等離子堆焊碳化鎢強化鎳基合金組織與性能研究_夏厚福

1、犬il硿-大莩DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY頎士莩位坨文MASTERAL DISSERTATION等離子堆焊碳化鎢強化鎳基合金組織與性能研究學科專業(yè)材料加工工程作者姓名?指導教師?M_一答辯日期2014年6月碩士學位論文等離子堆悍碳化鎢強化鎳基合金組織與性能研究Microstructure and Wear Behavior of Ni-based HardfacingReinfored With Tungsten Carbides by PTAW作者姓名:夏厚福學科、專業(yè):材料加工工程學號:21105051指導教師:鄧德偉完成曰期:2014年5月式遠理工夫嗲D

2、alian University of Technology大連理工大學學位論文獨創(chuàng)性聲明作者鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下進行研究工作所取得的成果。盡我所知,除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外,本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果,也不包含其他已申請學位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均巳在論文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處,本人愿意承擔相關法律責任。學位論文題目:M HiSf扉柳tMM觀_fl作者簽名: 夏謠搞日期:TWf年/月夕日大3?理工大學碩士學位論文摘 要為了提高材料表面耐磨性,通常在其表面堆焊耐磨合金,有時為了獲

3、得特殊的性能,如高的耐應力磨損性能,可添加硬質(zhì)合金粒子進行強化。對鎳基合金而言,常添加的硬質(zhì)粒子為碳化鎢。其原因為:一方面碳化鎢具有高的耐腐蝕性、高硬度、高熔點、可焊性好、具有一定的塑性變形等特點;躬一方面鎳基合金與碳化鎢顆粒之間有較好的潤濕性。本課題選用等離子堆焊技術(shù),其原因為:等離子堆焊技術(shù)具有稀釋率和變形小、焊道平整、工藝穩(wěn)定、冶金結(jié)合好、致_無缺陷、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。本文來用等離子堆焊技術(shù)在奧氏體不銹鋼鋼板表面堆焊碳化鎢強化鎳基耐磨合金,使用光學顯微鏡(0M)、帶能譜分析的掃描電子顯微鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、X射線衍射儀(XRD)、X射線熒光光譜分析伩(XRF)、紅外碳

4、硫分析伩、顯微硬度計、磨損試驗機等設備研宄合金堆焊層的顯微組織和耐磨性能。研究了堆焊電流對鎳基合金堆掉層組織與性能的影響。結(jié)果表明.隨著堆焊電流的增大堆焊層中的枝晶組織變得越來越不明顯,堆焊層中依次出現(xiàn)魚骨狀組織、羽毛狀組織和點狀群落組織,并且硬度也隨之降低。研究了添加不同含量和形狀碳代鎢強化鎳基合金堆焊層組織與性能。在顯微組織方面,隨著碳化鎢含量的增加,堆焊肩中出現(xiàn)了針狀、塊狀、條狀及骨架狀組織,并且均含有W元素;在耐磨性能方面,隨著1碳化鎢添加量增大,合金堆焊層的耐磨性能也隨之提高,且球形碳化鎢的強化效果優(yōu)予不規(guī)則碳化鎢。研宄了堆焊電流對碳化鎢強化鎳基合金堆焊層組織與性能的影響。堆焊電流不

5、同,元素凝固時擴散程度也不同,最終導致堆焊層中出現(xiàn)不同形態(tài)的組織。在耐磨性能方面,堆焊層的耐磨性并不是堆焊電流的單調(diào)函數(shù),它與電流及試驗載荷大小相關。同時,在堆焊層中觀察到了不同程度溶解的破化鎢,這些溶解的碳化鎢進入到鎳基合金基體中,與基體中元素進行反應,形成各種不同形狀的復雜化合物,并且隨著堆輝電流的增大,碳化鎢溶解現(xiàn)象越來越明顯。關鍵詞:等離子堆焊;鎳基耐磨合金;碳化鎢;顯微組織:耐磨性等離子堆焊碳化鎢強化鎳基合金組織與性能研宄Studies on Microstructure and Properties of Ni-based HardfacingReinforeced With Tu

6、ngsten Carbides by PTAWAbstractIn order to improve the surface wear resistance, the abrasion-resistant alloy wasdeposited on the surface of material. Sometimes for special performance, such as high stressabrasion resistance, it can be adding carbide particle in it. For the Ni-based hardfacing, theca

7、rbide particle usually was tungsten carbides. There are some reasons for this. On the onehand, the tungsten carbides has high corrosion resistance, high hardness, high melting point,good weldability and plastic deformation. On the other hand, the Ni-based alloy has goodwettability with tungsten carb

8、ides. It adopts plasma transferred arc welding (PTAW) in thispaper, the reason is that it has lower dilution and deformation, good weld formation, processstability, easy to realize automation, excellent bonding with substrate and dense anddefect-free deposits.The Ni-based hardfacings reinforeced wit

