（材料学专业论文）两相流合金（nicrwre）粉体涂层炉内熔结及磨蚀性能研究.pdf

摘要 摘要 现代技术的发展要求材料具有高的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温抗 氧化等性能。在工程材料的实际服役过程中，磨损现象大多发生在材料的表面，材 料的最终服役性能取直接决定于材料表面的物理化学特性，往往脱离于整体材料的 其本性能。解决方法是应用表面工程的技术制造表面覆层材料，既具有良好综合性 能的新型材料和传统的材料结合在一起。目前，表面技术己得到较快的发展，但是 对于大平面涂层它们的生产率低；及被涂覆的基体体积薄时，由于喷涂层和基体的 温度差别大，造成基体的过热和变形量大，容易产生内应力及基体丌裂。而这两种 情况下，炉内烧结就有优势。 炉内熔结可对大平面的、复杂的金属工件进行表面覆层处理，并可进行，合会 粉末覆层的烧结和铸钢或铸铁的基体的热处理同时进行，从而大大提高生产率和节 约生产成本。目前，有关真空熔结的研究较多，但无保护气氛炉内熔结的研究即很 少有报道。因此本研究热处理炉内熔结的方法制备n i c r w r e 合金涂层。 本文对涂层的两种黏结剂进行比较，确定最好的黏结剂。选定炉内熔结的各个 参数，并找出合适的工艺参数，以便能制备出综合性能良好的涂层材料。熔结温度 对涂层材料的性能有很大的影响。对于温度的主要要求是，在熔结过程中能够保证 生产液相。使用高于液相形成的温度可以提高材料原子的扩散率、润湿性和固相在 液相中的溶解度，降低液相的黏度和增加液相的数量。涂层的孔隙率随着烧结温度 的升高而急速降低，但孔隙的尺寸却并不是简单随着烧结温度的升高而减少，而是 有一个小孔隙迁移合并过程，因此存在一段温度范围，在此温度范围内孔隙尺寸基 本不变。熔结涂层与基体结合面达到冶金结合，结合面附近的基体没有热影响区， 组织均匀。涂层与基体之间结合良好，界面干净整齐，无未熔合、裂纹和夹杂物等 缺陷。结合牢固的涂层为保证涂层具有良好的耐磨性创造了条件。 同时对涂层的摩擦磨损性能进行研究，探导涂层的摩擦磨损性能机制。与 c r l 8 n i l 2 m 0 2 t i 材料相比涂层有很好的耐磨性能。在低于i o o n 的载荷下，涂层材料 的质量损失和摩擦系数随载荷增加而变化的幅度不大。而当载荷大于i 5 0 n 时，随 着载荷的增大，涂层的磨损质量损失和摩擦系数都激烈的增加。从磨损型貌来看， 涂层能给硬质相提供良好承载能力。稳固的硬质相使涂层材料具有超强的利磨性 能。 关键词：涂层炉内熔结磨损机制耐磨性 a b s tr a t e d e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n i q u er e q u i r em a t e r i a lp o s s e s ss u p e r n a l r i g i d i t y ，i n t e n s i t y ： w e a r r e s i s t a n c e ，c a u s t i c i t yr e s i s t a n c e ，h i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c e i nt h ec o u r s eo fs e r v eo f e n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，m o s to fw e a rp h e n o m e n o nt a k ep l a c eo nt h es u r f a c eo f m a t e r i a l t h ef i n a l l ys e r v ec a p a b i l i t yd e p e n dd i r e c t l yo nc h a r a c t e r i s t i c o fp h y s i c a lc h e m i s t r yo fm a t e r i a ls u r f a c e s o m e t i m e st h e ya r ed i v o r c e df r o m c a p a b i l i t yo fi n t e g e rs t u f f t h er e s o l v e n ti sa p p l y i n gs u r f a c ee n g i n e e r i n g i nm a k i n g c o a t i n g i th a n gc o l l i g a t ec a p a b i l i t yn e wm a t e r i a lw i t h c o n v e n t i o n a lm a t e r i a l n o w ，s u r f a c ee n g i n e e r i n gh a dd e v e l o p e dr a p i d l y b u t t h e yh a v ei o wp r o d u c t i v i t yi nm a k i n gb i gc o a t i n g w h e nb u l ko fs u b s t r a t e i st h i n ，t h eg