TiC/Al2O3 颗粒对激光熔敷的Ni60合金涂料摩擦性能的加强外文翻译资料

TiC/Al2O3 颗粒对激光熔敷的Ni60合金涂料摩擦性能的加强

摘要：

用碳化钛和三氧化二铝陶瓷颗粒制备加强对Cr12MoV激光熔敷的复合涂料。复合涂料的横截面，显微组织，相图，显微硬度和耐磨性都会被列如光学显微镜，电子扫描显微镜，透射电子显微镜，X射线衍射仪，维氏微硬度剂以及干滑动测试机等测试。通常在陶瓷增强颗粒为15%时会在涂料层出现裂纹。当陶瓷含量小于15%时，复合涂料与基体有很好地冶金上的连接。复合涂层的各相包括Ni–Cr–Fe和 gamma;-(Fe,Ni)，Cr3C2 和Cr2C，Fe3C， TiC 和Al2O3。涂敷在未熔合的TiC 和Al2O3陶瓷上的钛合金复合陶瓷颗粒会在涂层中析出。一部分钛元素与碳元素会溶解于原始的TiC中，然后在基体中沉淀形成新的TiC陶瓷。这些复合的陶瓷颗粒能通过加强陶瓷颗粒与基体间的连接显著提高涂层的耐磨性能。

关键字：复合涂层、TiC、AL2O3、激光熔覆、富钛合金复合物

1.引言：

Cr12MoV是一种传统的冷压模具钢，为了抵抗重复的冲击与摩擦，我们就需要一些突出的表面性能列如高耐磨性与高硬度。利用传统的方法列如渗碳渗氮或是堆焊提高表面性能不仅高成本而且效率低。激光熔敷技术可以通过在传统金属表面敷上一层薄的涂料来获得以上所说的表面性能。与此同时，还降低了成本并提高了效率。

陶瓷颗粒可以显著提高涂料的耐磨性由于它有很高的硬度。但是，由于在熔敷过程中很容易产生裂纹，纯陶瓷涂料层很难获得。因此，陶瓷颗粒与合金粉末的混合物通常用来制造有高耐磨性的复合涂层。当然，不同的陶瓷种类对于涂料的影响也不相同。因此，陶瓷颗粒对于涂料的机械性能的影响是激光熔敷技术中热门的课题之一。吴晓磊等人研究了被碳钛化合物颗粒加强的镍基合金复合涂层。原始的TiC与原位反应的TiC显著提高了它的摩擦性能。

Dongsheng Wang et al.提出TiO2的加入会加强Al2O3涂层的性能，并且当TiO2的重量百分比为13%时复合涂层拥有极佳的耐磨性。H.C.Man等人通过使用激光诱导反应建立了TiC与碳化物混合陶瓷加强物。陶瓷颗粒对于激光熔敷涂层的应用及影响被广泛研究。陶瓷颗粒对于涂料性能的影响机制也各不相同。但是，在激光熔敷过程中，两种颗粒的影响很少被提及，同时，陶瓷颗粒混合物对于基体的摩擦性能的影响机制也还不清楚。

因此，TiC与Al2O3陶瓷被选择添加到Ni60合金粉末中。两种陶瓷在激光熔敷过程中的演变规律与相互影响的机制都会被系统地研究。

2.实验步骤

2.1激光熔敷涂层的材料与制备

本次实验中使用的材料使用的是Ni60 TiC/Al2O3混合粉末。Ni60混合的化学成分列在表1中，粉末大小平均为50-80微米。如表2所示，TiC/Al2O3陶瓷混合物的含量分别为0%，5%，10%和15%，TiC与Al2O3的重量比为1:1。TiC粉末颗粒大小为5-10微米不规则的形状，而Al2O3粉末颗粒为直径50-70微米的球体。TiC 与 Al2O3的形状与大小如图1所示。实验中使用的是300*200*10规格的正火处理的Cr12MoV冷压磨具钢。