9、h tungsten carbides were deposited onaustenitic stainless steel substrate by plasma transferred arc welding (PTAW). The opticalmicroscope (OM),scanning electron microscope (SEM) with Energy Disperse Spectroscopy(EDS), electron probe microanalyzer (EPMA), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescencesp

10、ectrum analyzer (XRF), infrared carbon sulfur analyzer, microhardness tester and slidingwear tester were employed to analysis the microstrcture and wear resistance.The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacingwas studied. The results indicated that dendrites c

11、onstituents was becoming more and moreunconspicuous, the herringbone, feathery and dot community structure were appeared incoatings and the microhardness was decreased with the increase of the current.The microstructure and wear resistance of the Ni-based alloy reinforced with differentcontent and s

12、hape of tungsten carbide were researched. In the aspect of microstructure,with theincreasing content of tungsten carbides, in the shape of acicular constituent, block tissue, longflake and skeleton structures, which including element of W, were precipitated in coatings. Interms of wear resistance, t

13、he wear resistance of coatings increased, with the increasing content oftungsten carbides. At the same time, the reinforcement effect of spherical tungsten carbide wasbetter than the irregular tungsten carbides.The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacingrein

14、forced with tungsten carbides were researched. In different welding current, the diffusionrate of element was different during the solidification of coatings, leading to various forms ofiiorganization appeared in the coatings. In terms of wear resistance, the wear resistance of coatingwas not monoto

15、nic function of current, it related to the current and the size of the test load. Thedissolved tungsten carbides with different degree were found in coatings. They reacted with theelements of Ni-based alloys to form low melting eutectics, which precipitated in different shapes.What is more, the diss

16、olved phenomenon of tungsten carbides was more obviously with theincrease of the current.Key Words: Plasma transferred arc welding; Nickel-base alloy; tungsten carbides;Microstructure; Wear resistance-in-等離子堆艦化鎢強化鎳基合金組織與性能研宄目 錄m IAbstractII1 11.1鎳基合金11.1.1 鎳基合金的分類11.1.2合金元素對鎳基合金的影響31.2碳化鎢41.2.1碳化鎢的分

17、類及優(yōu)點41.2.2碳化鶴的應用51.3摩擦磨損51.3.1 磨損的分類51.3.2磨損機理61.3.3影響磨損的因素71.4等離子弧堆揮81.5課題研究意義及主要內(nèi)容92實驗部分102.1 實驗材料102.2焊前準備與焊后熱處理112.3試樣的制備112.4顯微組織分析122.5摩擦磨損試驗123電流對等離子堆焊Ni40合金組織與性能的影響133.1 實驗材料133.2合金堆焊層顯微組織分析133.3合金堆焊層硬度分析233.4 本章小結(jié)244碳化鎢的含量及形狀對等離子堆焊鎳基合金組織與性能的影響254.1不同含量球形碳化鎢對等離子堆焊鎳基合金組織與性能的影響254.1.1 實驗材料25-I

18、V -4.1.2合金堆焊層顯微組織分析264.1.3合金堆焊層摩擦磨損性能分析324.2不同含量不規(guī)則碳化鎢對等離子堆焊鎳基合金組織與性能的影響.364.2.1 實驗材料364.2.2合金堆焊層顯微組織分析374.2.3合金堆焊層摩擦磨損性能分析444.3 本章小結(jié)475電流對等離子堆焊碳化鎢強化鎳基合金組織與性能的影響485.1電流對等離子堆焊球形碳化鎢強化鎳基合金組織與性能的影響485.1.1 實驗材料485.1.2合金堆焊層顯微組織分析485.1.3合金堆輝層摩擦磨損性能分析575.2電流對等離子堆焊不規(guī)則碳化鎢強化鎳基合金組織與性能的影響.605.2.1 實驗材料605.2.2合金堆焊

19、層顯微組織分析615.2.3合金堆焊層摩擦磨損性能分析655.3 本章小結(jié)67 it69參考文獻70攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況76Sfc if77大連理工大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書78:?工大學碩士學位論文1緒論1.1鏡基合金鎳基合金是指在高溫下具有較高強度與一定抗氧化腐燭能力等綜合性能的一類合金,它廣泛應用于海洋、石油、化工、核電等行業(yè),解決一般不銹鋼和其它金屬、非金屬材料無法解決的工程問題。其強化機制為:一方面可以通過合金元素固溶強化,另一方面還能產(chǎn)生沉淀強化2。1.1.1鎳基合金的分類鎳基合金的分類方法通常有兩種,一種是按照其化學成分進行分類,另一種是按照其主要性能特點進行分類,常