r e a tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nc o a t i n ga n ds u b s t r a t em a k e g r e a td i s t o r t i o na n dh e a to fs u b s t r a t e ，o nt h eo t h e rh a n d ，r e m e l t i n gi nt h e s t o v ei sg o o d r e m e l t i n gi ns t o r ec a nd e a lw i t ht h eb i gs u r f a c eo fm e t a lw o r kp i e c e a n di tc a nd e a lw i t ht h ec o a t i n ga n dh e a tt r e a t m e n ts u b s t r a t ea tonet i m e s oi tc a ni m p r o v ep r o d u c t i v i t yr a p i d l ya n ds a v i n gp r o d u c ec o s t n o w t h e r e i sm u c hs t u d yo fv a c u u mr e m e l t i n g b u tt h e r eaf a tl o ts t u d yo fr e m e l t i n g i ns t o v e ，w h i c hh a sn ou n p r o t e c t e da t m o s p h e r e s ot h i sp a p e rs t u d ym e t h o d o fr e m e l t i n gn i c r w r ec o a t i n gi nh e a tt r e a t m e n ts t o v e t h i sp a p e rc o m p a r e dw i t ht w os o r to fc l i n gm a t t e r ，a s c e r t a i nt h eb e s t o n e s e l e c t i n ge v e r yp a r a m e t e ro fr e m e l t i n gi ns t o v e ，s ot h a tt h ef a v o r a b l e c o l l i g a t ec a p a b i1 i t yc o a t i n gc a nb em a d e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo r t h ec a p a b i l i t yo fc o a t i n g h e a t i n gt e m p e r a t u r em u s tb es u r et oy i e l d i n g l i q u i di nt h ec o u r s eo fr e m e l t i n g u s i n gt h et e m p e r a t u r et h a ta b o v el i q u i d f o r m a t i v et e m p e r a t u r ec a ni m p r o v ed i f f u s i v i t yo fa t o m ，s o l u b i l i t yo fs o l i d a n dd e p r e s st h es t i c k i n e s so f1 i q u i d t h er a t eo fh o l eo fc o a t l n gd e p r e s s r a p i d l yw i t hi n c r e a s i n go fr e m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，t h ed i m e n s i o no fh o l e d o n td e p r e s sw i t ht h ei n c r e a s i n go fr e m e l t i n gt e m p e r a t u r e t h es m a i ih o l e h a st om o v ea n du n i t e s ot h e r ei sar a n g eo ft e m p e r a t u r e i nw h i c ht h e d i m e n s i o no fh o l ed o n tc h a n g ew i t ht h er e m e l t i n gt e m p e r a t u r e t h e r ei s m e t a l l u r g yc o m b i n eb e t w e e nc o a t i n ga n ds u b s t r a t e t h e r ei sn o tah e a te f f e c t s e c t i o no fs u b s t r a t e t h ef i r mc o m b i