论文部分内容阅读
磨损是金属结构材料的主要失效形式之一,金属结构材料因磨损造成过早的失效所带来的不仅是生产成本的增加和金属资源的浪费,更是对金属结构件的安全服役行为带来严重安全隐患。在金属基体中加入具有特定性能或优异综合性能的第二相形成金属基复合材料涂层(Metal Matrix Composite Coating,MMCC),以弥补金属基体的某些性能短板、改善金属基体的性能“妥协”现象,避免母材过早的失效,实现金属材料综合性能的提升,节约了重要的自然资源。这使得制备的金属基复合材料涂层具有高强度、高模量、优异的耐磨蚀性与抗氧化性、低热膨胀系数等优点,扩展了金属材料在相关领域的应用。本文以等离子熔覆技术制备了镍基复合涂层作为强韧耐磨涂层体系典型代表,设计了 TiC→(Tix,Nb1-x)C→NbC为增强相的镍基合金粉末体系,研究了不同Ti/Nb原子比、不同增强相质量分数、后热处理对其显微结构演变和摩擦磨损性能的影响。研究以上因素的改变对镍基复合涂层显微结构的演变以及摩擦磨损性能的影响。考察复相碳化物及后热处理在细化显微结构、调控增强相空间构型、平衡镍基复合涂层强韧性、强化涂层耐磨损性能的能力。力图阐述‘增强相空间构型-强韧性-摩擦磨损性能’内在关联机理。旨在进一步开发强化高价值关键零部件的金属基强韧耐磨涂层材料体系,并展望了高能束制备强韧耐磨涂层技术的发展方向与应用前景。应用场发射高分辨扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)手段表征涂层显微结构及物相。研究结果表明,采用等离子熔覆技术在Q235低碳钢表面制备的(Ti,Nb)C增强镍基合金涂层具有良好的成形性,涂层显微组织致密且均匀;涂层物相由MC(M:Ti,Nb)、γ-(Ni,Fe)和 M23C6组成。当 Ti:Nb=10:0、5:5 和 3:7 时,涂层中(Ti,Nb)C、γ-(Ni,Fe)和M23C6三种物相表现出随机独立分布的空间构型。当Ti:Nb=3:7时,富Cr的M23C6的长径比明显减小,表现出细化行为;当Ti:Nb=0:10时,涂层中NbC、γ-(Ni,Fe)和M23C6三种物相为相互桥接的共晶空间构型,共晶组织连接了(Tix,Nb1-x)几何体颗粒和M23C6这两种增强相。经过600℃后热处理,涂层显微结构及物相未发生显著演变,然而经过800℃后热处理后,五组涂层中的显微结构出现一定的失稳长大行为,更重要的是,过饱和的γ-(Ni,Fe)基体大量析出(Fe,Cr)纳米沉淀相,且(Fe,Cr)纳米沉淀相与γ-(Ni,Fe)具有清洁的界面。采用显微硬度计,多功能摩擦磨损试验机,三维形貌仪,高分辨扫描电镜手段研究了涂层的显微硬度、耐磨性能和断裂行为。实验结果表明,随着Ti/Nb原子比的变化,五组涂层的显微硬度在407HV0.5～595HV0.5之间呈现出非单调变化。各涂层之间的摩擦系数和磨损率也表现出显著的差异性,其中五组涂层之间的磨损率最大差值达到5倍左右。相比未热处理的原始涂层,经过800℃后热处理的五组涂层显微硬度的增减幅度在100HV0.2范围内波动;涂层的磨损率也表现出显著的差异性,相比未热处理的原始涂层,经过800℃后热处理的五组涂层的磨损率均显著降低。此外,热处理对涂层的断裂行为产生显著影响,未热处理的涂层的断口由大量台阶状形貌构成且存在贯穿裂纹,表现出准解理断口模式。经过800℃后热处理,涂层断口形貌中出现了大量韧窝,表现出韧性断裂模式。在上述研究内容的基础上,采用等离子熔覆技术制备了高质量分数的TiC→(Tix,Nb1-x)C→NbC为增强相的镍基合金涂层。实验结果表明,含有高质量增强相分数五组涂层的显微结构、摩擦系数和磨损率随着Ti/Nb原子比的变化仍表现出显著的演变行为。涂层物相由(Ti,Nb)C、γ-(Ni,Fe)和M23C6组成。当Ti:Nb=3:7和5:5时,共晶组织连接了(Tix,Nb1-x)C几何体颗粒和M23C6这两种增强相,这两组具有桥接共晶结构的涂层表现出较低的摩擦系数和磨损率。然而,涂层的断口形貌表现出准解理断裂模式。