20、用的分類方法如圖U所示。下面將對鎳基耐熱合金、鎳基耐蝕合金和鎳基耐磨合金作簡單的介紹。鎳基合金I II I按化學成分特點I I按性能特點ip Jn r- r*i 丄 丨鎳迪鎳鎮(zhèn)鎳媒鎳鎳鎳鎳鎳合22銀責鉻鉻絡鉻基基基基基金55鐵2鐵相銀銀耐耐耐精形金金金金金金合合合合合合記金金金金金金憶圖1.1鎳基合金的分類Fig. 1 ? 1 The classification of the Ni-based alloy(1)鎳基耐熱合金鎳基耐熱合金又稱為鎳基高溫合金,它具有組織均句、有害相少和耐氧化腐蝕能力強等優(yōu)點,同時,能在高溫較大應力條件下工作3。它的合金粉末在制造航空發(fā)動機潤輪盤上有重要的應用由于鎳

21、基高溫合金在工業(yè)上應用廣泛,眾多的學者對鎳基高溫合金進行了研究。鋼鐵研究總院的國為民等人力對鎳基粉末高溫合金的組織、性能與成型及熱處理工藝關系進行了研究,他們發(fā)現(xiàn)冶金工藝、熱處理工藝及內(nèi)部缺陷都對鎳基粉末高溫合金組織與性能產(chǎn)生直接的影響。中國礦業(yè)大學王會陽等人【8對鎳基高溫合金材料的研宄進展進行了闡述,主要從力學性能、氧化行為、疲勞行為和高溫蠕變行為這幾個方面進行了研究。-1 -等離子堆揮碳化媽強化鎮(zhèn)基合金組織與性能研宄北京科技大學吳凱等人對鎳基高溫合金的高溫蠕變及固溶冷卻速度和前處理對線基粉末高溫合金組織與硬度影響進行了研宄。關于蠕變,他們認為if變阻力是影響鑄造鎳基高溫合金螺變機制的重要因

22、素。關于固溶冷卻速度和前處理,他們認為冷卻速度越快,合金硬度越高,失效后硬度增高越多。鋼鐵研究總院的張室等人對鎮(zhèn)基粉末高溫合金的缺陷進行了分析研究,認為鏡基高溫合金粉末中的夾雜物、空心、包裹粉、氧化污染粉等異常顆粒是成型后合金中缺陷的隱患。山東大學的杜勁等人對鎳基粉末高溫合-金的鐵削加工進行了研究,得到了鎳基粉末合金的統(tǒng)削力和統(tǒng)削溫度的經(jīng)驗公式。(2)鎳基耐獨合金、鎳基耐燭合金在工業(yè)上應用廣泛,其優(yōu)點如圖1.2所示,現(xiàn)對常用的鎮(zhèn)銅合金和鏡鉻合金這兩種耐燭合金作簡單介紹。在國內(nèi),常用的兩種鎳銅合金牌號分別為Ni68Cu28Fe和Ni68Cu28Al。對Ni68Cu28Fe鎳銅耐燭合金而言,其組織

23、結(jié)構(gòu)為典型的單相奧氏體組織,沒有金屬間相析出,不存在由于復相合金不同相間電偶反應而引起的腐燭。在大氣中,它具有極高的耐燭性,在天然水和蒸館水中,其耐燭性也是極佳的,在有空燭-磨燭條件下,其耐燭性更顯優(yōu)越性,可用于制造螺旋獎、泵軸、冷凝器傳熱管和葉輪等。然而,在亞硫酸中,它容易受到腐燭,不能用于處理亞硫酸溶液和造紙工業(yè)中的亞硫酸!?。對Ni68Cu28A丨鎳銅耐燭合金來說,相對于第一種鎮(zhèn)銅耐燭合金而言,它具有更高的強度和硬度,主要是由于該合金存在金屬間化合物沉淀,能起到沉淀強化作用。該鎳銅耐燭合金主要用于泵軸、葉輪、輸送器刮刀、油井鉆環(huán)、彈性部件和閥塾等。當Ni中添加10%以上的Cr時,便得到了

24、耐燭性和抗氧化性較好的鏡鉻合金。根據(jù)Cr的添加量不同,可對鏡銘耐燭合金進行分類。常用的鎳絡耐燭合金的牌號有:0Crl5Ni75Fe、0Cr23Ni63Fel4Al、0Cr20Ni65Ti3AlNb、O0Cr3ONi6OFelO、0Cr35Ni65等合金。0Crl5Ni75Fe鏡鉻合金具有較好的耐燭、耐熱、抗氧化、加工及煙接等性能特點,廣泛應用于化學等工業(yè)中,例如用于制造加熱器、蒸發(fā)器、蒸館塔、冷凝器等設備上,它也是輕水堆核電廠的重要結(jié)構(gòu)材料;0Cr23Ni63Fel4Al鎳絡合金在氧化性酸中具有較好的耐燭性,同時也具有較好的抗氧化性能和抗硫化性能,它主要用于加熱設備、化學工業(yè)、航空航天以及動力

