加涂陶瓷涂层的方法，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。随着对材料的要 求不断提高，人们对金属基陶瓷涂层的研究也在不断深入，对涂层的形成机理及 使用过程中的失效机理的认识也越来越深刻，并不断地改进现有涂层的性能，发 展新涂层和新工艺。随着涂层种类的增加和涂层的广泛应用，涂层技术也日益得 到发展。 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t i b 2 高温金属陶瓷涂层。 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1 6 j ： ( 1 ) 用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵的涂层材料； ( 2 ) 能将微细( 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 2 6 等人研究了t i b 2 f e 金属陶瓷复合材料，在氩气环境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，氩气烧结有助于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 3 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 ( 1 一1 ) t i b 2 + i2 f e + b 4 c ，t i c + 6 f e 2 b ( 1 - 2 ) lss i g l 27 j 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w c 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w c c o 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w c c o 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 l j n g l 2 8j 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 p a n ) 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 0 2 + 8 f e + b 4 c +4 f e 2 b + t i 2 0 2 + c of ( 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 uk i m 2 9 】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 。c 真空条件下烧结l 小时后，通入氩气 在1 7 0 0 。c 条件下再烧结l 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得到高致密的t i b 2 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 金属陶瓷复合材料的机械性能，各种先进的制备工艺 第一章绪论 被用于制造高性能的t i b 2 金属陶瓷复合材料。傅正义 3 0 3 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 一f e 复合材料。结果表明这种工艺可以获得硬度均匀( 9 2 - - 一，9 3 h r a ) ，强度高的t i b 2 复合材料，并且制备过程简单快捷。p a n g e l i n i 3 2 】等人利用真空热压烧结技术 获得了不同粒径t i b ：2 0 n i 材料，并发现当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 1 1 r n 左 右时，t i b 2 2 0 n i 材料的机械强度可达8 0 0 m p a ，硬度为9 2 9 3 h r a 。傅正义【2 2 】 等人在研究s h s - 1 - 艺制备t i b 2 x a l 复合材料时发现，随着a l 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 l 基复合材料。 