n eo fc o a t i n ga n ds u b s t r a t ep r o v i d et h e c o a t i n gw i t hf a v o r a b l ewearr e s i s t a n c e a tt h es a m et i m e t h ec a p a b i l i t vo ff r i c t i o na n da b r a s i o nw e r es t u d i e d ， d i s c h s s e dt h ep r i n c i p l eo ft h ec a p a b i l i t vo ff r i c t i o na n da b r a s i o n t h e r e s u l ts h o w e d ：i th a sb e t t e rc a p a b i l i t yc o m p a r e dw i t hc r l 8 n i l 2 m 0 2 t i u n d e r t h el o a do fi o o n ，t h ec h a n g eo fl o s ew e i g h to fc o e f f i c i e n ta n df r i c t i o n c o e f f i c i e n ti sn o tv e r ye v i d e n t b u tw h e nt h e1 0 a de x c e e d1 5 0 n ，w i t ht h e i n c r e m e n to fl o a d ，t h el o s ew e i g h ta n df r i c t i o nc o e f f i c l e n tw i l lb ec h a n g e d 摘要 o b v i o u s l y s oc o a t i n gc a np r o v i d e dw i t hb e t t e rc a p a c i t yo fb e a rt h ew e i g h t f o rr i g i dp h a s ef o r mt h es h a p eo fa b r a s i o n ，a n dc o a t i n gm a t e r i a l sw e l lh a v e t h eg o o dc a p a c i t yo ff r i c t i o nb e c a u s eo fr i g i dp h a s e 。 k e yw o r d s ：c o a t i n g ，r e m e l t i n gi ns t o v e ，p r i n c i p l eo fwear，wearr e s is t a n c e i l 原创性声明 三i 。7 2 1 0 2 9 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及取 得的研究成果。除了论文中特别加以标注的部分以外论文中不包含其他人 已经发表的论文或研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学 位或证书而使用过的资料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在 论文中作了明确的说明。 储躲参，叩位 时间：2 0 0 5 年5 月 关于学位论文使用授权说明 木人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国 家或甘肃省有关部门规定送交学位论文。 作者签名 导师签名 时间： 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 第一章绪论 1 。两相流抗磨蚀合金材料简介 现代技术的发展要求材料具有高的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温抗 氧化等性能。锻造、铸造等传统的加工工艺无法生产出性能很好的材料，往往硬度 高的材料耐磨性能好，但脆性大强度和韧性差。解决方法是应用表面工程的技术制 造表面覆层材料，既具有良好综合性能的新型材料和传统的材料结合在一起”。“。 因此覆层材料是由两种或两种以上的不同材料组元复合而成的一种新型多层材料。 两相流抗磨蚀合金材料是覆层材料的一种，主要思想是把两相流抗磨蚀合会材 料制成粉末，用各种熔覆技术熔覆在基体材料上，形成很薄的覆层材料，具有很好 的抗磨能力、耐腐蚀能力和耐高温抗氧化能力。是应用于各种泵行业的锻造合金、 次成型和挤压成型的合金材料，不存在整体铸造材料在铸造、锻造和挤压过程产 生脆断、裂纹和不易成型、加工困难等问题。可以在成型容易、韧性较高的材料成 型之后表面熔焊两相流抗磨蚀材料，还可以在结构件局部实施喷熔达到耐磨耐蚀的 目的。两相流抗磨蚀合金粉体材料的硬度可适当调整，根据不同的使用场所可降低 或提高材料硬度，针对实际产品使用情况，可以通过其化学成分配比，达到使用效 果最佳的目的。 两相流抗磨蚀合金材料覆层的强度和其它性能主要取决于致密度。“、硬度、组 织结构、相组成及其分布。 1 。