25、工業(yè)中;0Cr20Ni65Ti3AlNb鎳基耐燭合金主要特點是在氧化性介質(zhì)中具有良好的耐燭性和耐磨性,主要用于耐燭條件下,例如制造有稀硝酸腐燭并有振動、撞擊條件的計量栗截止球閥;0OCr30Ni6OFel0鎳鉻合金是一種專用合金,主要用于輕水反應堆核電站制造蒸發(fā)器傳熱管,以解決不銹鋼等材料出現(xiàn)的應力腐她問題;0Cr35Ni65鎮(zhèn)基合金最大特點在于既耐強氧化性酸的腐燭,也耐高溫氣體的熱腐燭,它一般用于制造耐HN03、HN03+HF混酸的容器、管道、塔和槽等,也用于核化工工業(yè)中。-2 -一 :? "&女f白勺而寸t蟲十生含巨罈入其,付合強度高、塑朝性好金的悅點ri冶煉和鑄造性能好

26、H冷熱變形和加工能力強圖1.2鎳基耐燭合金的優(yōu)點Fig. 1.2 The advantages ofNi-based corrosion resistant alloy(3)鎮(zhèn)基耐磨合金鎳基耐磨合金通常是以涂層的形式應用于工業(yè)上,制備耐磨鏡基合金涂層的常用方法有電鍵、化學鍵、激光溶敷、等離子堆煌、真空溶結(jié)和噴烤等手段。由于等離子堆燥和激光溶敷母材稀釋率小、界面成型好、生產(chǎn)效率高和易于實現(xiàn)自動化,故常用來制造鎳基耐磨合金堆燥層。鎳基耐磨合金具有較好的耐磨性能,這是由鎳基合金的顯微組織決定的。鎳基合金的微觀組織主要由枝晶組織和枝晶間組織構(gòu)成,枝晶間組織主要是一些富鉻硼化物和富鉻碳化物,它們都具有很

27、高的硬度。C.Sudha等人15釆用等離子堆燥技術(shù)在304L不誘鋼表面堆煌鎳基耐磨合金,在富含大量針狀組織的碳絡化合物區(qū)域,硬度高達700VHN。D.Kesavan等人對鎮(zhèn)基的高溫磨損性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著測試溫度的提高,鎮(zhèn)基耐磨合金的耐磨性能提高了,在823K?的溫度下,堆燥層的耐磨性能最好。E.Fernandez等人17對激光館敷鎳基合金的耐磨性能進行了研宄,發(fā)現(xiàn)在不同的載荷作用下堆烤層的磨損機制不一樣,低載荷的磨損機制為氧化磨損,高載荷的磨損機制為粘著磨損和氧化磨損。1.1.2合金元素對鏡基合金的影響在鋼鐵中加入合金元素,能改變材料的工藝性能和使用性能。這是因為添加合金元素后,合金元素

28、與鋼中其它元素發(fā)生相互作用,改變了鋼中各相的穩(wěn)定性,并產(chǎn)生了許多新相,從而改變了原有組織18。在鎳基合金中加入合金元素,也能改變鏡基合金的諸多性能,下面簡單介紹主要合金元素對鎮(zhèn)基合金的影響(1)鈷、鐵、猛。它們在一定的溫度范圍均能與鎮(zhèn)形成彼此無限連續(xù)固溶體相,均能-提高鎳的熱電勢。鉆提高鎳的硬度及熱穩(wěn)定性。鐵、猛能顯著降低鎳的膨脹系數(shù),鐵還可以通過置換部分鎳,降低成本和提高廢料利用率,猛能消除硫和碳的有害影響。(2)絡。絡在鎳中的固溶度可達40%,是許多耐燭及高溫鎳基合金的重要元素。在耐燭性方面,它能改進在氧化性腐燭介質(zhì)中的耐獨性,提高耐局部腐t蟲性能。在提高高溫-3 -等離子堆燥碳化鶴強化鎮(zhèn)

29、基合金組織與性能研究性能方面,它能顯著提高鏡的熱強性與熱穩(wěn)定性,并大大提高鎳的電阻系數(shù),降低電阻溫度系數(shù)。(3)紹、I太、娃。它們在鎳中的溶解度不大。銷能提高鎳在高溫下的抗氧化能力及熱強性。鐵能改善燥接熱影響區(qū)和耐晶間腐燭的性能,并且能顯著提高鎳的熱強性、電阻系數(shù)、熱電動勢及再結(jié)晶溫度。提高硅含量(>4%)能提高鎳基合金的耐氧化性礦物酸、硫酸和硝酸腐她的性能,還能提高鎳的硬度、強度、電阻系數(shù)與耐熱性,但含量過高則會降低塑性。(4)碳、硼。碳和硼的含量能顯著影響碳化物和硼化物的析出量,少量的碳能偏聚于晶界,形成細小二次相,能有效降低裂紋形成傾向,但碳含量過高,易使得晶界變脆,裂紋易于擴展,