2 自蔓延快速加压技术( s h s q p ) 自蔓延快速加压技术( s h s q p ) ，是在自蔓延反应完成后，样品仍处于“红热 软化”状态时，对其施加轴向压力，通过晶粒重排和金属液相的毛细流动获得致 密材料。特点是耗时短( 整个过程几分钟完成) ，耗能少，产品尺寸可较大，有 利于实现工业化。傅正义1 3 4 , 3 5 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 e 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 2 复合材料，并且制备过程简 单快捷。傅正义1 33 j 等人在研究s h s 工艺制备t i b 2 a l 复合材料时发现，随着a l 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 l 基复合材料。 3 燃烧合成热压技术( c s h p ) 燃烧合成热压技术( c s h p ) ，也称为反应热压技术( r e a c t i o nh o tp r e s s i n g r h p ) ，是使原料发生热爆反应的同时，采用热压的方法使之实现致密化的技术。 该方法可实现弱放热体系的制备，过程较易控制，但对设备要求较高。王为民1 3 7 3 8 等人用此方法得到了9 9 理论密度的t i b 2 n i a i 复合材料并研究了工艺过程和产 物结构。 4 自蔓延冲击压实技术( s h s s c ) 自蔓延冲击压实技术( s h s s c ) ，是将自蔓延高温合成和冲击波压实结合在 一起，制备密实材料的技术。该方法将自蔓延反应的高温和冲击波产生的高压结 合起来，有希望得到较理想的材料，且耗时短，产品尺寸可较大。l a s z i o jk e c s k e s t 3 6 】 等人较早研究了t i b 2 的s h s s c 制备，得到了大于9 8 理论密度的t i b ：致密样 品。刘利等1 37 】人也进行了该技术的探索研究，设计了结构简单、成本低、完整回 收并重复使用的自蔓延冲击压实装置，实验得到了t i b ：c u 致密材料。 5 机械合金化技术( m e c h a n i c a la l l o y i n g ，m a ) 第一章绪论 机械合金化技术( m e c h a n i c a la l l o y i n g ，m a ) 是将混合粉末进行高能球磨， 使颗粒发生反复的变形、断裂、焊合，粒子不断细化，产生晶格畸变及缺陷，最 后原始颗粒的特性逐步消失，形成均匀的亚稳结构。t i a ny ic h e n g l 3 8 j 等人用 此方法得到t i b 。- n i a l ，然后进行低温烧结，获得性能更好的复合材料。 6 自蔓延高速锻造技术( s h s h v f ) 自蔓延高速锻造技术( s h s h v f ) 是在反应物发生自蔓延反应后，立即采用高 速锻锤锻打样品，使之实现致密化的技术。该技术耗时短、实验简单、容易操作， 但微裂纹问题尚待解决。d a r r e na h o k e 等【3 9 】人采用此技术得到了9 6 理论密度 以上的t i b 2 s i c 致密材料。此外，还有燃烧合成热等静压技术、x d 技术【4 0 】、熔 体浸渍技术等等。 在制备t i b 2 基陶瓷涂层方面，2 0 0 2 年，t a m a r ah 等采用电热爆炸喷涂法制 备t i b 2 t i n 复合涂层；2 0 0 4 年，h o l z s c h u hh 等采用化学气相沉积的方法在金属 表面制备t i b n 涂层，但制备成本很高；2 0 0 4 年，我国l o n gj m 等 4 1 j 采用在 熔融的盐浴电镀的方法在n i 金属表面制备成功t i b 2 涂层；同年，美国a g a r w a la d a h o t r en b t 4 2 】采用脉冲电极涂敷( p e s ) 和激光表面工程( l s e ) 两种方法在金 属表面制备成了t i b 2 涂层，但是这些涂层厚度只能限制在微米级水平，同时沉 积效率很低，无法在金属基表面制备大厚度( m m 级) 的t i b 2 涂层。 