（材料学专业论文）氩弧熔敷原位自生颗粒增强镍基复合涂层研究.pdf

t c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g s t u d yo n i n - s i t up a r t i c u l a t er e i n f o r c e d n i - - b a s e dc o m p o s i t ec o a t i n gb ya r g o na r c c l a d d i n g 一 c a n d i d a t e ：w a n gy o n g d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i ur u i t a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m a t e r i a l ss c i e n c e d a t eo fs u b m is s i o n ：j u l y ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：o c t o b e r ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j t 一 ：i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：锄百、 日期：舳哆年d 月6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：习诧玎 导师( 签字) ：天、，磊刍矽 日期： 卅年o 月彳目洲年d 月6 日 ll l 之- - 一 一南 叠 仅 鲁 k - 铽弧熔敷j 承位自生颗粒增强镍纂复合涂层硼究 捅要 在煤矿开采领域，刮板运输机中部底槽的主要材料为1 6 m n 钢，每年因 为磨损失效造成巨大的经济损失。为了提高1 6 m n 钢的耐磨性，本文采用氩 弧熔敷方法进行了n i 6 0 a 、t i c 和t i c n b 等材料体系的熔敷试验。优选出 了氩弧熔敷最佳工艺参数。利用x r d 、s e m 、t e m 等手段对涂层的微观组 织进行了分析；热力学计算了原位合成t i c 的可行性；研究了t i c 的形成条 件和长大机制，并测试了熔敷层在不同载荷作用下不同时间的摩擦磨损性能， 分析了磨损机制。 对不同预涂层厚度、熔敷电流、熔敷速度工艺参数下熔敷试验的硬度测 试结果表明，最佳熔敷工艺参数为：预涂层厚度为1 5 m m 左右，熔敷电流 1 2 0 a ，熔敷速度为8 0 m m s 。 微观组织和透射分析表明：熔敷层的组织分为三个区：熔敷区、稀释区 和热影响区，在热影响区和稀释区交界处存在扩散层。熔敷层与基体结合无 气孔、裂纹等缺陷，呈冶金结合。复合涂层内部组织存在明显的梯度分布， 在表层的颗粒相比较多。对复合涂层的能谱和物相分析表明：涂层组织由 7 - n i ，c r 2 3 c 6 、t i c 和( t i ，n b ) c 颗粒相组成。t i c 和( t i ，n b ) c 颗粒相弥散分布 在y n i 晶界和晶内，其形态为粒状、花瓣状、团絮状和树枝状。n b 元素固 溶到t i c 颗粒相中，形成( t i ，n b ) c 化合物。合金粉末中n b 含量越高，( t i ，n b ) c 的n b 含量就越高。t i c 颗粒与基体金属的结合界面洁净，无反应物、附着物 和非晶相，界面清洁。 热力学分析证明氩弧熔敷条件下，熔敷过程中t i 和c 发生冶金反应原位 合成t i c 的可行性。原位合成t i c 生长基元为八面体形状，生长机制包括独 立形核长大，沉淀析出和连接生长。连接生长为八面体顶角连接和棱边连接， 长大形态为花瓣状、团絮状和枝晶状。 通过对母材、熔敷层的磨损试验表明：在相同磨损条件下，氩弧熔敷t i c 熔敷层的相对耐磨性是n i 6 0 熔敷层的1 5 倍，是1 6 m n 钢的7 倍；氩弧熔敷 哈尔滨 _ 程大学博十学位论文 t i c n b 熔敷层的相对耐磨性是n i 6 0 熔敷层的2 倍，是1 6 m n 钢的1 1 倍。1 6 m n 钢的磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损；氩弧熔敷n i 6 0 熔敷层和 t i c 复合涂层的磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损。氩弧熔敷t i c - n b 熔敷层 的磨损机理为显微擦划磨损和氧化磨损。原位合成t i c 和( t i ，n b ) c 与涂层基 体结合良好，磨损过程中未发现脱落，复合涂层表现优异的抗磨性能。 