鎢極氬弧原位合成TiC增強(qiáng)鐵基熔敷層的研究.pdf

1、在礦山開采、重型冶金、油氣鉆探等重工業(yè)領(lǐng)域，能夠承受劇烈沖擊及抗腐蝕、抗磨損成為機(jī)械零部件的基本要求，在耐磨部件表面熔敷具有高硬度、高耐磨損性能的涂層成為這些領(lǐng)域修復(fù)部件、強(qiáng)化零件使用壽命的重要途徑。本文利用鎢極氬弧熱源，熔敷預(yù)涂在普通碳鋼表面上的合金粉末，制備出原位合成TiC增強(qiáng)的鐵基熔敷層，并對(duì)熔敷層的微觀組織、TiC增強(qiáng)相的生長(zhǎng)機(jī)制、熔敷層磨損性能等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了影響熔敷層組織及性能的因素及規(guī)律。 預(yù)涂合金粉末組分

2、是鎢極氬弧原位合成TiC鐵基熔敷層的關(guān)鍵。試驗(yàn)表明，純鈦粉+石墨組分在熔敷過(guò)程中容易氧化生成TiO<,2>，致使熔渣的熔點(diǎn)升高，鎢極氬弧熔敷時(shí)工藝性較差；加入鐵基自熔性合金粉末的組分(G314+Ti+C)能夠獲得較多的原位合成Tic增強(qiáng)相，熔敷工藝性能優(yōu)良，具有TiC+M23C6碳化物復(fù)合增強(qiáng)的熔敷層，但其抗裂性能下降；鈦鐵+石墨組分由于鐵．鈦低熔點(diǎn)共晶的存在，有利于TiC增強(qiáng)相的原位合成，提高了熔敷層中TiC的合成數(shù)量，獲得了以聚集樹

3、枝狀分布伴以較少數(shù)量彌散分布的TiC分布特征，增強(qiáng)效果明顯。且該粉末組分工藝性好，價(jià)格低廉，能夠獲得與母材結(jié)合良好、抗磨損性能和抗裂性能俱佳的鐵基熔敷層，是鎢極氬弧原位合成TiC增強(qiáng)鐵基熔敷層的理想組分。 鎢極氬弧熔敷是在非平衡熱力學(xué)條件下進(jìn)行的，由于熔池中熱傳導(dǎo)及結(jié)晶潛熱的綜合作用，使熔池中不同區(qū)域形成溫度梯度和成分過(guò)冷，初生TiC沿樹枝狀方向斷續(xù)形核，熔池中TiC原子因濃度梯度而擴(kuò)散至最近的TiC晶核，使得初生TiC以側(cè)面生

4、長(zhǎng)方式長(zhǎng)大，形成了呈樹枝狀排列的“長(zhǎng)磚塊”狀TiC顆粒微觀形貌。距離較近的TiC晶核在長(zhǎng)大過(guò)程中粘連生長(zhǎng)，形成了尺寸較大TiC顆粒。而在熔池凝固過(guò)程的共晶轉(zhuǎn)變中，TiC的形核生長(zhǎng)是擴(kuò)散機(jī)制，先凝固Fe基體的包覆使TiC生長(zhǎng)的各向異性被抑制，形成了不同形狀的共晶TiC顆粒。原位合成的TiC顆粒呈典型的小面生長(zhǎng)形態(tài)，其顯露面為生長(zhǎng)速度較慢的密排[111]晶面。TiC顆粒與基體金屬的結(jié)合界面潔凈，無(wú)反應(yīng)物、附著物生成，與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度高。

5、預(yù)涂層厚度、焊接電流、熔敷速度、熔敷層數(shù)等不同的熔敷參數(shù)影響著熔敷層的成形和耐磨性能。研究表明，當(dāng)預(yù)涂層厚度為1.2mm，焊接電流150A，熔敷速度為55-60mm/min，熔敷層數(shù)為三層時(shí)，能夠獲得成形好、與基體結(jié)合強(qiáng)度高組織與性能優(yōu)異的TiC增強(qiáng)鐵基熔敷層。不同熔敷層數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)表明，三層熔敷能有效降低組分中Ti、C元素的稀釋率，提高了熔敷層中增強(qiáng)顆粒的數(shù)量及尺寸，初生TiC顆粒樹枝狀分布和共晶TiC顆粒彌散分布相結(jié)合，基體為低碳馬

6、氏體組織，有利于熔敷層硬度及抗磨損性能的提高，又能有效避免裂紋形成。 預(yù)涂粉末的組分及含量影響著熔敷層中原位合成TiC的數(shù)量、尺寸、分布特征和基體組織構(gòu)成。當(dāng)組分中Ti∶C摩爾數(shù)比為1∶1.2時(shí)，熔敷層中Fe<,2>Ti有害相消失，原位合成TiC顆粒的數(shù)量增多，尺寸增大，基體為低碳馬氏體組織，能夠獲得硬度較高，抗磨損性能較好的鐵基熔敷層；粉末組分中加入稀土La<,2>O<,3>，增加了原位合成TiC的異質(zhì)形核核心，使得熔敷層中T

7、iC顆粒由發(fā)達(dá)的樹枝狀分布變?yōu)榧?xì)小的樹枝狀或者顆粒狀彌散分布。另一方面稀土La<,2>O<,3>改變了TiC形核與長(zhǎng)大方式，降低了TiC中的碳飽和度，對(duì)TiC晶體的力學(xué)性能帶來(lái)不利影響，使TiC的強(qiáng)度和硬度降低，影響了其增強(qiáng)效果，使得熔敷層的硬度降低，也使得加入稀土后熔敷層的抗磨損性能有所下降：粉末組分中加入釩鐵后，熔敷層中TiC-VC增強(qiáng)相數(shù)量增多，呈聚集樹枝狀和彌散顆粒狀分布，形成了TiC-VC復(fù)合增強(qiáng)效果。TiC-VC晶粒的元素分

8、布特征表明，TiC-VC晶粒中TiC、VC獨(dú)立存在并生長(zhǎng)，形成了TiC-VC的共生晶粒。另外V元素的加入細(xì)化了基體組織晶粒，提高了基體金屬和熔敷層的硬度。 通過(guò)對(duì)母材、熔敷層的對(duì)比磨損試驗(yàn)表明，在相同磨損條件下，鎢極氬弧原位合成TiC增強(qiáng)鐵基熔敷層的磨損體積為母材金屬的1/20-1/23，具有優(yōu)異的抗磨損性能。熔敷層磨損過(guò)程中，參與摩擦更多的是暴露于摩擦面的TiC顆粒，由于其阻礙和釘扎作用，摩擦過(guò)程需要消耗更多的摩擦功，磨損量降