基板先被砂纸打磨后用酒精清洗掉有机物。然后，粉末混合物混合酒精涂在基体表层上，厚度层大约1毫米。型号为JK2003SM的激光设备被用来焊接基体上的粉末，激光熔敷的参数如表3所示。

表一:

Ni60的化学成分（wt/%）

表二:

复合粉体的化学成分（wt/%）

表三:

激光熔覆工艺参数

图1.粉末的颗粒形状和尺寸

2.2微观结构特征

激光熔敷之后，试件的复合涂物层被横向切开。我们使用奥林匹斯体式体显微镜研究熔敷层的横截面，混合涂层的的显微结构被奥林匹斯光学显微镜，S4800扫描式电子显微镜与JEM-2100F透射电子显微镜观测。用X射线衍射机分析打磨过的涂层相成分。使用100克负载，10秒的时间，两点间的间隔为0.2毫米配合MHV2000型叔子显微硬度剂，分析显微硬度从混合涂层表面到基体的分布。

2.3.磨损实验

混合涂料的磨损性能被MM-200干式滑动磨损试验机检测。摩擦附件的材料为GCr15.磨损实验的参数如表4所示。由磨痕的深度与宽度确定磨损量。因此，磨损量可以由公式计算得：

B（毫米）表示磨痕的宽度，L（毫米）表示磨痕的深度，R（毫米）表示磨损环外半径。在实验前后的试件的重量损失可以通过分析天平测得。在磨损实验后，复合涂层的磨损过得表面会通过S4800扫描式电子显微镜分析。

表四：

耐磨性试验参数

3.结果与讨论

3.1复合涂层的宏观特性

图2是有不同含量的陶瓷强化物的复合涂层的横截面。复合涂层与基体有良好的冶金连接，在接合处没有发现明显的缺陷。熔敷层的表面轮廓是凸曲线。这是由于涂层的吸收的热能近似按照高斯分布，因为激光焦点的的能量的分布也是按照高斯分布。另外，表面张力的大小也与温度线性相关，温度越高表面张力则越小。所以，液体涂层金属周围相比中心有更高的表面张力。在表面张力的作用下，液体涂层金属会由四周向中心聚集，然后凸涂层就因此形成。图2是陶瓷加强物为15%时的复合涂层的横截面高分辨率的金相图，在涂层中存在明显的裂纹。谈等人发现了在涂层中的陶瓷加强物的最佳加入量。在较低的陶瓷加强物的量的时候，加强的效果不明显，当含量过多时，在涂层中产生的块状的加强物会成为潜在的裂纹源。

图2.复合涂层的截面：（a）A1涂层；（b）A2层；（c）A3涂层；（d）和（e）A4涂层

( 备注：Crack 裂纹)

3.2.复合涂层的耐磨性

图3显示了基体与复合涂层的加入不同含量陶瓷加强物的显微硬度。相比基体，涂层的显微硬度随着陶瓷加强物的加入从667.0HV到777.0HV明显提高了。这是由于涂层中高硬度加强物的增多使基体的显微硬度增加了。

如图4所示，随着陶瓷加强物的增多，磨损值与磨损量都减少了。这个结果表明，涂层的耐磨性与显微硬度有相同的变化（即随着陶瓷加强物的增加，耐磨性能增加）。Singh R等人报告显微硬度的增加能明显改善涂层的耐磨性。图5是已磨损的复合涂层的表面的金相图。如图5（a）所示，当陶瓷加强物含量为0%时，在磨损的表面存在许多深的宽的沟槽并且伴随着塑性变形。当陶瓷加强物为5%时，表面的沟槽变得浅而窄，并且塑性变形也减少。当陶瓷加强物为10%时，浅而窄的沟槽均匀分布在磨损的表面。