关键词：氩弧熔敷；原位合成；t i c 和( t i ，n b ) c ；磨损性能 ：， - 氚弧熔敷原位闩生颗粒增强镍基复合涂层研究 a bs t r a c t t h ec e n t r a ls e c t i o nt r o u g ho fs c r a p i n gb e l tt r a n s p o r t e rw a sm a i n l ym a d eo f 16 m ns t e e lw h i c hw e a r - o u ti n v a l i d a t i o nc r e a t e dh u g ee c o n o m i cl o s se v e r yy e a ri n c o a le x p l o r a t i o nf i e l d i nt h i sr e s e a r c h ，c l a d d i n gt e s t so fn i 6 0 a ，t i ca n dt i - c - n b w e r et e s t e db ym e a n so fa r g o na r cc l a d d i n gt e c h n i q u et oe n h a n c ew e a rr e s i s t a n c e o f16 m ns t e e la n dt h eo p t i m u mp a r a m e t e r so fa r g o na r cc l a d d i n gw a sd e t e r m i n e d t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o a t i n gw a sa n a l y z e db yx r d 、s e m 、t e ma n dt h e f o r m a t i o nc o n d i t i o na n dg r o w t hm e c h a n i s mo ft i cw e r ei n v e s t i g a t e d t h e f e s i b i l i t yw a si n v e s t i g a t e db yt h e r m o d y n a m i cc o m p u t i n gt ow h i c ht i ci s i ns i t u s y n t h e s i s ，t o o a tt h e s a m et i m ef r i c t i o na t t r i t i o nr e s i s t a n c ew a st e s t e du n d e r d i f f e r e n tl o a da n dt i m ea n da t t r i t i o nm e c h a n i s mw a sa n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n tt h i c k n e s so fp r e - p l a c e dc o a t i n g ，w e l d i n gc u r r e n ta n d c l a d d i n gs p e e d ，h a r d n e s st e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m u mp a r a m e t e r si st h e t h i c k n e s so fp r e p l a c e dc o a t i n gw i t h1 5 r n m ，t h ew e l d i n gc u r r e n tw i t h12 0 aa n d t h ec l a d d i n gs p e e dw i t h8 0 m m s m i c r o s t r u c t u r ea n dt r a s m i s s i o na n a l y s i si n d i c a t e dt h a tt h es t r u c t u r eo ft h e c o a t i n gw a sd i v i d e di n t ot h r e er e g i o n s ，n a m e l y ：t h ec l a dz o n e ，t h ed i l u t i o nz o n ea n d h e a t - a f f e c t e dz o n ea n dad i f f u s i o nl a y e rw a sf o u n da tt h e i n t e r f