2 两相流抗磨蚀合金材料的发展状况 1 2 1 国内发展状况 国内抗磨蚀工件能同时承受固态和液态两物流冲刷磨蚀的材料大多采用整体 铸造材料和符合材料，由于受铸造和加工工艺的影响，材料不能同时具备很好的综 合性能和良好的铸造性能，使整体铸造材料的使用范围受到很大限制，为了解决这 种矛盾，广大科技工作者不断研究开发新型的两相流抗磨蚀合金材料，同时也在研 究开发两相抗磨蚀合金粉体材料和产品，目前已有一些两相流抗磨蚀粉体材料与国 外材料性能相当，但大多数用于军工、医疗、航天等特殊行业，原因是成本比较高， 有些零部件受工艺方法及加工设备限制，使用范围受到很大影响，因此研究丌发两 相流抗磨蚀合金粉体材料及耐磨粉体产品，同时必须研究两相流抗磨腐蚀合金材料 第一章绪论 粉体材料及产品的加工工艺方法，两者必不可少。 上世纪7 0 年代后，我国的油浆泵泵体泵盖主要以c r 、m o 、v 等合金铸铁材料 为主。因为，合金铸铁具有良好的铸造性能和较好的耐磨性能，并且制造成本较低， 被广泛应用于各个行业。但是，合金铸铁的耐磨腐蚀性能差，不能很好的满足使用 要求，工件的使用寿命一般在三个月至半年时间。8 0 年代以后改用前苏联z g c r s m o 或者z g l c r l 3 、3 c r l 3 等合金钢材料沿用至今，材料韵性能优于合金铸铁材料，但 成本较高，铸造性能较差，耐磨性能、高温抗氧化性能和耐磨腐蚀能力不是很理想， 工件的使用寿命般在一年左右。材料的化学成分、机械性能见以下表卜l ，卜2 表l - i ：材料的化学成分 t a b l e 1 1c h e m i ce l e m e n to fm a t e r i a l 项目 cs im nc rm 0n iwr e 杂质 z g c r 5 m 0 6 64 0 04 5 0 155 56 00 606 01 5 高铬铸铁2 o 一0 4 一0 ，6 1 4 一1 o 一s (p 3 0o 60 91 63 0o 0 5o 0 52 o 美国的17 i 0 1 1 s p l c r l 8 n i 0 1 01 9 3 o 130 0 30 ，0 4 l5 1 2 m 0 2 t i 新材料 1 o 一 3 o 一f e 1 6 b 3 0 5 5 3 0 o 2 9 0 。，则vm y 。+ y 。图表示介于两者之间，为部分润湿的状态，0 。 o 9 0 0 。 图2 9 润湿角 f i g 2 9w e t t i n ga n g l e 涂层熔结需满足酌条件就是润湿角o 9 0 。，熔结丌始时液相即生 成，也会很快跑出涂层，称为渗出。这样熔结合金中的低熔点成分将大部分损失掉， 使熔结致密化过程不能顺利完成。 ( 2 ) 溶解度 固相在液相中有一定溶解度是涂层溶结的又一个条件，因为固相有限溶解于液 相可改善润收性；固相溶解于液相后，液相数量想对增加；固相溶于液相，借助液 相进行物质迁移；溶在液相中的组分，冷却时如能析出，可添补固相颗粒表面的缺 陷和颗粒间隙，从而改善固相颗粒分布的均匀性。 但是，溶解速过大会使液相数量太多，对熔结过程不利。例如形成无限互溶固 溶体的合金，涂层结因烧结体解体而根本无法进行。 ( 3 ) 液相数量 涂层熔结，应以液相添满固相颗粒的间隙为限度。熔结开始，颗粒间隙较多， 经过一段涂层熔结后，颗粒重排并且有一部分小颗粒溶解，使孔隙被增加的液相所 填充，孔隙想对减少。一般认为，液相量以占熔结体体积的2 0 一5 0 为宜，超过则 不能保证产品的形状和尺寸；少了熔结体内会残留一部分未被液相填充的孔隙，而 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 且固相颗粒将因直接接触而过分产长大。 2 4 2 炉内熔结参数对涂层性能的影响 ( 一) 熔结温度对涂层性能的影响： 对于温度的主要要求是，在涂层熔结过程中能够保证产生液相。使用高于液相 形成的温度可以提高材料原子的扩散率、润湿性和固相在液相中的溶解度，降低液 相的黏度和增加液相的数量。在较高的温度下，界面的偏析也较低。在持续涂层熔 结中，所有这些因素都有助于提高致密化的速度。为了达到最佳致密化和使显微组 织的粗化程度降低到最低，在实践中需要将温度和时间结合起来进行考虑。当熔结 温度提高时，由于材料原子的扩散速率提高和液相数量增加，其最佳熔结时间可缩 短”。但是较高的温度会造成晶粒的更快长大，过量的液相会造成熔池中液相的流 淌，熔层变形。因此温度的确定就显的非常重要。 熔结温度的实验是一个摸索的过程，现分别以六个试样为例进行讨论分析。它 们分别是在9 0 0 度，1 0 0 0 度，1 0 5 0 度，1 1 0 0 度，1 1 5 0 度，1 2 0 0 度下熔结出来的。 1 熔结温度对孔隙率的影响 在9 0 0 进行熔结，炉外空冷冷却后，观察试样发现，合金粉术涂层表面发黑， 与基体之间的结合面有明显的裂缝，轻轻敲打，合会粉末涂层就掉下，但还保持块 状，块状的涂层掉下后只用基体敲打就断裂，从断裂口看涂层中还有合金粉末存在。 分析说明熔结温度太低，合金粉末涂层还未熔化，即还未有液相出现。也未形成自 造渣不出现自保护膜，合金粉末涂层氧化过重，被烧黑。涂层和基体的结合很弱， 远达不到应用要求。同时涂层的粉末之间也未能熔结成冶金结合体，因此涂层密度 基本保持粉末的松装密度，孔隙率很高。温度应在进一步提高。 在1 0 0 0 。c 进行熔结，炉外空冷冷却后，结果和9 0 0 。