1 3 本课题研究的意义 纵观现有t i b 2 基陶瓷的制备技术，或需热压，或无法制备大厚度( m m 级) 的t i b 2 涂层，到目前为止还没有一种可以方便地制备大厚度t i b 2 级陶瓷涂层的 有效方法。等离子弧熔敷条件下t i b 2 基高温复合陶瓷的原位合成制备与控制研 究就是基于上述情况而提出的。其目的是想利用等离子弧的高温条件，在熔敷过 程中引发特定喷涂原材料间的合成反应生成t i b 2 基陶瓷。 2 0 0 2 年，王惜宝教授等人在天津市自然科学基金的支持下，通过f e t i 合金 和b 4 c 粉末间的原位反应，利用等离子弧熔敷工艺在铁基金属表面制备成功了 富含t i b 2 的硼化物陶瓷的金属一陶瓷复合涂层 4 4 4 6 。 王晓峰、孙洪玲等1 7 ，j 研究了t i b 2 金属陶瓷涂层的组织及其影响因素、涂层 的高温性能。彭小敏i lo j 对涂层的热力学进行了初步计算，尝试了其他原料配方熔 敷t i b 2 金属陶瓷，并进行了多到熔敷。 在以上研究中发现等离子弧制备t i b 2 过程中气孔、夹渣和裂纹等缺陷是较 易出现并难以控制的，而这些缺陷严重影响涂层的性能。本课题拟在以上研究基 础上，对熔敷层的缺陷控制、不同原料熔敷的t i b 2 金属陶瓷涂层的成型、组织 第一章绪论 变化和等进行研究，为制备不同要求的t i b 2 金属陶瓷提供理论依据。 、 本课题的研究成果，将有可能在各种金属零件表面，使之不仅保持原有基体 材料的高强度和高韧性，而且具有陶瓷材料的高硬度、高耐磨性和高的高温化学 稳定性等优点，从而可以获得良好的具有综合机械性能的大厚度覆层材料，适应 我国经济建设的需要，并将广泛的应用于国防工业等战略性领域。通过本课题的 研究，将可以丰富金属陶瓷合成的工艺方法，建立得到t i b 2 金属陶瓷涂层控制 的思路，加深对等离子熔覆工艺的认识，为t i b 2 的在不同条件下的应用提供一 的指导价值。 1 4 课题研究的内容 本课题拟解决的主要问题： ( 1 ) 等离子弧熔敷条件下，原位合成t i b 2 基高温复合陶瓷涂层夹渣、裂纹 和气孔等缺陷的形成机制和控制理论； ( 2 ) 杂质相的形成规律和控制理论； ( 3 ) 不同原料成分熔敷的t i b 2 的涂层成型及组织的差异。 第二章实验原理与实验方法 2 1 实验设备 第二章实验原理与实验方法 2 1 1 等离子弧堆焊设备 本试验采用的堆焊设备是九江科仁等离子弧堆焊设备配件厂生产的l p c 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 。 表2 1 等离子弧堆焊机的操作规范 该等离子堆焊机所使用的电源为z x g 3 0 0 硅整流直流焊机。该焊机工作电 压为3 0 - 4 0 v ，电流调节范围3 8 - - 3 5 0 a ，负载持续率6 0 ，具有陡降特性。 厂直流弧焊机 厂焊接电源 电流调节器 fl 焊接主电路 ii 等离子发生器 i 电气控制系刮裹霉妻哿鲨萎机构 l l 等离子堆焊设厂冀蓊构 lj 焊枪移动机构 l 机械装置 7 6 5 0 3g 0 三1 0 第二章实验原理与实验方法 2 3 实验方法 2 3 1 实验方案 王晓峰等人【7 8 】利用等离子弧堆焊设备在普通碳钢的表面，采用f e t i 和b 。c 粉末成功的原位合成出t i b 2 金属陶瓷涂层，并对涂层的高温性能进行了研究。 孙洪玲等【9 】对该金属陶瓷涂层原位合成的等离子堆焊工艺进行了研究，总结了工 艺参数对t i b 2 金属陶瓷涂层成型的影响因素，而且使用f e b 成功的部分取代了 b 4 c 。彭小敏等【旧j 对该金属陶瓷涂层原位合成的热力学和动力学计算，通过实验 总结了不同的粉末成分、焊接电流以及预涂层厚度对熔覆层的冶金过程有很大的 影响，并通过多道熔覆工艺制备出含t i b 2 的大厚度梯度涂层。 在此工作基础上，本实验方案设计主要包括： ( 1 ) 原位合成的t i b 2 金属陶瓷涂层的气孔和夹渣等缺陷对涂层的性能和应用 有很大的影响，本实验拟通过对熔敷层的形貌和显微组织的观察，探究粘结剂、 烘干温度、焊接工艺等对熔敷层缺陷和组织的影响； ( 2 ) 为了探究生成t i c 生成的倾向性，及t i b 2 的形成机制，我们设计了不同 的配方。 2 3 2 实验准备及实验步骤 1 试样的准备 预置涂覆层的性质对熔敷层的成型质量会产生一定的影响，必须按照一定的 步骤认真细致的进行。 ( 1 ) 试验钢板表面除锈使用手砂轮对试验钢板进行表面除锈，防止铁锈、 油污进入熔覆层造成的不良影响。 ( 2 ) 预置涂层将不同成分的合金粉末按照配方设计的比例机械混合均匀， 利用水玻璃作为粘结剂制成团聚物，将合金粉末团聚物按照实验的要求的尺寸 ( 厚为3 m m 宽为1 2 - 1 3 m m ) 在试件表面制备预置涂层。并将该试件置于室内阴 干至少1 2 小时左右。 ( 3 ) 试件烘干在堆焊前将试件加热到规定温度并保温一定时间，冷却至室 温之后尽快进行焊接。 2 试验步骤 ( 1 ) 将试件置于工作台上，调节焊枪喷嘴距试件表面距离约为1 5 m m 。 ( 2 ) 检查等离子堆焊机状态，做好准备工作，检查设备的水、气、电路和机 械设备是否正常，打开冷却水，通氩气。 第二章实验原理与实验方法 ( 3 ) 接通控制柜电源，按照预定参数调节各个指标至给定值。 ( 4 ) 启动，进行焊接。 ( 5 ) 焊接结束后，先关闭焊机和控制柜电源，再关闭氩气和冷却水。 2 3 3 涂层观察及其基本性能的测试 1 稀释率的测定 在根据本实验室前辈的研究中，我们可以看出稀释率对涂层的成分、组织及 其性能有很大的影响【4 3 舭】。 稀释率是涂层的合金元素因熔化的基体材料混入而发生变化的程度：可以通 过测量整个熔覆层的合金元素的含量的变化来反映，也可以通过测量熔覆层的截 面积来计算出稀释度的大小： 稀释率= 基体金属被熔化的面积( 覆盖层的面积+ 基体金属被熔化的面积) 通常熔覆层的面积可以利用网格显微镜读数的方法，缺点是测量过程比较麻 烦，不太方便而测量熔覆层的宽度和高度比较容易。通过测量涂层的形状系数 ( a s p e c tr a t i o ) ，可以方便地计算出稀释率的大小。 图2 2 为等离子熔覆层稀释度计算方法示意图。由于等离子束的能量呈正态 分布，因此扫描后涂层横截面轮廓可以看成圆弧线。假如弧a d c 的半径为r l ， 弧a b c 的半径为r 2 ，已知宽度a c - - w ，高度e d = h l ，e b = h 2 ，则涂层的稀释率 5 6 1 为： 此公式可以方便地编成计算机程序，只需输入w h l ，h 2 值就可以得出稀释度 的大小。 a 么 ： l 图2 2 熔池稀释度算示意图 孺熹焉 释陆 第二章实验原理与实验方法 熔敷层计算稀释率的个参数的测量，均采用本试验室的体式显微镜进行测 量。 2 、组织的观察 金相检验是确定熔覆后金属材料制品质量的重要手段之一。主要用来分析和 观察常规熔覆层中较大视域范围( 单个视域尺寸达几十到几百微米) 内基体组织 和第二相的尺寸、形态和分布特征。从熔覆层横断面的金相显微熔覆分析结果中 可以初步观察到涂层横截面的整体显微组织特征和不同工艺参数对熔覆结果的 影响，对熔覆结果进行评定。 将等离子弧堆焊后的试件在空气中冷却至常温后，用无齿锯( 砂轮锯) 将试 件切成2 5 2 0 m m 的金相试块，经预磨、抛光后，用4 硝酸酒精腐蚀，在o l y m p u s g x 5 1 光学显微镜下观察金属陶瓷涂层组织，将典型组织照相。 扫描电镜主要对试样表面作形貌观察，即用来观察熔覆层中较小视域范围 ( 单个视域尺寸为微米级) 内熔覆层组织、尺寸、形态和分布特征。对二硼化钛的 颗粒的分布形态及尺寸及熔覆层内较小范围的组织进行观测分析。 实验使用j s m 5 6 0 0 l v 型扫描电镜。扫描电镜试样制备过程与金相试样制备 过程相同。 3 、x 射线衍射( x r d ) 分析 x r d 分析是确定熔覆层中向组成的重要手段之一。主要是对己知元素存在 但不知其存在结构的情况下的熔覆层进行分析，通过晶体对x 射线的衍射可测 定晶体的对称性、各晶面族的取向、晶面间距和晶轴取向等；通过衍射角与衍 射峰的强弱对照粉末衍射卡片可以确定熔覆层中主要的相组成。 本试验利用x r d 6 0 0 0 型x r d 分析仪分析涂层表面，研究复合涂层中物相 组成。 4 、硬度的测量 在测定显微硬度时，试样测试面须磨光或抛光，再根据试样的性质、厚度选 定负荷值。测试时，所得压痕应为轮廓清晰的棱形，以保证测量精度。显微 硬度 常用维氏硬度计测定，每一点的硬度值均是按下式计算 h v = 1 8 5 4 4 p d 2 ( k g f m m 2 )( 2 1 ) 式中：p 为试验用载荷，单位为k g f d 为压痕对角线的平均长度，单位为m m 。每 个材料的硬度值为三点平均值。 