a c eo ft h e h e a t a f f e c t e dz o n ea n dt h e t h ed i l u t i o nz o n e e x c e l l e n tb o n d i n gb e t w e e nt h e c o a t i n ga n dt h es u b s t r a t ei se n s u r e db yt h es u o n gm e t a l l u r g i c a li n t e r f a c ea n dt h e c o a t i n gi su n i f o r m ，c o n t i n u o u sa n da l m o s td e f e c t - f l e e i n t e r i o rs t r u c t u r eo ft h e c o m p o s i t ec o a t i n ga p p e a r d v i s i b l eg r a d i e n td i s t r i b u t i o na n dt h e r ew a sm o r e p a r t i c l e so nt h es u r f a c el a y e r a n a l y s i so fp o w e rs p e c t r u ma n dt h ep h a s ei n d i c a t e d t h a tt h ec o m p o s i t ec o a t i n gi sc o n s i s t e do f 7 一n i ，c r 2 3 c 6 ，t i ca n d ( t i ，n b ) cp a r t i c l e s t h et i ca n d ( t i ，n b ) cp a r t i c l e sa r ed i s p e r s i v e l yd i s t r i b u t e di ni n t e r g r a n u l a ro f 丫一n i t h et i ca n d ( t i ，n b ) cp a r t i c l e sa r eg r a n u l a rs h a p e ，t h ep e t a l - l i k es h a p e ， 哈尔滨工稃大学博士学位论文 f l o c c u l a t i o n l i k ea n dt r e e l i k es h a p e t h e r ew a s ( t i ，n b ) ca f t e rn bs o l i d e di n t ot i c p a r t i c l e s t h em o r ec o n t e n to fn bi na l l o yp o w e r ，t h em o r ec o n t e n to fn bi n ( t i ，n b ) c t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt i cp a r t i c l e sa n dt h em a t r i xm e t a lr e m a i n e dc l e a n a n df l e ef r o md e l e t e r i o u sa n da m o r p h o u sp h a s e t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si n d i c a t e dt h a ti ns i t us y n t h e s i st i cw a sf e a s i b e b yt h ea r g o na r cc l a d d i n g i t sg r o w t he l e m e n tw a so c t a h e d r o ns h a p e ，t h eg r o w t h m e c h a n i s mi n c l u d e dt h e i n d e p e n d e n t n u c l e a t i o n g r o w t h ，t h ep r e c i p i t a t i o n s e p a r a t i n go u ta n dc o n n e c t i o ng r o w t h t h ec o n n e c t i o ng r o w t hw a si nt h ef o r m so f o c t a h e d r o nv e r t e 1 i n k e dc o n n e c t i o na n de d g e s