30、降低合金性能;少量硼對合金的塑性和螺變強度有利,并且能夠顯著減小持久缺口敏感性,硼含量過高易降低合金塑性和高溫持久性。1.2碳化銷在表面堆輝技術(shù)中,為了進一步提高合金堆燥層的耐磨性,通常在堆煌合金中加入一定量的硬質(zhì)粒子,被選用的硬質(zhì)粒子要求在基體中有較小的溶解度,并且溶點比基體合金要高,由于碳化鶴具有眾多的優(yōu)點,故通常作為硬質(zhì)粒子加入到鎳基合金和鈷基合金中2卜26)。1.2.1碳化銘的分類及優(yōu)點根據(jù)碳化媽的獲得方法不同,可將其分為鑄造碳化鶴、燒結(jié)碳化鶴和單晶碳化媽三類27_29;根據(jù)碳化銷的形態(tài)不同,又可將其分為球形碳化鶴和不規(guī)則碳化鶴兩類21。圖1.3表示碳化鶴作為硬質(zhì)粒子的一些優(yōu)點,正是由

31、于碳化鶴具有這些優(yōu)點,碳化銷才作為一種硬質(zhì)粒子廣泛添加到其它合金粉末中碳化鶴的點i 丨I II j iif 丨可 n Q DmWi ftS"燭i偉3 S當S有塑被濕性性S 1 I f 一性合if ifj Q n H 圖1.3碳化鶴的優(yōu)點Fig. 1.3 The advantages of tungsten carbides4 -1.2.2碳化鶴的應用在表面改性激光堆捍和等離子堆'焊過程中,碳化鶴通常作為硬質(zhì)粒子添加到合金堆輝層中,目前研宄比較多的都是向鎳基合金和鈷基合金中加入碳化鶴硬質(zhì)顆粒,這是由于鎳基合金和鈷基合金對碳化鶴有良好的潤濕性,在磨損過程中,碳化鶴在基體中起抗磨作

32、用,基體能防止碳化鶴裂紋擴展和承受一定的沖擊載荷作用34?本課題也是基于此而展開研宄的。在鎳基合金中加入碳化鶴進行等離子堆輝時,Tonya Brett Bunton Wolfe等人認為會在堆捍層中形成四個區(qū)域,這四個區(qū)域的碳化鶴含量不一致,在堆焊層中部和靠近溶合線處碳化鶴含量較多,溶合線處碳化鶴含量次之,堆捍層頂部碳化鶴含量最少。并且,由于等離子弧溫度較高,在堆捍過程中,部分碳化鶴會發(fā)生溶解,溶解后的碳化鶴與基體中的元素發(fā)生冶金反應,生成新的析出相。A.Liu等人研究了在等離子堆淳時碳化鶴的分布與溶解,他們發(fā)現(xiàn)碳化錫在堆輝層中的分布依賴于絡池的凝固速度,并且球形碳化鶴更容易進入到溶池中,而不規(guī)

33、則碳化鶴一般位于合金堆捍層的上部,這種差別的產(chǎn)生是由于球形碳化鶴在溶池中的流動性比不規(guī)則碳化鶴的流動性要好。在激光熔敷方面,也有眾多的文獻研究添加碳化鶴后線基合金溶覆層的組織與性能的變化,并且研究性能變化主要集中在耐磨性能和耐燭性能方面1.3摩擦磨損兩個在接觸狀態(tài)下作相對運動的物體,因接觸而阻礙相對運動,并使運動速度減慢,這種現(xiàn)象稱為摩擦。物體表面相互摩擦時,材料自該表面逐漸損失的過程稱為磨損。磨損是伴隨摩擦而產(chǎn)生的,一般來說,有摩擦就會引起磨損,同時,磨損也是一個復雜的過程酬。1.3.1磨損的分類引起磨損的原因有很多,既有力學因素,也有物理和化學因素,很多因素如摩擦副材料、潤滑條件、加載方式

34、和大小、相對運動特性等也影響磨損量的大小,所以磨損是一個十分復雜的系統(tǒng)過程。目前還沒有統(tǒng)一的分類方法,但通常的分類方法有三種,如圖 1.4 所示-5 -等離子堆輝碳化瑪強化鏡基合金組織與性能研究磨損,、JI按發(fā)生歴損 按發(fā)屯磨損的衷面接觸的環(huán)境及介性質(zhì)劃分質(zhì)劃分 J_ 丄r-L J-, r-L, r-L r-J", n-J", r-Li金金金接流 M平M 點:磨磨觸沖微沖T-濕i金磨流著:粒燭疲燭動擊磨磨:睫屈粒體磨I磨磨勞磨磨磨損彳貝.損磨損丨損損磨損損損;損損損損圖1.4磨損的分類Fig. 1.4 The classification of wear1.3.2磨損機理關