熔敷层横截面各组织显微硬度测试：d i g i t a lm i c r o h a r d n e s st e s e r m h v 2 0 0 0 型显微硬度计。对于不同硬度的组织，分别采用不同的载荷进行测定。 第二章实验原理与实验方法 熔敷层的宏观硬度测试采用h v a 一1 0 a 型小载荷维氏硬度计。 2 3 4 工艺参数 等离子弧熔敷层的质量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、获得理想的熔敷层质量【9 j 。 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及喷嘴直径等。 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。 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如下。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 影响熔敷层质量转移弧电流规范控制不当，是造成熔敷层成形不好， 使熔敷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；同时熔敷层形状系数较小，成形较差。电流过大时，由于稀 释率过大，合金成分变化，使熔敷层性能显著降低。本试验中采取的电流范围为 8 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，在保持熔敷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。本实验采用的焊速约为9 6 r a m r a i n 。 第二章实验原理与实验方法 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，由于电弧在这段距离内未受到喷嘴的 压缩，而使弧柱直径扩大，因此受到周围空气的影响较大，使得电弧稳定性和离 子气对熔池的保护作用变差。喷距小，堆焊时飞溅粘结在喷嘴端面较严重，容易 造成内外喷嘴及外喷嘴与工件之间短路。一般视试件厚度及电弧电流大小，在 1 0 2 0 m m 范围内调节。根据本实验的条件，喷嘴端面距工件的距离保持在1 5 m m 左右。 5 焊枪摆动幅度和频率焊枪摆动是为了一次堆焊获得较宽的熔敷层。因 此，摆幅一般根据喷焊层宽度的要求而定。 单位时间内焊枪摆动次数称为摆频( 单位：h z ) 。摆频的选择应保证电弧对 熔敷层的均匀加热，避免熔敷层边缘出现“锯齿”状。摆频和摆幅要配合好，一般 摆幅宽，摆频要适当减慢：摆幅窄摆频可适当加快，以保证基体受热均匀，避免 未焊透的现象。本试验条件下枪体摆频在0 7 8 h z 为宜。 第三章熔敷层的缺陷研究 第三章熔敷层的缺陷研究 由于二硼化钛具有很多的优异性能，具有很大的应用价值和前景，尤其本课 题是在高温等离子弧的作用下，通过原位化学反应生成所需要的、具有良好冶金 结合的、具有一定以t i b 2 成分梯度的高温涂层。该制备方法所需设备更简单， 生产的效益更高，产品成本更低，适用范围更广。但是高脆性是t i b 2 的弱点， 加之在等离子熔敷条件下，热量集中，冷却速度极快，t i b 2 与金属间线胀系数差 别大，极易出现内应力、裂纹和气孔等缺陷，影响t i b 2 基高温复合陶瓷涂层的 应用。所以本实验对涂层的缺陷产生的影响因素进行了研究。 3 1 试验方案 3 1 1 试验因素的选择 对于t i b 2 高温金属陶瓷涂层，常见的缺陷有气孔，裂纹和夹渣。这些缺陷 是t i b 2 金属陶瓷涂层制备过程较易出现的，是对t i b 2 金属陶瓷应用于生产实践 的较大的阻碍。解决好这些缺陷的控制问题，我们才更好的控制t i b 2 高温金属 陶瓷涂层的性能，根据不同的需求，制备符合要求和经济性的t i b 2 金属陶瓷涂 层。 根据本试验室制备t i b 2 金属陶瓷涂层的工艺过程，借鉴其他焊缝和涂层的 关于缺陷的相关研究结果，对t i b 2 金属陶瓷涂层的性能和缺陷有较大影响的因 素有：所用粘结剂、预制涂层的烘干温度、线能量( 包括电压、电流、行走速度、 摆动频率、重叠率等) 、散热情况( 基体的尺寸和材质、预热、缓冷等) 等等。 由于本试验室目前的条件，未作不同散热情况对陶瓷涂层缺陷的影响分析。 