h a r e dc o n n e c t i o na n dt h eg r o w t h f o r mw a sp e t a l l i k es h a p e ，d e n d r i t ea n df l o c c u l a t i o n l i k es h a p e w e a rt e s to ft h e c o a t i n gi n d i c a t e dt h a tt h er e l a t i v ew e a l r e s i s t a n c eo f t i cc o a t i n gw a s1 5t i m e s c o m p a r e dw i t hn i 6 0a n d7t i m e sc o m p a r e dw i t h16 m ns t e e l ；t h er e l a t i v ew e a r r e s i s t a n c eo ft i - c n bc o a t i n gw a s2t i m e sc o m p a r e dw i t hn i 6 0a n dw a s11t i m e s c o m p a r e dw i t h 16 m ns t e e lu n d e rs a m e w e a rc o n d i t i o n 16 m ns t e e lw e a r m e c h a n i s mw a sp e e l i n g - o f ft y p eo fw e a r ，a b r a s i o na n da d h e s i o nw e a r ；t h e a b r a s i o nm e c h a n i s mo ft h et i c - n bc o a t i n gw a sm i c r os c r a t c hw e a l - a n dt h e o x i d a t i o nt y p eo fw e a r t h ei n t e r f a c eb e t w e e ni n s i t ut i co r ( t i ，y b ) ca n dt h e b a s e dm e t a lw a sg o o da n dn of a l l e no f fd u r i n gt h ew e a rp r o c e s s t h ec o m p o s i t e c o a t i n gh a de x c e l l e n tw e a r r e s i s t a n c e k e yw o r d s ：a r g o na r cc l a d d i n g ；i n s i t es y n t h e s i s ；t i ca n d ( t i ，n b ) c ；w e a r r e s i s t a n c e i - 出 ， i - 氚弧熔敷原位向生颗粒增强镍基复合涂层研究 目录 第1 章绪论1 1 1 原位自生金属基复合材料的研究l 1 1 1 原位自生金属复合材料的特点2 1 1 2 原位自生金属基复合材料的制备方法2 1 2 表面熔敷技术的研究现状7 1 2 1 激光熔敷技术7 1 2 2 热喷涂技术8 1 2 3 等离子熔敷技术9 1 2 4 堆焊技术”1o 1 2 5 感应熔敷技术”11 1 2 6 氩弧熔敷技术一1 2 1 3 本论文研究的目的、意义及主要内容1 6 1 3 1 研究的目的和意义”1 6 1 3 2 研究的主要内容一1 6 第2 章试验材料及试验方法17 2 1 试验材料17 2 1 1 基体材料”17 2 1 2 熔敷材料“17 2 1 3 熔敷材料的配比19 2 2 试验方法“2 0 2 2 1 熔敷层的制备方法和设备2 0 2 2 2 复合涂层的组织结构分析设备及方法”2 1 2 2 3 复合涂层的性能测试2 1 2 3 本章小结2 2 第3 章氩弧熔敷镍基复合涂层的工艺研究2 3 哈尔滨工稃大学博十学伊论文 3 1 氩弧熔敷工艺参数对涂层质量的影响2 3 3 1 1 熔敷电流对熔敷层显微硬度的影响一2 3 3 1 2 熔敷速度对熔敷层显微硬度的影响“2 4 3 1 3 预置涂层厚度对熔敷层的影响2 5 3 2 粉末成分对涂层质量的影响一2 6 3 2 1 复合涂层成分对熔敷涂层显微硬度的影响2 6 3 2 2 复合涂层成分对熔敷层的显微组织的影响”2 7 3 2 3 预置涂料对熔敷层气孔和裂纹的影响3 2 3 3 本章小结“3 3 第4 章氩弧熔敷镍基复合涂层微观组织结构3 4 4 1 氩弧熔敷n 1 6 0 a 复合涂层的组织特征3 4 4 1 1 氩弧熔敷层的界面形貌特征”3 4 4 1 2 