c 下熔结的试样没有明显的 区别，孔隙率很高。 在1 0 5 0 。c 进行熔结，炉外空冷冷却后，结果和9 0 0 。c 及1 0 5 0 下熔结的试样相 似，但掉下来的合金粉末涂层用基体敲打不断裂，因此较上两种温度熔结的试样强 度较高。证明通过扩散涂层也形成一定强度的熔结涂层，密度得到提高，孔隙率降 低。 在1 1 0 0 。c 进行熔结，炉外空冷冷却后，合金涂层呈黑色如图2 i o a 用铁片刮其 表面氧化皮，没有层片状的渣层能成块掉下，显不金属色如图2 1 0 b ，用敲打的方 式以不能使涂层整体脱离基体，证明熔结涂层已出现液相并且局部地方合金粉末涂 层和基体已产生结合。用s e m 电镜观察孔隙度，涂层中的孔隙数量多，并且孔隙呈 多角形，涂层整体组织呈多孔组织，如图2 1 0 c 与2 i o d 。 在1 1 5 0 。c 进行熔结，炉外空冷冷却后，涂层表面覆盖一层泛浅绿色溶渣层，证 明熔结过程中涂层形成自保护膜防如图2 1 1 a 止熔池过分氧化烧损，避免了合金涂 23 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 图2 ，i o a 熔结表面 f i g 2 1 0 as u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a ti n g 图2 1 0 8 熔结表面 f i g 2 1 0 bs u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a t i n g 图2 i o c 涂层的s e m 照片x 5 0图2 1 0 d 涂层的s e m 照片x 5 0 0 f i g 2 i o cs e mm a g eo f t h ef i g 2 i o ds e mm a g eo ft h e c o a t i n g c o a t i n g 层的元素损失过量。刮掉氧化膜后，露出白亮的金属色如图2 1 1 b ，证明1 1 5 0 。c 熔 结过程中涂层涂层已熔结成密度较高的整体，用s b m 电镜观察如图2 11 c 与2 1 l d ， 孔隙率已明显减少，并且孔隙形状己由多角状变成圆孔形状。这可能是由于随着液 相的生成：颗粒的表面趋向于平整光滑，加上收缩力的作用致使多角形的孔隙变成 近圆形：同时固相颗粒在液相内近似悬浮状态受液相表面张力的推动而发生移动， 致使已变成小圆状的小孔隙迁移，当小孔隙相接触就会合并成更大的孔隙。因此 1 1 5 0 c 熔结的涂层孔隙在形状和数量上较1 1 0 0 c 熔结的涂层有变化，但尺寸上没有 24 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 变小甚至还要大一些。 图2 1 l a 熔结表面 f i g 2 1l as u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a t i n g 图2 1 1 b 熔结表面 f i g 2 1i bs u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a t i n g 图2 1 1 c 涂层的s e m 照片x 5 0图2 1 1 d 涂层的s e m 照片x 5 0 0 f i g 2 1 ls e mm a g eo ft h ec o a t i n g f i g 2 1 i ds e mm a g eo ft h ec o a t i n g 合金粉末被加热到生成液相的温度，随着液相的生成，固相颗粒在液相内近似 悬浮状态，受液相表面张力的推动而发生移动，因而液相对固相颗粒涧湿和有足够 的液相存在是颗粒发生移动的重要前提，并且从而发生快速致密化。颗粒孔隙中液 相形成的毛细管力以及液相本身的黏性流动，使颗粒调整位置、重新分布以达到最 紧密的排列。重新排列所引起的压坯致密化程度取决于液相的数量、固相颗粒尺寸 和固相颗粒在液相中的溶解度。通常，较细的颗粒有助于重新排列。通过重新排列 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 达到全致密化往往需要占熔结体积3 5 的液相量。固体颗粒在液相中的溶解度和扩 散速率也是重新期间致密化的主导因素“”。 在该阶段虽然孔隙的消除和颗粒的重新排列进行的很迅速，致密化的速度很 快，但由于颗粒靠拢到一定程度会形成拱桥，对于液相的流动阻力增大，因此，在 该阶段不可能达到完全致密。”。 图2 1 2 a 熔结表面 f i g 2 i o as u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a t i n g 图2 1 2 b 熔结表面 f i g 2 1 0 bs u r f a c eo ft h e r m a l s p r a y e dc o a tin g 图2 1 2 c 涂层的s e m 照片x 3 0图2 1 2 d 涂层的s e m 照片x 6 0 0 f i g 2 1 2 cs e mm a g eo ft h ef i g 2 1 2 ds e mm a g eo ft h e c o a t i n g c o a ti l q g 在1 2 0 0 。