35、于磨損機理的研宄,不同的學者提出了不同的理論,他們各自的理論都是建立在一定條件的基礎之上,下面將簡單介紹三種比較常見的磨損理論46。(1)磨損的剝層理論美國麻省理工學院的教授N.P.Suh最早提出磨損剝層理論,它分析了磨損時金屬的塑性變形與斷裂行為,這一理論的基礎為金屬的位錯理論148。根據(jù)剝落坑外形特征,可以劃分為三種剝落形式,分別為:點燭、淺層剝落和深層剝落。點燭主要發(fā)生在接觸表面下的最大切應力處,它是由于位錯在次表層運動,從而在夾雜物或晶界等障礙處發(fā)生堆積。在滾動接觸過程中,剪應力方向不斷發(fā)生變化,位錯運動方向也隨之發(fā)生變化,由于位錯的切割,形成空穴,空穴集中而形成空洞,最后演化為裂紋,

36、裂紋在載荷作用下發(fā)生擴展,當擴展至表面時,便形成點燭。表面接觸應力較小,摩擦力較大或表面質(zhì)量差時,容易產(chǎn)生點燭47。在純滾動或摩擦力很小情況下,此時次表層的切應力最大,更容易形成裂紋,當裂紋沿著平行于表面的方向擴展時,易形成薄而長的剝落片,此時就發(fā)生了淺層剝落,第二相硬質(zhì)點和夾雜物都能促進淺層剝落,材料表面粗糙度比較低,也易出現(xiàn)淺層剝落。當裂紋位于材料硬化層與心部交界處時,此時該處的最大合成切應力高于材料的塑性變形力,容易造成大塊剝落,最終形成深層剝落。對于一些表面硬化而心部強度太低,硬化層深度不合理,梯度太陸或過渡區(qū)存在不利的應力分布的部位,容易形成深層剝落。(2)磨損的疲勞理論-6 -當兩

37、個接觸體相對滾動或滑動時,在循環(huán)變應力作用下,超過材料疲勞強度極限,產(chǎn)生裂紋,并逐步擴展,造成材料剝落,形成疲勞磨損。材料發(fā)生破壞時,由于其應力循環(huán)次數(shù)遠低于彈性接觸條件下的循環(huán)次數(shù),因此,也經(jīng)常稱為低循環(huán)疲勞破壞。最早提出疲勞磨損理論的學者是蘇聯(lián)的克拉蓋爾斯基他提出來的理論包含以下幾方面:(a)兩磨損面發(fā)生摩擦,接觸的部分是不連續(xù)的,眾多的接觸點組成實際的磨損面,這是由材料實際表面存在著粗糙度決定的;(b)接觸點由于有法向應力作用,它會產(chǎn)生局部應力和塑性變形;(C)兩接觸表面產(chǎn)生相對滑動時,摩擦力將導致接觸區(qū)材料性能發(fā)生變化,同時,在交變應力循環(huán)作用下,接觸區(qū)材料將發(fā)生疲勞損傷,材料因疲勞損

38、傷而被削弱,最后形成磨屑脫落,使材料發(fā)生破壞。(3)磨損的能量理論磨損能量理論認為材料出現(xiàn)磨損的主要原因是能量的轉(zhuǎn)化造成的,最早提出該理論的學者是弗利舍爾(G.Fleisher)。磨損過程是一種能量產(chǎn)生與消耗的過程,摩擦功表征的是輸入到摩擦副的能量與輸出能量的差值。對金屬材料來說,摩擦功的去向有兩個,一部分摩擦功以潛在的內(nèi)能形式積蓄在材料中,這部分的摩擦功相對比較小;摩擦功主要去向為促進材料的塑性變形,并最終以熱能的形式散失。為了使磨屑與基體材料分離,材料必須積累足夠的內(nèi)能,當材料的內(nèi)能增大到一定值時,儲存的能量超過材料結(jié)合鍵的鍵能,材料表面便產(chǎn)生破壞而形成磨屑,出現(xiàn)磨損。1.3.3影響磨損的

39、因素影響金屬的磨損因素非常多,并且不同的磨損機理,其影響的因素不同,表1.1為常見的幾種摩擦磨損機理及其影響因素的匯總表1.1不同磨損類型的影響因素Tab. 1.1 The influence factors of different types of wear磨損類型影響因素rzTi它與載荷、滑動速度、溫度、材料性能、表面粗糙度及表面膜狀態(tài)等因點著磨fcj素有關它與載荷、mmm.磨粒和材料表面相對速度、溫度、材料成分、材k料組織及材料性能等因髓關它與材料自身性質(zhì)(如彈性模量:,硬度等)、工況條件(如磨粒,沖度,沖燭磨fe沖燭角度)等因素有關腐燭磨損它與環(huán)境、溫度、介質(zhì)、載荷、滑動速度和潤滑條