图3.基体和复合涂层的显微硬度 图4.复合涂层的磨损损耗

图5.复合涂层的磨损表面形貌：（a）A1涂层；（b）A2涂层；（C）A3涂层

3.3.复合陶瓷加强物的形成机理

如图6所示，复合涂层的微观结构是TiC与Al2O3分布在固溶体(Ni–Cr–Fe和 gamma;-(Fe,Ni))中。没有加入陶瓷加强物的涂层（列如A1层），有确定的耐磨性，这是由于铬碳化合物，铁素体会加强显微硬度。A2层与A3层加入了陶瓷强化物（TiC与Al2O3），所以会有明显的TiC与Al2O3的波峰在X射线衍射中被观察到。TiC与Al2O3的硬度比铬碳化合物，铁素体强，所以明显增加了复合涂层的显微硬度与耐磨性。

图6.磨损试验前复合镀层的X射线衍射分析

A3复合涂层的扫面显微结构与元素分布如图7所示。结果显示铁元素与镍元素在涂层中均匀分布，共同构成gamma;-(Fe,Ni)固溶体。一部分铬元素与碳元素形成碳铬化合物，Ni–Cr–Fe固溶物由镍，铁以及平衡的铬共同形成。钛元素与铝元素主要分布阿紫固溶体的边界。钛元素的分布呈散点状，并且有不同的大小。铝元素分布在大型钛元素分布的区域，但是小型的钛元素的区域就没有铝了。氯元素所在的区域比钛元素多。为了深入研究钛元素与铝元素的分布规律，图8中（a）区与（b）区被算着使用高倍的扫描显微镜进行观察分析。

如图8所示，在固溶体边界存在一个大的陶瓷颗粒，球心相比求的外部有更深的颜色。钛元素分布阿紫陶瓷颗粒中，包括球心与外球体，铝元素与氧元素只分布在球心，陶瓷颗粒与固溶体与碳元素的含量一样低。Li JN等人的报告指出，在激光熔敷过程中，陶瓷碳化物和基体合金形成有限固溶体好人共晶合金，因为它在基体合金中有固定的溶解度。可以推断，陶瓷的心部是Al2O3，外球踢是富钛合金而不是TiC颗粒。

在激光熔敷的过程中，陶瓷颗粒会被熔化并分解，由于表面是不规则的。图7中TiC与Al2O3的平均大小分别是1微米与0.8微米。最初的TiC的平均大小是5-10微米，Al2O3的大小是50-70微米。陶瓷颗粒的大小的不同显示了Al2O3的熔化量比TiC高。陶瓷颗粒的热扩散率可以由公式2计算来这个熔化现象：

alpha;（m2/s）表示热扩散率，lambda;(W/(m·K))表示热传导率，rho;(kg/m3)是密度，c(J/(kg·K))是比热容。TiC的热传导率，密度，比热容分别是24.28W/(m·K), 4.93 g/mL和 837 J/(kg·K)。相对应的Al2O3的物理参数分别为30.22 W/(m·K), 3.5 g/mL 和837 J/(kg·K)。通过公式（1）计算后的TiC和Al2O3的热扩散率分别是5.88 times; 10minus;6m2/s 和 1.03 times; 10minus;5m2/s。Akoshima M等人发现，热传导率越高，在相同的温度梯度下热传导的月多。当rho;c变小，在增加一度后吸收的热量也会变小。被传导到内部金属的热量越多，随着表面温度的增加材料每个部分的温度都会提高。因此Al2O3相比TiC增加相同的温度所需的时间更少。TiC的熔点是3140℃，Al2O3的熔点是2045℃，所以在相同的激光熔敷过程中，TiC的熔化质量高于Al2O3。

图7.在A3复合涂层组织的元素分布

图8.（a）区域的高功率扫描显微图片

图9显示的是高倍扫描显微镜下（b）区的元素分布。在显微结构中有3中陶瓷颗粒，第一种是Al2O3倍富镍合金包裹的复合陶瓷（图9（①）），第二种是大的富钛陶瓷颗粒（图9（②）），第三种是小的富钛陶瓷颗粒（图9（③））。

在激光熔敷过程中，陶瓷颗粒会比镍基合金粉末吸收更多的激光能量。因此，小的陶瓷颗粒会完全分解，大的陶瓷颗粒的边界与表面会部分分解。在涂层的凝固过程中，钛与碳会从T

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[152975]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word