c 进行熔结，炉外空冷冷却后，涂层表面浅绿色熔渣层如图2 1 2 a 更易 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 于成块状落下，这是由于熔结更充分，渣层氧化更充分从而膨胀系数与涂层区别更 大，冷却后由于收缩程度区别大的原因。渣层掉块后涂层表面露出亮色的会属色如 图如图2 1 2 1 3 。s e m 观察如图2 1 2 c 与2 1 2 d 孔隙的形状为近似圆形并且尺寸较 1 1 5 0 的熔结层小很多，而且数量上也较少，如图几乎再找不到孔隙。其原因是小 颗粒的溶解度高于大颗粒，因此。在1 2 0 0 熔结涂层中小颗粒优先熔解，颗粒表面 的棱角和突起部分( 具有较大的曲率) 也优先溶解。在这种情况下，小的颗粒逐渐 减少，颗粒的表面趋向于平整光滑；相反，溶液中一部分过饱和的原子在大颗粒表 面沉析出来，使大颗粒趋于长大。这是固相溶解和析出即通过液相的物质迁移过程。 溶解和析出过程的结果是，颗粒的外形逐渐趋于球形，小颗粒逐渐缩小或消失， 大颗粒更加长大。这一过程使是颗粒更加靠拢，整个熔结涂层发生收缩。在溶解一 析出阶段，致密化速度已显著减慢，因此此时气孔已其本上消除，颗粒间距离更加 缩小，使液相流进孔隙更加困难“。 综上所述：涂层的孔隙率随着熔结温度的升高而急速降低，但孔隙的尺寸却并 不是简单随着熔结温度的升高而减少，而是有一个小孔隙迁移合并过程，因此存在 一段温度范围，在此温度范围内孔隙尺寸不变甚至变大。在熔结温度超过这个范围 后孔隙又接着变小。因此小孔隙的迁移合并是孔隙率降低的必要步骤。从孔隙率来 评价，1 2 0 0 熔结涂层的孔隙率已很低，选择1 2 0 0 熔结温度是可以的。 2 熔结温度对结合面的影响 图2 1 3 a 1 1 0 0 ( 2 结合面s e m 照片 f i g 2 1 3 a s e mm a g eo fi 1 0 0 图2 1 3 b 1 1 5 0 结合面s e m 照片 f i g 2 1 3 b s e mm a g eo f11 5 0 。c c f o s s - s e c t l o f tc r o s s - s e c t l o f l 如图2 1 3 a 为在1 1 0 09 c 熔结后，涂层与基体之间的结合面s e m 扫描电镜图。图 中左边是涂层的组织型貌，右边是钢基体的组织型貌。涂层与基体中间存在一条大 2 了 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 狭缝。经过机械加工后涂层还能与基体保持结合，证明l 1 0 06 c 熔结的结合面已达到 定的强度。但从扫描电镜图片上可以看出，涂层与基体之间还存在裂缝，因此结 合面也只有局部结合，不能在应用上提供足够的保证。 图2 1 3 c 1 1 5 0 结合界面线扫描图 f i 9 2 1 3 c e p mli n e a rs c a n n i n g c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i so f 1 2 0 0 c r o s s s e c t i o n 图2 1 3 d 1 2 0 0 结合面s e m 照片 f i 9 2 1 3 d s e mm a g eo f1 2 0 0 c r o s s s e c ti o n 如图2 1 3 b 为在1 1 5 0 熔结后，涂层与基体之间的结合面的s e m 扫描电镜相片。 图中左边是涂层的组织形貌，右边是钢基体的组织形貌。从图中可知涂层与基体之 间己不存在裂缝，并且有一条细条状的白亮带。这条白亮带的出现标志着涂层与基 体之间已形成冶金结合，由熔化理论”o 可知，这是因为涂层的熔点低于基体，涂层 中的熔池浸润基体表面，使基体表面有一定的稀释度，从而涂层与基体之问发生元 素互扩散，界面层的成分和组织都发生了变化，生成了新的化合物，并使界面层的合 金组织比原有合金组织的共晶点降低。由于基体和涂层合金化材料间存在熔点差， 致使熔化的发生往往存在两种情况：基体熔点高于合金化层熔点时，熔化首先从 表面开始：基体熔点低于合金化层熔点时，熔化首先发生在界面处。镍的熔点为 1 4 3 0 ，但由于镍合金粉内b 、si 和c 。的存在使合金粉末的熔点下降( 形成较低 的共晶温度) 为9 5 0 1 2 0 0 ，而基体钢的熔点则在1 2 0 0 1 3 0 0 。喷涂时在界面与 涂层之间形成新的低熔点化合物。先从结合界面处熔化，有利于形成牢固的界面结 合，磨损时涂层不易剥落，使材料的耐磨性得到提高。并且涂层与基体之问有元素 扩散，如图2 1 3 c 图中直线为扫描位置，波线为扫描结果；左边为涂层，右边为基 体。结合面附近的基体没有热影响区，组织均匀。 如图2 1 3 d 为在1 2 0 0 熔结后，涂层与基体之间的结合面的s e m 扫描电镜相片。 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 图中下边是涂层的组织，上边是基体的组织，涂层与基体之间有一条线状的白亮带 条。与1 1 5 0 熔结结合面间的白亮带相比，这条白亮带更清晰，更亮更粗些。显然 结合涂层与基体之间结合更好些，这可能是因为在1 2 0 0 c 熔结，涂层与基体之i 自j 的 元素扩散的更充分的原因。