氩弧熔敷层的组织形貌和物相分析3 4 4 2 氩弧熔敷t i c 复合涂层的组织特征3 6 4 2 1 氩弧熔敷层的界面形貌特征”3 6 4 2 2 氩弧熔敷层的组织形貌特征”3 8 4 2 3 氩弧熔敷层的物相和能谱分析3 8 4 3 氩弧熔敷c t i n b 复合涂层的组织特征4 0 4 3 1 氩弧熔敷层的界面形貌特征4 0 4 3 2 氩弧熔敷层的组织形貌特征”4 1 4 3 3 复合涂层的物相和能谱分析“4 2 4 4 氩弧熔敷涂层中的相结构4 5 4 4 1t i c 与丫n i 之间的界面4 5 4 4 2 熔敷层中t i c 、y n i 、c r 2 3 c 6 相t e m 分析4 5 4 5 本章小结”4 6 第5 章氩弧熔敷原位自生( t i ，n b ) c 颗粒的形成及长大机制4 8 5 1 合金体系中反应产物的热力学分析- 4 8 氚弧熔敷原位门生颗粒增强镍墓复合涂层研究 5 1 1 基本的热力学计算公式4 8 5 1 2 反应物的热力学分析“4 9 5 2 氩弧熔敷原位自生t i c 形成的热力学条件5 2 5 3 氩弧熔敷原位自生t i c 合成的动力学条件5 3 5 4 氩弧熔敷原位自生t i c 的晶体结构及形成机理5 4 5 4 1 ( t i ，w o ) c 的晶体结构及生长基元5 5 5 4 2 ( t i ，n b ) c 原位形成及生长机理5 6 5 5 氩弧熔敷原位自生( t 1 ，n b ) c 长大机制及长大形态5 8 5 5 1 ( t i ，n b ) c 晶体的长大机制5 8 5 5 2t i c 晶体的长大习性5 9 5 6 本章小结6 4 第6 章氩弧熔敷镍基复合涂层的磨损性能和磨损机制6 6 6 1 母材和复合涂层摩擦系数6 6 6 2 熔敷层的磨损量6 9 6 3 强化机制。7 0 6 4 磨损机理7 1 6 4 1 基体1 6 m n 钢的磨损机制”7 l 6 4 2 氩弧熔敷n i 6 0 和t i c 复合涂层的磨损机制”7 3 6 4 3 氩弧熔敷t i c n b 复合涂层的磨损机制“7 5 6 5 本章小结7 7 结论7 9 参考文献8 1 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 2 致谢9 3 个人简历9 4 工 - 屯 o 第1 辛绪论 第1 章绪论 在重型冶金、矿山开采、油气钻探等重工业领域，能够承受剧烈冲击载 荷及抗磨损、抗腐蚀成为机械零部件的基本要求，在耐磨部件表面熔敷具有 高硬度、高耐磨损性能的涂层成为这些领域修复部件、提高零件使用寿命的 重要途径【l _ 3 】。零部件的破坏和失效一般都发生在零件的表面或从表面开始， 如腐蚀、磨损、氧化和疲劳等。据不完全统计，全世界各类零部件每年因摩 擦磨损造成的经济损失高达数千亿美元。由于摩擦磨损发生在材料表面，因 此采用先进的表面强化技术，在普通材料表面优化设计制备出所需的耐磨涂 层是一种简便有效的方法。它不仅可显著提高产品的可靠性和使用寿命，减 少产品的维修和更换，而且节约材料和能源，有利于环境保护，符合可持续 发展和循环经济发展的方向，在表面工程领域中占有举足轻重的地位。 】1 原位自生金属基复合材料的研究 金属基复合材料m m c s ( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ) 兼有金属的性能和陶 瓷的优点，显示出不同于基体合金的物理性能和机械性能，如高的比强度、 比刚度及更好的热稳定性、耐磨性以及尺寸稳定性等。发达国家如美国、日 本等已将这类材料的研究列为2 1 世纪新材料开发的重点【4 】。 传统的m m c s 制造工艺通常是利用外加人工合成的增强体和金属基体相 复合，这种方法虽然工艺可控性好，增强体和基体的组合自由度大，但是也 存在外加的增强体有物理性质和化学性质的不相容性，与基体材料相互浸润 的效果普遍不好，制备工艺复杂，制备成本高等不足之处，因此限制了此类 材料的应用范围。在上个世纪八十年代后期，一种具有全新意义的自然合成 增强体的工艺原位( i n s i t u ) 自生复合工艺应运而生。迄今为止，已经有大 量运用原位( i n s i t u ) 反应技术制备金属基复合材料的报道，其基体涉及到 a l 、t i 、m g 、f e 、c u 、n i 及其合金以及金属间化合物等多种基体组织， 而增强相包括t i c 、t i b 2 、a 1 2 0 3 、s i c p 、b n 、a 1 n 、t a x s i y 、m o s i 2 、m 9 2 s i 、 哈尔滨t 稃大学博十学何论文 h f b 2 、s i3 n 4 _ ； d n b c 等多种陶瓷或金属间化合物颗粒，以及在金属表面进行陶 瓷粒子或金属间化合物的涂敷【8 ，9 】。 