超音频感应熔覆镍基和铁基涂层制备及性能研究

发布时间：2019-03-11 18:39

【摘要】：发展冶金结合兼顾耐磨耐蚀性的低成本、高质量涂层及其制备方法是表面工程研究领域重要发展方向之一。本文采用超音频感应熔覆制备低成本铁基、镍基合金涂层方法,研究具有冶金结合、耐蚀、耐磨三者兼顾的综合性能涂镀层制备技术,主要探讨了以下三个关键科学问题：(1)铁、镍基合金粉体感应熔覆形成硬质颗粒复合增强结构涂层的形成条件与影响规律；(2)硬质颗粒复合增强结构感应熔覆涂层成分、组织与其冶金结合、耐蚀、耐磨性的关系；(3)硬质颗粒复合增强结构感应熔覆涂层耐磨性与其受摩擦磨损时能否发生晶态-非晶态结构转变、形成原因及其与非晶含量的关系。通过自行组建超音频感应涂层制备装置,选用T×××铁基合金粉体(FeCrNiCoMo、FeCrBSi、FeCrBMo),并与普遍认为耐磨耐蚀镍基合金NiCrBSi(Ni60A)进行对比研究,成功制备出冶金结合、低孔隙、低稀释率耐磨耐蚀性能优异的铁基、镍基涂层。获得了感应熔覆工艺条件影响规律：工作电流和加热时间减少,涂层孔隙率逐渐增大,涂层/基体界面呈机械结合或半冶金结合；工作电流和加热时间增加,涂层孔隙率逐渐降低,涂层稀释率不断增加,熔池温度决定涂层/基体界面两侧合金元素互扩散速率。镍基、铁基涂层微观组织结构致密,呈非平衡快速凝固特征。涂层/基体界面区域在快速冷却凝固状态下呈现附于基体半熔化区晶粒外延生长且与热流方向平行的平面晶组织,底部为树枝晶结构。熔点及合金成分差异是镍基、铁基涂层微观结构和物相组成不同的主因,铁基初始熔覆状态下涂层为纯晶态结构,镍基涂层物相转变过程为L→(γ+L)+CrB+Cr7C3→γ+CrB+Cr7C3+γ-Ni/Ni3Si；铁基涂层物相转变过程为：L→(α/γ+L)+(Cr,Fe)2B→α/γ+(Cr,Fe)2B+α/γ)/(Cr,Fe)2B。镍基、铁基涂层具有优良的室温和高温干滑动摩擦磨损性能。研究结果表明：镍基、铁基涂层显微硬度沿层深方向呈梯度增加趋势,涂层/基体界面处的涡流及趋肤效应协同作用引发界面硬度显著增加,硬度超过基体的2倍。涂层室温磨损机理为弥散强化、固溶强化,随载荷、磨损速率、磨损时间的增加,涂层磨损机制由轻度粘着磨损、磨粒磨损逐渐向中度粘着磨损、磨粒磨损转变；涂层高温磨损机理为弥散强化、固溶强化及氧化膜自润滑保护混合机制,磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的混合机制。铁基涂层硬度和耐磨性优于镍基涂层,硬质析出相含量、固溶体韧性越高,涂层硬度、耐磨性能越高。镍基、铁基涂层具有优良的耐蚀性能,浸泡试验和电化学测试结果表明：镍基、铁基涂层在模拟海水溶液中的腐蚀机理为阳极溶解和钝化膜保护机制,涂层钝化膜由Cr2O3、 FeCr2O4、 SiO2组成,涂层具有优良耐蚀性能的本质原因是高致密性复合氧化膜的钝化作用对腐蚀介质有高效的机械阻隔作用；H2S/CO2高温高压环境下,镍基涂层腐蚀产物主要为FeS、 CrS,铁基涂层腐蚀产物主要为FeS、 FeCr2S4,涂层较好的耐蚀性主要是由于温度升高促进腐蚀产物的沉积和产物膜致密度的提升,对腐蚀介质起到隔离作用；涂层高温氧化动力学曲线符合抛物线规律,致密连续、附着力良好的(Cr,Fe)2O3复合型氧化膜为涂层提供良好的高温抗氧化性能。硬质颗粒复合增强结构感应熔覆FeCrNiCoMo和FeCrBSi涂层受摩擦磨损会发生晶态-非晶态结构转变,晶态-非晶态转变有利于提高涂层减摩、抗磨能力,该现象的发生归因于磨损过程中大量位错等缺陷的引入使涂层晶体结构自由能不断增加直至晶态结构失稳,非晶含量随磨损时间和载荷的增加逐渐提高并趋于稳定在40%附近；随涂层凝固速率增加,枝晶尖端半径逐渐减小,枝晶间距逐渐增加,再减小；Ni元素含量越高,涂层γ相区越大,Ni元素较高时,初生γ相为椭球状结构,Ni元素较低时,初生γ相则呈现不规则结构；基于LS-SVM建立涂层磨损预测模型,磨损预测模型在较少预测样本前提下仍能获得较为准确的磨损行为预测结果。建立了一套快速、高效单次熔覆大厚度且精度可控的涂层制备方法,分别在直通管和带凹槽导轮零件表面制备厚度分别达6.0、3.6mm感应熔覆涂层；感应重熔保护层以SiO2、 Al2O3为骨架,实现了HVOF涂层与基体由机械结合向牢固冶金结合的转变,涂层孔隙率从5.74%大幅降至0.43%,耐蚀性能提高2.74倍。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

【参考文献】