如图2 1 3 e 为1 2 0 0 熔结界面的电子探针进行的线分析 图，图中直线为扫描位置，波线为扫描结果；左边为涂层，右边为基体。可知涂层 中的n i 和c r 元素扩散到基体中的数量要比1 1 5 0 熔结的扩散量多。结合面附近的 基体没有热影响区，组织均匀。 图2 1 3 e 1 2 0 0 。c 的结合界面e p m 线扫描 f i 9 2 1 3 e e p m1 i n e a rs c a n n i n gc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n a l y s i so f1 2 0 0 e r o s s s e t i o n 图2 1 3 f 氧一乙炔火焰喷涂的结合面 f i 9 2 1 3 f c r o s s s e c t i o no f f l a m es p r a y e dc o a tin g 综上所述：1 1 5 0 和1 2 0 0 。c 熔结涂层与基体结合面达到冶金结合，结合面附近 的基体没有热影响区，组织均匀。涂层与基体之间结合良好，界面干净整齐，无未 熔合、裂纹和夹杂物等缺陷。结合牢固的涂层为保证涂层具有良好的酬磨性创造了 条件。而氧一乙炔火焰喷涂的结台面，没有白亮带出现，结合面附近的基体一侧 存在影响去，热影响区的组织要比基体的组织细，主要为马氏体组织，如图( 2 1 3 f ) 这是由于靠近熔池底部的基材温度高于临界点ac3 ，依靠基材的快速传热发生淬 火而得到马氏体组织。随着与结合界面距离的增加，加热温度不断降低，出相变区、 部分相变区最后过渡到基体原始组织。因此从结合强度来看，选择1 1 5 0 一1 2 0 0 的 熔结温度是合适的。 3 熔结温度对涂层的微观组织的影响 如图2 1 4 a 为1 1 0 0 熔结涂层的组织型貌，从图可看出涂层的微观组织细小均 匀单相组织，但致密度低，孔隙率高且孔隙多为不规则的多角形。其原因可能是由 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 于在l t 0 0 。c 熔结时粉末涂层中产生的液相量太少，不能填满粉末之间的空隙。涂层 只是依靠少量的液相和元素扩散把粉末合金结合成一体。而组织细小均匀是由于还 保留着粉末本身的快速凝固组织原故。 图2 1 4 a 涂层的s 尉照片x 1 0 0 0 f i g 2 1 4 a s e mm a g eo ft h e 图2 1 4 8 涂层的s e m 照片x 1 0 0 0 f i g 2 1 4 b s e mm a g eo f t h e 如图2 1 4 b 为1 1 5 0 熔结涂层的组织形貌，从图中看出涂层的微观组织细小均 匀的单相组织，并且致密度鞍1 1 0 0 熔结涂层高，基本上已看不到孔隙。原因可能 是1 1 5 0 熔结过程中，粉末合金涂层产生较多数量的液相，从而合会粉未能更好的 收缩靠拢，随着液相的生成，固相颗粒在液相内近似悬浮状态，受液相表面张力的 推动而发生移动，因而液相对固相颗粒润湿和有足够的液相存在是颗粒发生移动的 重要前提，并且从而发生快速致密化。颗粒孔隙中液相形成的毛细管力以及液相本 身的黏性流动，使颗粒调整位置、重新分布以达到最紧密的排列。重新排列所引起 的压坯致密化程度取决于液相的数量、固相颗粒尺寸和固相颗粒在液相中的溶解 度。固体颗粒在液相中的溶解度和扩散速率也是重新期间致密化的主导因素。组织 细小均匀的原因却是因为，合金粉末颗粒未完全熔化，使涂层还大部分傈留粉术颗 粒本身的快速凝固组织。 如图2 1 4 c 为1 2 0 0 熔结后的组织形貌，从图中可以看出涂层的组织已发生很 大的变化，晶粒度已变大，并且相组织也发生了变化，如图已不再是细小均匀单相 组织，而是有深灰色的多边形块状相如图2 1 4 d 中的l 点处，能谱分析其主要成分 为n i 、f e 、c r 等元素组成如图2 1 4 e ；及浅灰色的团状组织如图2 1 4 d 中的2 点处， 能谱分析其成分主要为c r 、f e 等元素组成如图2 1 4 f 。表明它们是强化相。镍基合 金涂层强化相是细小弥散的，其中最大的强化相尺寸也不超过7pm ，陔涂层合会是 弥散强化型合金，原因可能是在1 2 0 0 熔结过程中，合金粉末基本上全部熔化成液 第二章台金粉末涂层炉内熔结工艺研究 图2 1 4 c 涂层的s e m 照片x 6 0 0 f i g 2 1 4 c s e mm a g eo ft h ec o a t i n g 图2 1 4 d 涂层的s e m 照片x 1 5 0 0 f i g 2 1 4 d s e mm a g eo ft h ec o a t i n g 图2 1 4 e 第一点的能谱分析结果 f i g 2 1 4 et h ef i r s tr e s u i to fe p mc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s ：r * 卜 擎卿 蛀 ，_ 浏誊。i： k 一 女 。曩一纠：脚l。一j r 一- 6 雕! ：瞅一 一。 廷誊。