1 1 1 原位自生金属复合材料的特点 原位反应法即我们通常所说的原位法，其基本原理【l o 1 2 】是在一定条件下， 通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，或者利用金属的固态相变( 如 共析反应) ，在金属基体中直接原位合成一种或几种增强体，普遍为高硬度、 高弹性模量的陶瓷类增强相，以达到强化金属基体的目的。与m m c s 传统复 合工艺相比，原位法具有如下特点： ( 1 ) 增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强 体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。 ( 2 ) 通过合理选择反应元素或化合物的类型、成分及其反应性，可有效地 控制原位反应生成增强体的种类、大小、分布和数量。 ( 3 ) 省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成 本较低。 ( 4 ) 从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复 杂、尺寸较大的近净形构件。 ( 5 ) 在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材 料的强度和弹性模量。 原位自生金属基复合材料中基体与增强材料间的相容性好，界面干净、 结合牢固、特别当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效 地传递应力，界面上不生成有害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的 力学性能。 1 1 2 原位自生金属基复合材料的制备方法 原位自生金属基复合材料主要方法有v l s 法、x d 法、燃烧合成法( s h s ) 、 机械合金化法( m a ) 和直接氧化法( d i m o x ) 等。 2 艮 乒 - 第1 章绪论 1 1 2 1v l s 法 v l s 1 3 , 1 4 ( v a p o rl i q u i ds y n t h e s i s ) 技术由k o c z a k 和k u m a r 在1 9 8 9 年 发明并申请专利。其原理是采用惰性气体为载体，将含碳或含氮的反应气体 通入含t i 、s i 等元素的高温熔体中，利用气体分解产生的碳或氮与合金中的 t i 、s i 等发生快速化学反应，生成热力学稳定的碳化物、氮化物等陶瓷颗粒 作为增强相。其过程参数包括反应温度、合金的种类、反应气体成分及浓度 等。其原理示意图如图1 1 所示。其反应原理可表示为( 以原位t i c 颗粒为 例，其中m 指金属基体元素) ： c h 4 ( g ) 一 c + 2 h 2 ( g ) ( 1 - 1 ) t i m + c 】_ t i c + m ( 1 - 2 ) 1 熔体2 坩埚；3 通入反应气体4 气体发泡器 图1 1v l s 原理示意图 f i g 1 it h ed i a g r a mo fv l s ( 1 m e l t ；2 c r u c i b l e ；3 g a sc u r r e n t ；4 w i n dp l a t e ) m j k o c z a k i s l 等人研究了原位t i c a 1 c u 复合材料的气一液反应工艺， 其工艺操作是将混合气体c h + a r n 过一个特制的多孔气泡分散器，导人含有 t i 的a l _ 4 5 c u 合金液中。结果表明，当反应时间为2 0 1 2 0 m i n ，反应温度为 1 2 0 0 1 3 0 0 。c 时，原位形成的t i c 的尺寸为o 1 3 9 m ，其体积百分数可达1 1 ， 从而使所得的复合材料具有优良的性能。 1 哈尔滨工程大学博十学伊论文 1 1 2 2x d 法 x d ( e x o t h e r r n i cd i s p e r s i o n ) 技术【1 6 】由美国m a r t i nm a r i e t t a 实验室的 b r u p b a c h e r 等人于1 9 8 3 年发明并申请专利。他是在前苏联科学家m e r z h a n o v 发 明的s h s 法的基础上改进而来的，其基本原理是将两种固态元素粉末和金属 基体粉末均匀混合，压实除气后将压坯快速加热到基体金属的熔点以上温度， 两固态元素粉末在熔体介质中产生放热化学反应而生成增强体颗粒，然后将 熔体进行铸造、挤压等加工即可得到颗粒增强m m c s 。增强相尺寸细小，呈 弥散分布。