原位自生粒柱狀多元碳化物復合增強鐵基圖層的研究.pdf

1、摩擦磨損是機械設備失效的主要原因。世界能源約有一半以上是以不同形式消耗在機械零件與偶件表面之間的摩擦上，其破壞和損失十分驚人。表面涂層技術在改善材料表面性能、加強材料表面防護、拓寬材料應用領域方面發(fā)揮著重要作用。原位自生碳化物增強涂層具有眾多優(yōu)點：i)碳化物具有高化學穩(wěn)定性、高熔點、高硬度；ii)原位自生的碳化物完整性好、內部缺陷少、表面清潔無污染與金屬基體潤濕性好、結合強度高等，而備受關注。
　　顆粒TiC、柱狀M7C3、WC分

2、別為鈦基合金、高鉻鑄鐵、硬質合金的主要增強相。目前這三種增強體多為獨立增強，使用中存在一些增強相與基體硬度不匹配等問題，因此亟需探索增強體間的復合增強效能。因為多元多尺度復合增強可以克服單一增強體使用上的局限性，不同尺度增強體之間可以“取長補短”，對基體增強產生“復合效應”。為此本文設計了五種材料體系Cr3C2/FeCrNiBSi、Fe-Ni-Cr-C、Fe-Ni-Cr-Ti-C、Fe-Ni-W-C、Fe-Ni-W-Ti-C，以等離子束

3、為熱源，經原位反應合成出不同種類、不同尺度、不同含量的粒柱狀多元碳化物復合增強涂層TiC-M7C3/Fe、TiC-W C/Fe及單一柱狀碳化物獨立增強涂層M7C3/Fe、WC/Fe。研究了各體系涂層的組織結構、原位自生碳化物形核生長機制、涂層干滑動摩擦磨損性能等。對探索等離子束原位合成粒柱狀多元碳化物復合增強涂層有重要的理論意義和實際應用價值。
　　以 Cr3C2-FeCrNiBSi材料體系原位合成MyCg/Fe涂層時，發(fā)現(xiàn)外加&

4、3C2顆粒表面微納尺度凹坑可作為柱狀碳化物M7C3的非勻質形核基底，促進M7C3在其表面形核，提高M7C3的原位生成量。晶體學與熱力學計算結果表明：（013)Cr3C2與(10-10)m7C3之間的錯配度為5=8.66％，&3C2表面微納尺度凹坑形狀因子x與 M7C3臨界形核能風的關系為 JGc=(16uc3/3JG2y(cos6>，x)。分別以 Fe-Ni-Cr-Ti-C和Fe-Ni-W-Ti-C材料體系原位合成TiC-MyCs/Fe

5、和TiC-WC/Fe涂層時，發(fā)現(xiàn)M7C3及WC柱體內外部均生長有大量八面體TiC。熱力學與晶體學計算結果表明：TC-M7C3復合生長時，T iC為初生相M7C3為次生相；而 TiC-WC復合生長時，WC為初生相TiC為次生相；（110)tic與(001)m7C3的錯配度為5=9.45%，(10-10)wc與(001)tic的錯配度為5=6.54%，均屬于6%<5<12%區(qū)間，表明 TiC顆?？勺鳛镸7C3柱體的非勻質形核基底，WC可作為

6、TiC的非勻質形核基底。
　　發(fā)現(xiàn)粒柱狀多元碳化物復合增強涂層中，TiC生長為八面體，M7C3生長為六棱柱體，WC生長為正三棱柱體。經熱力學與動力學計算，TiC臨界晶核（生長基元）為{111}晶面族組成的八面體；M7C3臨界晶核為{011}{002}{101}晶面族組成的六棱柱；WC臨界晶核為{001}{1-10}晶面族組成的片狀正三棱柱體。柱狀 M7C3的生長機制為：生長基元經堆積形成外壁，被包裹熔液形成后續(xù)基元在{011}{0

7、02}晶面由外至內堆砌內壁，當無法形成M7C3基元時，內壁停止生長。柱狀W C的生長機制為：生長基元首先在{001}晶面堆砌形成臺階，后續(xù)基元依附臺階沿{001}晶面由內向外側向堆砌，同時W C生長基元沿垂直{001}晶面方向不斷堆砌新層。顆粒狀TiC的生長機制為：生長基元首先在{111}晶面經二維形核形成生長臺階，后續(xù)基元依附臺階在{111}面?zhèn)认蚨哑龅耐瑫r沿垂直{111}晶面方向堆砌新層。
　　在M2000型環(huán)-塊摩擦試驗機上

8、考察了粒柱多元碳化物復合增強鐵基涂層TiC-M7C3/Fe、TiC-WC/Fe與單一柱狀碳化物增強鐵基涂層M?C3/Fe、W C/Fe的干滑動摩擦學性能。發(fā)現(xiàn) i)摩擦起始階段摩擦因數(shù)波動幅度受涂層初始表面微觀狀態(tài)的影響；ii)涂層表面凸出的WC，一方面提高了涂層的耐磨性，另一方面增加了對配副材料表面的犁削，使其磨損量增加，同時造成摩擦因數(shù)波動增加；iii)涂層表面磨粒脫落時帶走部分熱量，使摩擦溫升降低；iv)涂層表面層狀氧化磨粒可阻隔

9、涂層與配副材料的接觸，降低磨損率及摩擦因數(shù)；v)外加載荷增加時，摩擦溫升增加，氧化磨損嚴重；vi)粒柱狀TiC-W C及 TiC-M7C3復合增強時，涂層基體的耐磨性提高，硬質相凸出減少，可降低對配副材料的犁削，使其磨損量降低；vii) M7C3/Fe、WC/Fe、TiC-MyCs/Fe、TiC-WC/Fe涂層中M7C3和WC表面均出現(xiàn)裂紋，裂紋走向與滑動方向垂直，并貫穿整個柱體表面，當擴展至基體時停止，靠近基體邊緣處裂紋率較高，當裂紋

10、在柱體表面相交時，出現(xiàn)脆性剝離坑；viii)粒柱多元碳化物復合增強時，M7C3與WC表面裂紋率均高于其單一增強時。
　　相同條件下綜合對比涂層的摩擦學性能后發(fā)現(xiàn)：i)碳化物粒柱復合增強涂層的磨損量均低于相同含量甚至更高含量的碳化物單一柱體增強涂層；ii)碳化物單一柱體增強涂層配副材料磨損量隨著涂層中碳化物含量的增加而增加；iii)碳化物粒柱復合增強涂層配副材料的磨損量比碳化物單一柱體增強時少；iv)從降低配副雙方磨損量考察，碳化物