从以前本试验室做过的工作和多次的试验，发现线能量( 包括电压、电流、 行走速度、摆动频率、重叠率等工艺参数及其组合) 对缺陷和组织的影响很复杂， 在同等线能量规范下可能得到熔敷层的缺陷和组织情况很不一样，并且在实践应 用中由于应用条件( 基体尺寸、材质等) 和熔敷层要求的不同，最佳工艺参数会 有较大的变化，只能根据不同的生产实践的条件，通过正交实验等试验方法探索 出具体情况下的较佳参数，所以在现有试验室的条件下得出所谓最佳工艺参数也 是没有太大应用价值的。 第三章熔敷层的缺陷研究 但是通过多次试验，我们发现虽然线能量对缺陷的研究较为复杂，熔敷层的 稀释率对涂层的缺陷和组织有很大的影响，并且线能量和散热等情况也很大程度 上是通过稀释率对熔敷层产生影响的。因此我们将稀释率作为一个重要的因素来 研究。 3 1 2 试验方案 我们确定了试验因素为稀释率、粘结剂用量、烘干温度三个因素，为了测定 定各因素对于熔敷层缺陷的影响，我们保持其他各因素不变，只改变所研究因素。 之后通过对熔敷层形貌的分析，确定表面缺陷；通过金相照片对熔敷层的内部的 气孔、裂纹和夹渣的性质和数量及其分布进行分析；通过x 射线衍射和扫描电 镜对熔敷的组织和缺陷作定性分析。 试验采用8 0 f e t i + 2 0 b 4 c 的粉末配方，见表3 1 。其他参数为：焊接电 流为1 3 0 a ，转移弧电压为3 0 v 左右；行走电压为4 0 v ，摆动电压为3 5 v ；离子 气及保护气流量分别为0 3 m 3 h 和0 2 m 3 h 。 表3 1熔敷层缺陷研究试样参数 3 2 稀释率对熔敷层缺陷的影响 试样l 与试样5 除稀释率外，各规范均相同，我们选试样1 和试样5 研究稀 释率对熔敷层的影响。 第三章熔敷层的缺陷研究 3 2 1 熔敷层表面缺陷分析 号稀释宰5 48 5 号稀释率1 2 1 3 号稀释率5 48 5 号前段稀释率1 22 5 号后段稀释率1 3 2 o 图3 - l 不同稀释率熔敷层的表面形貌及横截面全貌 从图3 - 1 中i 号和5 号的表面形貌可以看出熔敷层与基体结合紧密表面 无明显裂纹，熔敷层成型较平整。5 号表面无气孔。i 号试样熔敷层某处边缘有 几个微小气孔，但并不多仅局限于某个较小的区域，其内部光滑，气孔直径为 o1 2 5 r a m ，如图3 2 ，因此可推断此气孔为氢 气孔，可能是涂层中残留的少量结晶水所致。 对比这两个试样，1 号的熔敷层较为铺 展，熔宽为2 23 m m ，熔高15 9 m m ，熔深 1 9 3 m m ，熔高较小。熔深较大；5 号的熔敷 层较为收敛，前段熔敷层熔宽1 06 m m ，熔高 34 2 m m ，熔深o5 i m m 。后段熔敷层熔宽 1 4o m m ，熔高32 5 r a m 熔深05 i m m 。熔高 图3 0l 号表面气孔断面 第三章熔敷层的缺骼研究 均大，熔深较小从而使基体对熔敷层成分的稀释作用很小。 5 号前段和后段的稀释率不同，后段较前段的稀释率大这可能是因为前段 在焊接时基体和预置涂层均为常温，在焊接过程中等离子弧不断对其加热，而试 板尺寸较小( 1 3 0 2 5 x 1 2 m m ) ，散热较差，等焊接至后段时，试样己被加热至较 高温度，从而使后段熔敷层所获得的能量较大。熔敷层稀释率增大。 3 2 2 熔敷层内部缺陷分析 图3 - 3 为5 号试样的金相组织全貌，从该图中和图3 1 4 中我们可看出，1 号 试样的涂层中无裂纹，夹渣较少；5 号试样后段夹渣( 也有可能是气孔) 较多， 且主要集中在涂层的上部涂层底部有小裂纹；5 号试样前段夹渣尺寸增大，出 现较长的裂纹，底部出现近i m m 长的夹渣，此应为外部熔渣混入涂层所致。由 此可知，随着稀释率的降低，熔敷层的夹渣和裂纹倾向增大。 5 号前段稀释率1 2 2 5 号后段稀释率1 32 图3 - 3 试样5 金相组织全貌5 0 黑銎 第三章熔敷层的缺陷研究 笺蓑! 翁函惑速节i 峙一。- t 兰蚤0 叠鬻l 笼黧 图3 4 试样5 金相组织2 0 0 x 图3 - 4 为5 号试样的2 0 0 倍金相照片，从图中可以看出大量白色针状t i b 2 分布于白色基体上。对5 号试样的上部纵面所作的x r d 分析( 见图3 5 ) 显示， 熔敷层的相组成为 f i b 2 、f e 2 b 、a 1 2 0 、少量马氏体( a - f e ) 和c 等，其他相如 t i c 等仅通过x r d 上不能确定。从图3 5 可以看到，t i b 2 和f e 2 b 的衍射峰最 强，说明在熔敷层中