其关键技术是控制金属基复合材料中增强相尺寸大小、形状及体 积分数等。目前，利用x d 法，已制备了t i c a l 、t i b 2 a 1 等复合材料 1 7 1 。朱 和国 1 8 】等对砧t i 0 2 b 2 0 3 利用x d 法合成铝基复合材料，讨论t b 2 0 3 f f i 0 2 不同 摩尔比的组织力学性能，结果表明：当b 2 0 3 t i 0 2 摩尔比为1 时，组织中a 1 3 t i 基本消失，材料具有优异的力学性能。 1 1 2 3 燃烧合成法( s h s ) s h s ( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s ) 技术是由前苏联学者 s h k i r om e r z h a n o v 矛n b o r o v i n s k a y a s k a y a 等根据自蔓延燃烧现象而发明的材料 制备方法。自蔓延燃烧反应需要一定的条件：组分之间的化学反应必须有 足够高的热效应；反应过程中的热损失应小于反应系统的放热量，以保证反 应不中断；在反应过程中应能生成液态或气态反应物，便于生成物的扩散 传质，使反应迅速进行【1 9 】。s h s 反应装置如图1 2 所示。其基本原理是将增强 相的组分原料与金属粉末按一定的比例充分混合，压坯成型，在真空或惰性 气氛中，用钨丝预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量蔓延 引起未反应的邻近部分继续燃烧反应，直至全部完成，就可以得到复合材料 的毛坯，反应的生成物即为增强相弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达微米级， 它具有节能、速度快、产物纯度高等突出的优点，因而该方法一提出，便引 起了广泛的兴趣。 4 氐 - 一 第1 章绪论 ii nn i i i 1 点火钨丝；2 力口热线圈；3 混合粉末；4 石墨坩埚： 5 铸型 图1 2s h s 熔铸装置示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h sc a s t i n g ( 1 f i r et u n g s t e nf i l a m e n t ；2 h e a t i n ge l e m e n t ；3 t i + b + a 1 a l l o yp o w d e r ；4 g r a p h i t ec r u c i b l e ；5 c a s t i n g ) 范群成等【2 0 】采用s h s 法高温合成铁基t i c ，并获得了最佳铁粉参数：含 量4 0 ，粒径4 5 7 6 岬。邹正光等 2 1 2 2 1 用同样的方法，并加入m o 粉与金属 基体中，研究表明：含f e ，m o 为1 0 2 0 的t i c f e ( m o ) 复合材料具有较 好的增强效果，加入金属m o 有利于t i c 与金属相的润湿性，从而提高增强 效果。从己有的研究来看，s h s 具有以下几个特点：( 1 ) 除引燃外无需外加 热源，能耗低，设备和工艺简单，效率高、成本低。( 2 ) 在高放热反应体系 中，可达到常规加热方法达不到的高温( 3 0 0 0 - 4 0 0 0 ) ，有利于合成耐高温 材料。( 3 ) 反应产物的高温可使陶瓷相与熔融金属相结合紧密，同时低熔点 杂质挥发，使合金的强韧性提高。但是由于s h s 反应速度快，合成过程中温 度梯度大，反应难以控制，使得产品的孔隙率高，密度低，很容易出现缺陷 集中和非平衡相。为了提高产品的致密度，可以采用致密化技术 2 3 。2 5 1 。 1 1 2 4 机械合金化法( m a ) 机械合金化( m e c h a n i c a la l l o y i n g ，m a ) 是2 0 世纪7 0 年代初发展起来 的种制备新材料的重要手段之一，它是讲两种以上的金属或非金属粉末的 混合物，通过高能球磨，最终形成具有微细组织结构的痕迹或陶瓷粉末。吴 哈尔滨t 程大学博十学付论文 军等1 2 6 j 采用f e 粉、t i 粉和石墨粉为原料，在氩气保护气氛下球磨，然后进 行8 0 0 l h 的真空热处理。结果表明：一定成分的f e t i c 体系，通过机械 合金化法和真空热处理，可得到t i c 增强铁基复合材料。李伟等【2 7 】采用钛铁 矿和石墨为原料，采用机械活化还原扩散法制备f e t i c 复合材料。机械合 第1 章绪论 1 2 表面熔敷技术的研究现状 目前常用的表面熔敷技术有激光熔敷、等离子熔敷、堆焊、热喷涂、感 应熔敷和钨极氩弧熔敷等。这些表面熔敷技术由于能获得与基体结合良好， 厚度适中的表面涂层而被广泛应用于工业生产中件【3 3 。3 6 】。 