40、件等因素都有關系微動磨損它與載荷、振動、頻率和循環(huán)次數(shù)、環(huán)境、潤滑及材料性質(zhì)等因素有關-7 -等離子堆燥碳化媽強化擦基合金組織與性能研究它與載荷、熱處理組織、表層性質(zhì)(如硬度、殘余應力等)、冶金質(zhì)量、麵纖戯猶條件有關1.4等離子弧堆爆等離子弧堆焊技術(shù)是利用氬氣轉(zhuǎn)移型弧作為主要熱源,填充金屬合金粉末或煙絲,在工件表面形成溶池,冷卻得到性能優(yōu)良的堆輝層的一種輝接方法。按照電源連接方式,等離子弧可分為轉(zhuǎn)移型弧和非轉(zhuǎn)移型弧,轉(zhuǎn)移型弧在電極和工件之間燃燒,非轉(zhuǎn)移型弧在電極和噴嘴之間燃燒_。等離子弧與其它一般電弧的主要區(qū)別在于,一般電弧是自由弧,等離子弧是壓縮弧,等離子弧在噴嘴處受到熱壓縮、機械壓縮和電磁

41、壓縮作用,這三種壓縮效應使得等離子弧的弧柱溫度和能量密度大大地提高,圖1.5為等離子弧堆煙相對于其它堆輝技術(shù)的優(yōu)點54_58。H 揮道平整,工藝穩(wěn)定H燒層組織均勻缺陷少 溫度高,能量集中等禽子孤誰I H 電弧穩(wěn)定,可控性好 燥的點廠H 堆揮材料范圍可選 母材稀釋率禾口變形小d熱影響區(qū)小,生產(chǎn)效率高H 易于實現(xiàn)自動化 圖1.5等離子弧堆傳的優(yōu)點Fig. 1.5 The advantage of PTAW本課題應用的是粉末等離子弧堆揮,它一般采用轉(zhuǎn)移型弧,但也可以采用混合型弧,采用混合型弧時,非轉(zhuǎn)移弧作為補充熱源,進一步提高溶敷效率。在粉末等離子弧堆輝過程中,送粉的均勾性和送粉量的大小是影響粉末堆

42、傳質(zhì)量的一個重要因素,粉末的粒度對堆傳的質(zhì)量也有很大的影響_。粉末等離子弧堆揮技術(shù)的主要參數(shù)有:煌接電壓、電流、擺動參數(shù)、保護氣流量、輝接速度和工作距離等。燥接電壓與工作距離有關,工作距離越小,電壓越小;爆接電流大小決定熱輸入大小,堆惶電流過小,基體與堆燥層之間結(jié)合不好,易出現(xiàn)氣孔、微裂紋等缺陷;擺動參數(shù)決定傳道的寬度;保護氣流量影響溶池的保護效果;輝接速度對爆道的厚度和溶深有影響_。-8 -1.5課題研究意義及主要內(nèi)容在核電、礦山和航天等領域中,為了提高材料表面的性能,通常對其表面進行改性。現(xiàn)在核電設備上應用較多的合金涂層為鎳基合金涂層,但在某些要求耐磨性能較高的部件上,單純的鎳基合金涂層并

43、不能滿足其耐磨性能的要求,故尋求添加硬質(zhì)粒子強化的鏡基合金堆揮層來代替。由于碳化鶴具有眾多的優(yōu)點,加之等離子堆悍技術(shù)具有母材變形小、稀釋率低和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,故研究等離子堆輝碳化鶴強化鎳基合金堆悍層顯微組織與耐磨性能有重要的研宄價值,本課題也是基于此而展開的。本課題采用等離子堆揮技術(shù),在304奧氏體不誘鋼鋼板上堆燥鎳基及碳化鶴強化鎳基合金,實驗設置的參變量有三個,分別為堆悍電流、碳化鶴的含量及碳化鶴的形狀。對堆焊后的合金堆焊層進行顯微組織和磨損性能分析,顯微組織分析側(cè)重于合金堆捍層中各種組織的研究,耐磨性能分析側(cè)重于合金堆揮層在不同載荷作用下的磨損性能,最后通過組織與性能的分析,得到一些

44、規(guī)律與結(jié)論。-9 -等離子堆燁碳化鶴強化線基合金組織與性能研究2實驗部分2. 1實驗材料實驗選用的母材為304奧氏體不銹鋼鋼板,選用的線基合金粉末為Ni40自溶性合金粉末,它屬于Ni-Cr-B-Si系合金,其化學成分見表2.1;選用的碳化鶴有兩種,分別為球形碳化媽和不規(guī)則碳化鶴,利用紅外碳硫分析儀對其進行成分測定,測得化學成分見表2.2。-表2.1初始鎳基合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Tab. 2.1 Composition of original nickel-base alloy powder (wt%)Csi&FeBNi40OJ33T5olL7余量表2.2初始碳化瑪顆粒化學成分(質(zhì)

45、量分數(shù)/%)Tab. 2.2 Composition of original tungsten carbides powder (wt%)cw97.50不規(guī)則4.4595.55利用掃描電鏡對初始鎳基合金粉末及碳化鶴進行形貌分析,如圖2.1所示。Ni40合金粉末和球形碳化銷均呈球形,不規(guī)則碳化鶴呈石塊狀。據(jù)材料供應商提供的參數(shù)知:Ni40合金粉末的粒度為45?150im;球形碳化鶴的粒度為45-180111;不規(guī)則碳化鶴的粒度為105147叫1。圖2.1初始合金粉末形貌:(a)Ni40; (b)球形碳化媽;(c)不規(guī)則碳化鶴Fig. 2.1 SEM micrograph of original