，陌跫竺 图2 1 4 f 第二点的能谱分析结果 f i g 2 1 4 ft h e s e c o n dr e s u l to fe p mc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n a l y s i s 3l 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 相，然后在冷却是重新凝固结晶，由于空气中涂层熔层冷却较慢，组织没有粉末颗 粒细小均匀。 显微组织的粗化证明1 2 0 0 熔结已到达固相的溶解再沉淀阶段，固相在液相中 有一定的溶解度和扩散转移是溶解一再沉淀的必要条件。该过程的一般特征是显微 组织的粗化，或者称为o s t w a l d 熟化。固相在液相中的溶解度随温度和颗粒的形状、 大小而变化。小颗粒的溶解度高于大颗粒，因此，小颗粒优先熔解，大颗粒表面的 棱角和突起部分( 具有较大的曲率) 也优先溶解。在这种情况下，小的颗粒逐渐减 少，大颗粒的表面趋向于平整光滑：相反，溶液中一部分过饱和的原子在大颗粒表 面沉析出来，使大颗粒趋于长大。这是固相溶解和析出即通过液相的物质迁移过程。 综上所述：低于1 1 5 0 的熔结涂层，组织都较均匀，原因是合金粉末产生的液 相量少，晶粒没有长大，基本上还保留着合金粉末的细小组织，但致密度低，孔隙 率高。而1 2 0 0 。c 熔结涂层熔结过程中液相量较多，细小的粉末颗粒熔化，凝固时液 相以未完全熔化的大颗粒作为晶核长大，因此1 2 0 0 熔结涂层组织中各相组织粗 大，但致密度很高。 4 熔结温度与涂层硬度的关系 硬度是材料抵抗变形和破坏的能力，它代表着金属的软硬程度。硬度所表现的 局部变形代表了物体宏观上抵抗弹性变形、塑性变形和破坏的能力，是一个综合的 性能指标，它本身没有十分明确的物理意义。实验也表明，各种金属的其它力学性 能指标与其硬度之间存在着简单近似关系。不同金属的强度与硬度之剐存在一定的 经验关系式，所以用简单的硬度实验可以估计其它性能。出于硬度实验只涉及物体 表面层，所以它只代表表面层部分的性能。同时，硬度值的准确性受金属表面状态 影响，通常表面不允许有凸凹、氧化皮、划痕、锤痕及皮下气孔和裂纹等，以防影 响测定值。硬度实验方法简单、不致破坏工作重要部位，而且在材料成分、组织、 性能均匀时，局部区域测试的硬度也可反映整体的性能，所以可利用硬度和强度问 的经验关系，用硬度作为产品设计和验收的指标。同时利用硬度测定局部区域性能 的特定，可用硬度实验来检验材料的均匀性和工艺质量。常用硬度实验方法有布氏 硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 表2 2 涂层的硬度 t a b l e 2 2r i g i d i t yo fc o a t i n g 试样 12345 平均值 搞度 i i 0 0 1 51 31 61 2 41 31 3 8 8 1 1 5 0 4 85 1 4 8 、8 5 05 04 9 5 6 1 2 0 0 5 15 1 65 25 55 2 55 2 4 2 将试样圆柱面的一涂层端面粗磨、细磨，之后在h r s 一1 5 0 型数显电子洛氏硬度 第二章合金粉末涂层炉内熔结工艺研究 计测硬度，每个试样在不同位置测试5 个不同的硬度值，其平均值即为该试样的硬 度值。 9 0 0 ，1 0 0 0 ，1 0 5 0 涂覆层不能成型没有硬度可言。 11 0 0 ，11 5 0 ，1 2 0 0 。c 熔结涂层的硬度如下表2 2 。 分析，1 1 0 0 熔结涂层的硬度非常低，而当熔结温度升到1 1 5 0 后，涂层的硬 度有一个激增，平均硬度值从1 3 8 8 h r c 激增到4 9 5 6 h r c ，其原因是因为1 1 0 0 熔 结涂层的孔隙率很高，从而硬度很低，而当熔结温度升到了1 1 5 0 c 熔结涂层的孔隙 已大幅度降低，密度值激增从而使硬度有一个激增。当熔结温度升到1 2 0 0 后涂层 的硬度又再次增加但幅度较小，从l1 5 0 涂层的4 9 5 6 增到5 2 4 2 。虽然1 2 0 0 熔 结涂层的孔隙度比1 1 5 0 熔结涂层低很多，但1 2 0 0 熔结涂层的组织粗大了，导 致硬度变化不大。 ( 二) 熔结的加热速度对涂层性能的影响 在加热期间，材料的组分扩散的均匀性不但会影响在熔结温度下所形成液相的 数量，而且能够改变初始液相的成分并且因此而影响两面角和润湿角的大小，因加 热速度对于瞬时液相系统具有重要影响，如图2 1 5 ”。通常较快的加热速度是有利 的，但加热速度的快慢往往要受到实际工艺要求的制约，例如氧化物的还原、热传 递的均匀性、润滑剂的烧除和粘结剂的排除等。 在由熔结温度进行冷却期间，由于固相在液相中的溶解度降低而发生在沉淀，这就 提供了通过熔结后热处理控制制品的强度。由于冷却速度越快，基体中的合金元素 越容易达到饱和，因此得到的熔结温度就越高，但在液相凝固温度下，由于容易形 成凝固孔隙，因此过快的冷却速度是有害的。此外，冷却速度可以控制杂质的偏析， 从而造成制品的脆性，因此快速冷却是有好处的，因为它可以防止杂质的偏析和因 此而造成的相应脆性。根据以上所述，对于冷却速度的快慢不能概而论之，应该根 据具体情况的不同进行选择。 把预处理好的试样放入炉内随炉生温，当温度升到9 0 0 并保温2 0 分钟，总共 历时大约5 个小时，出炉冷却后，涂层完全被氧化，并且基体氧化也很严重。而实 验证明9 0 0 。c 熔结时涂层液相产生量还很少，涂层中的合金