強流脈沖離子束輻照的沖擊加工與強化作用研究.pdf

1、利用強流脈沖離子束(HIPIB)輻照的沖擊加工與強化作用，在TEMP-6型HIPIB裝置上開展了HIPIB輻照電子束物理氣相沉積(EB-PVD)熱障涂層(TBC)和WC-Co硬質(zhì)合金的實驗研究，提供了一種適合于EB-PVD TBC的表面封頂工藝，揭示了HIPIB輻照的沖擊加工與強化作用對WC-Co硬質(zhì)合金成分、結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，闡明了HIPIB輻照EB-PVD TBC和WC-Co硬質(zhì)合金的改性機理。 采用束流密度100-30

2、0A/cm2，輻照次數(shù)1-10次的HIPIB輻照EB-PVD工藝制備的ZrO2-7wt.％Y2O3 TBC，表層相結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，仍為單一的四方ZrO2相。1次輻照條件下，TBC表面存在的微凸和晶粒間隙等發(fā)生選擇性燒蝕。束流密度為100 A/cm2時，輻照表面殘留部分未封閉的晶粒間隙，形成了不連續(xù)的封頂層；束流密度增加到200A/cm2，微凸和晶粒間隙等的熔化和燒蝕區(qū)域隨之擴展，熔融的ZrO2陶瓷在HIPIB的沖擊加工作用下克服表面張力

3、的作用，填充到晶粒間隙，形成了微米量級的連續(xù)致密封項層；束流密度達到300 A/cm2，過高的輻照強度導致表面燒蝕劇烈，晶粒間隙的封閉效果變差。多次輻照條件下，TBC表面以均勻熔化和燒蝕為主，熔化的陶瓷對晶粒間隙的不斷填充形成了2-3μm的封頂層，但大面積的熔化和燒蝕使表面產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，晶粒搭接區(qū)域產(chǎn)生微裂紋。 1050℃×1h條件下的循環(huán)氧化實驗表明，HIPIB輻照EB-PVD TBC的抗氧化性能顯著提高。原始TBC15次循

4、環(huán)后的氧化增重約為0.8 mg/cm2，HIPIB200 A/cm2，1次輻照TBC的氧化增重較原始降低了約60％。循環(huán)氧化后生成的熱生長氧化物(TGO)厚度僅約為1μm，顯著低于原始的3μm，而且未出現(xiàn)原始TBC粘結(jié)層/陶瓷層界面處發(fā)生的嚴重局部氧化。原始TBC經(jīng)循環(huán)氧化后TGO中氧的含量達40 wt.％，而200 A/cm21次輻照TBC氧含量僅為30 wt.％。TBC表面形成微米量級的致密封頂層后，氧向粘結(jié)層的擴散被限制，減輕了粘

5、結(jié)層的氧化。1次輻照形成的封頂層厚度僅約為1μm，高溫條件下封頂層能夠部分匹配柱狀晶的擴張和收縮，緩解部分熱應(yīng)力，同時，連續(xù)致密的封頂層具有一定的阻礙氧向粘結(jié)層擴散的能力。多次輻照條件下，TBC表面形成了數(shù)μm厚的封頂層，但過于致密的封頂層使柱狀晶組織的釋放應(yīng)變能力受到限制，導致循環(huán)氧化過程中表面開裂，限制了封頂層對氧的屏障作用。 采用束流密度300 A/cm2，輻照次數(shù)1-10次的HIPIB輻照WC-Co硬質(zhì)合金，表層析出Co

6、3W9C4相，且出現(xiàn)Co的過飽和固溶體。輻照表面產(chǎn)生Co粘結(jié)相的擇優(yōu)燒蝕現(xiàn)象，擇優(yōu)燒蝕區(qū)經(jīng)反復重熔燒蝕后形成硬質(zhì)相凸起。輻照次數(shù)達到10次時，硬質(zhì)相凸起相互搭接成網(wǎng)狀。硬質(zhì)相凸起的形成導致被輻照表面呈現(xiàn)粗糙化趨勢，10次輻照條件下的表面粗糙度Ra由原始的0.29μm顯著增加到1.72μm。在HIPIB輻照的沖擊加工作用下，硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生強化現(xiàn)象，隨輻照次數(shù)的增加表面的顯微硬度呈現(xiàn)遞增趨勢，且在遠大于離子射程的深度內(nèi)形成硬化層。10次輻

7、照條件下，表面顯微硬度由原始的17.4 GPa增加到20.22 GPa，硬化層厚度達到了120μm。 在載荷40 kg，滑動速度0.42 m/s條件下進行的干摩擦磨損實驗表明，輻照硬質(zhì)合金的耐磨性能顯著提高。磨損30 min后，原始硬質(zhì)合金樣品磨損率約為5.77×10-7 mm3/N.m。2次和5次輻照硬質(zhì)合金的磨損率較原始硬質(zhì)合金降低了約50％，10次輻照條件下硬質(zhì)合金的磨損率最低，較原始降低了約65％。原始硬質(zhì)合金與對磨材料

8、摩擦過程中，硬度相對較低的Co粘結(jié)相與對磨材料產(chǎn)生粘著，產(chǎn)生塑性變形而被優(yōu)先去除。當Co粘結(jié)相的去除量增加到無法支撐WC硬質(zhì)相時，硬質(zhì)相顆粒在摩擦力的作用下被移除，造成硬質(zhì)合金的磨損。HIPIB強烈非平衡作用下的重熔和再結(jié)晶使WC晶粒細化且分布更均勻，同時，表層析出彌散分布的Co3W9C4相，使Co粘結(jié)相產(chǎn)生強化，導致Co粘結(jié)相的平均自由程降低，從而增強了Co粘結(jié)相抵抗塑性變形的能力，提高了輻照硬質(zhì)合金的耐磨性能。HIPIB輻照形成的強