46、alloy powders; (a) Ni40; (b) Spherical tungsten carbide;(c) Irregular tungsten carbide-10 -利用X射線衍射儀對初始鎮(zhèn)基合金粉末和碳化鶴進行物相分析,其分析結(jié)果如圖2.2所示。Ni40合金粉末主要含有的相為:Y -Ni、BCr和Ni3iSii2;兩種不同形狀的碳化瑪含有的相均為:WC、W2C和游離態(tài)的W。 XM-y-Dti (的 A? W ?0- W?CrfiWCfWCI ?-NSwSia 暴 -A Wf 墨級He,.1.,-. I III,-,.ill .mi IIfc.*.t-.,*-.J,t?, ,1

47、1,1,111III.I I 11,.,.,11? .,1 II*, I if' - ' ' >- * ? -. ? 13?49 9? ?9 79 M 99 IM 14 MS? ?1 ? M 4? 26 ? 49 50 ?9 tft 4?IM贈*)圖"12初始合金粉末XRD分析:(a)Ni40; (b)球形碳化鶴;(c)不規(guī)則碳化鶴Fig. 2.2 XRD pattern obtained from original alloy powders: (a) Ni40; (b) Spherical tungsten carbide;(c) Irregular

48、 tungsten carbide2.2擇前準備與爆后熱處理為了減小燁接過程中由于捍接熱應力而產(chǎn)生裂紋傾向,捍前將304奧氏體不銹鋼鋼板在40(rc下保溫2h,為了使悍后獲得良好界面,悍前將不誘鋼鋼板表面用200#砂紙進行打磨,并用酒精進行清洗,去除油污和表面氧化物;為了提高堆燁過程中焊粉的流動性,實驗前將混好的碳化錫鎳基合金粉末置于15(rc的烘箱中烘烤2h;為了避免燥后由于冷卻速度過快而產(chǎn)生裂紋,堆擇后將試件放在經(jīng)石粉中緩冷至室溫。2.3試樣的制備為了獲得穩(wěn)定的分析試樣,在取樣過程中要避開由于起弧和收弧而產(chǎn)生捍接缺陷的區(qū)域,具體的取樣示意圖如圖2.3所示。揮接方向_IIy堆悍層= MI基體

49、圖2.3堆揮層切取試樣示意圖Fig. 2.3 Schematic of sample location from deposit-11 -等離子堆傳碳化瑪強化鎮(zhèn)基合金組織與性能研究2.4顯微組織分析按圖2.3進行取樣,取樣完成后,將試樣制備成金相試樣。為了分析堆煙層的顯微組織,本實驗使用了一系列分析手段,應用到的主要儀器設備及其作用如表2.3所示。表2.3顯微組織分析儀器及其作用Tab. 2.3 Microstructure analysis instruments and their function儀器名稱分析對象Wm紅外碳硫分析儀(CS-8800)碳化媽粉末測定粉末中C元素的含量X射線衍

50、射儀(XRD-6000) 初始合金粉末及合金堆輝層進行物相分析光學顯微鏡(Nikon-MAIOO)合金堆煙層獲得合金堆輝層的金相組織SffiWZEISS SUPRA 55初始合末及合金聊層獲得合金賴.層的掃描組織ZEISS EVO 18)電子探針(EPMA-1600)合金堆燥層對組織進行元素點、線和面分析2.5摩擦磨損試驗為了評價合金堆焊層的耐磨性能,需要對其進行摩擦磨損試驗。摩擦磨損試驗在型號為MMS-2A的微機控制摩擦磨損試驗機上進行,該摩擦磨損試驗類型為環(huán)塊式摩擦磨損,磨損試樣取樣尺寸及原理如圖2.4所示。據(jù)文獻表明,載荷對摩擦磨損的磨損機理有影響,故在試驗過程中,將載荷設為變量,分別取

51、值為50N和150N,其它試驗參數(shù)分別為:時間為90min,轉(zhuǎn)速為90r/min。U.-j h" ? I11 JPfT爆_普圖2.4環(huán)塊式摩檫副尺寸和摩檫磨損試驗接觸原理圖Fig. 2.4 The size and schematic diagram of block-on-ring friction pair-12 -3電流對等離子堆擇N i 40合金組織與性能的影響3.1實驗材料實驗選用尺寸為160mmx50mmx20mm的304奧氏體不銹鋼鋼板作為基材,焊粉選用自溶性Ni40合金粉末,堆揮過程中采用單道彈。對基材和傳粉進行輝前處理如2.2節(jié)所述,具體等離子堆傳參數(shù)如表3.1所示。表3.1等離子堆諢工藝參數(shù)Tab. 3.1 Welding parameters of the PTAW%""“流(A)m電壓(V)303030擺動幅度(mm)202020擺動頻率(c/m