1 2 1 激光熔敷技术 激光熔敷研究开展的时间较长，研究的也比较深入。激光熔敷技术是利 用激光作为热源在金属材料表面熔敷耐磨、耐腐蚀的金属层或金属陶瓷层 3 7 - 4 0 。激光熔敷层与基体金属表面为冶金结合，结合强度高，力学性能好， 可以获得有特殊力学性能的复合材料熔敷层，与传统焊接方法相比，激光熔 敷有许多突出优点如能量密度大、加热速度快、焊接变形小，应力集中小等。 但也有其显著缺点如设备昂贵，投资较高对焊接前的准备工作量大，工艺条 件复杂对工件和工艺要求高，成本高不易在施工现场施焊，生产环境要求高 等。 张松等人【4 1 】以t i 、s i c 混合粉末作为作为预置合金涂层，利用激光熔覆 技术，在6 0 6 1 铝合金表面原位合成了自生t i c 颗粒增强复合材料涂层，涂层 与基体呈冶金结合，铝合金表面的耐磨性明显提高。清华大学杨森等人f 4 2 采 用激光熔敷制备原位自生t i c 颗粒强化镍基合金复合涂层，涂层与基体呈良 好的冶金结合，涂层宏观质量良好，无裂纹，但有少量气孔。哈尔滨工业大 学裴宇韬等人【4 3 】采用激光熔敷原位自生复相陶瓷颗粒增强涂层，耐磨性显著 提高。文献 州7 1 研究了钛合金激光熔覆z r a 1 n i c u 复合涂层组织，涂层由 金属间化合物、少量非晶、纳米晶构成。金属间化合物为a 1 2 z r 3 、c u z r 2 和 z r 2 n i ，纳米晶为简单四方的a 1 2 z r 3 相。其结果表明，在涂层中加入c 、b 及 s i 有利于非晶的形成，界面区元素成分过渡平缓，基体t i 以外延生长的方式 生长，以柱状晶的形态向涂层内部延伸。文献【4 8 】还对铜基合金进行了研究。 可见，激光熔敷材料的多样化和成分的复杂性以及试验条件的差别，获得的 研究结果不同。 哈尔滨丁程大学博十学伊论文 激光熔敷涂层的优异性能使其在航空航天，石油等领域具有极为广泛的 前景。国内方面的激光熔覆技术应用在九十年代就已开始【4 9 , 5 0 】，其应用的领 域还处在关键设备的维修等方面，如航空发动机中钛合金和镍合金摩擦副的 接触磨损，采用激光熔覆技术得到了很好的解决。还有核阀阀瓣密封面、阀 座、排气门、风机叶片等。国外在这方面起步较早，应用的领域也比较广泛 【5 1 1 ，另外，利用激光快速成型技术直接成型零部件，近年来已成为激光熔敷 领域的研究热点。由于快速凝固组织的特殊性，从而赋予材料更为优异的性 能，对于一些特殊性要求的零件可以实现常规手段难以达到的高性能。该技 术不但可以降低生产成本，而且在生产中具有很强的灵活性，但目前的技术 应用还受到局限，主要原因是技术还不够成熟，但其应用前景极其广泛。 1 2 2 热喷涂技术 热喷涂是近年来发展最迅速，取得成绩最大，发展前景最好的一种制备 涂层的方法，因其本身所具备的多种优点而倍受关注。热喷涂法主要优点为： 喷涂的基材不受限制；基体温度基本上不受影响；能制备出多种功能 的涂层；被喷涂工件尺寸和施工场所不受限制；涂层沉积速率较快，涂 层厚度可以控制等等。 1 9 7 9 年，美国的a w m u l l e n d o r e ，d m m a t t o x 等人【5 2 j 在c u 和不锈钢基 体上，等离子喷涂了t i c ，t i b 2 ，b e 和v b e l 2 等涂层，并通过测试发现t i c ， t i b 2 涂层尤其在抗离子磨蚀和抗电弧磨蚀方面有突出表现。1 9 8 4 年，加拿大 s d a l l a i r e 和b c h a m p a g n e 等【5 3 】离子喷涂合成了t i b 2 f e 涂层，t i b 2 基涂层是通过f e t i + b 反应得到，测试知涂层有较高的硬度和很好的机械性 能。1 9 9 0 年，美国f u k u b a v a s h i ，h a r o l d 等人【5 4 1 ，利用等离子喷涂和爆炸喷 涂制备了t i b 2 涂层，此涂层具备高热辐射系数在高能量和真空环境中适合持 续工作，获得了在金属或合金基体中含有高达5 0 体积含量的t i b 2 涂层，测 试表明，此涂层具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，主要是用于真空管中。1 9 9 8 年，美国s u e ，j i i n j e n a l b e r t 等人【55 | ，利用等离子喷涂或爆炸喷涂制备了t i b 2 第1 章绪论 涂层，获得了在金属或合金基体中含有高达5 0 体积含量的t i b 2 涂层，测试 表明，此涂层具有较好的耐磨性和耐腐蚀性。2 0 0 1 年英国m j o n e s ，a j h o r l o c k 等人 5 6 研究t n 用h v o f 喷涂制备了t i c 和t i b 2 基陶瓷涂层，并对其磨粒 磨损