強流脈沖荷電粒子束輻照WC-Ni硬質合金表面改性研究.pdf

1、以Ni代Co粘結相可提高WC基硬質合金的耐高溫、耐腐蝕、防輻射等性能，但力學性能和耐磨性能有所降低，為進一步提高WC-Ni系硬質合金的耐磨性，延長硬質合金零部件在極端服役條件下的使役壽命，分別利用TEMP-6型強流脈沖離子束(HIPIB)裝置和緊湊型強流脈沖電子束(HIPEB)裝置上，開展了二類強流脈沖荷電粒子束輻照WC-13Ni硬質合金改性實驗研究，揭示了輻照硬質合金表面形貌、表面粗糙度、相結構、表面硬度，以及摩擦學性能的變化規(guī)律，獲

2、得了具有減摩耐磨性能的改性表面，闡明了強流脈沖荷電粒子束輻照Ni粘結WC基硬質合金表面改性機制。
　　采用能量密度1～6 J/cm2，脈沖寬度70 ns，輻照次數1～10次的HIPIB輻照WC-13Ni硬質合金，硬質合金表面發(fā)生熔融和Ni粘結相的選擇性燒蝕，形成具有微區(qū)光滑致密化的“峰-谷”起伏特征的燒蝕重熔表面形貌，硬質合金表面粗糙化，表面粗糙度Ra隨著能量密度和輻照次數顯著增加，6 J/cm2、10次輻照可使硬質合金Ra由原始

3、的0.13μm增加至1.62μm。輻照硬質合金表層發(fā)生六方相α-WC向立方相β-WC1-x轉變，且轉變量隨能量密度和輻照次數增加。HIPIB輻照使WC-13Ni硬質合金表面發(fā)生硬化。單次或多次輻照硬質合金表面顯微硬度均隨能量密度的增加呈“先增加-后減小-再增加”的變化趨勢，6 J/cm2、10次輻照表面顯微硬度由原始的11.84 GPa提高至16.60 GPa。HIPIB輻照硬質合金表層具有“長程硬化”效應，硬化層深度隨能量密度和輻照次

4、數增加，6J/cm2、10次輻照硬化層深度可達160μm。環(huán)-塊式摩擦磨損實驗表明，HIPIB輻照顯著降低了硬質合金的表面摩擦系數和磨損率，6 J/cm2、10次輻照硬質合金具有最佳的減摩耐磨性能，摩擦系數從原始的0.80減小到0.48，磨損率從原始1.2×10-6 mm3/Nm減小到3.6×10-7 mm3/Nm，較原始硬質合金降低約70％。
　　采用能量密度3～34 J/cm2，脈沖寬度180 ns，輻照次數1～10次的HIP

5、EB輻照WC-13Ni硬質合金，硬質合金表面發(fā)生熔化、燒蝕與噴發(fā)，快速冷凝后形成具有“火山坑”以及燒蝕孔等典型特征的起伏狀重熔噴發(fā)表面形貌，硬質合金表面粗糙化。Ra的變化規(guī)律與HIPIB輻照相似，較高能量密度、多次輻照的Ra增大，34 J/cm2、10次輻照可使Ra由原始的0.21μm顯著增加到1.26μm。輻照硬質合金表層發(fā)生六方相α-WC向立方相β-WC1-x和六方相α-W2C轉變，且轉變量隨能量密度和輻照次數增加;在高能量密度條件

6、下，輻照表面有石墨C形成。HIPEB輻照使WC-13Ni硬質合金表面產生不同程度的硬化與軟化。3 J/cm2、1次輻照表面顯微硬度達到最大值，約13.70 GPa，34 J/cm2、5次輻照表面顯微硬度降低至最小值，約10.49 GPa。HIPEB輻照表面硬化和軟化的硬質合金試樣均具有“長程硬化”效應，硬化層深度隨能量密度和輻照次數增加，34 J/cm2、10次輻照硬化層深度可達380μm。環(huán)-塊式摩擦磨損實驗表明，HIPEB輻照顯著降

7、低了硬質合金的表面摩擦系數和磨損率，34 J/cm2、10次輻照硬質合金具有最佳的減摩耐磨性能，摩擦系數從原始的0.80減小到0.54，磨損率從原始1.2×10-6 mm3/Nm減小到3.8×10-7 mm3/Nm，較原始硬質合金降低約68％。
　　HIPIB輻照的最大能量沉積在表層數百nm范圍內，使硬質合金表面發(fā)生強烈的熔融與選擇性燒蝕，形成“峰-谷型”起伏形貌;而HIPEB輻照的最大能量沉積于亞表層，約數μm處，造成亞表層優(yōu)先

8、熔化以及亞表層熔體的噴發(fā)，易形成火山坑形貌。二類強流脈沖荷電粒子束輻照的極速加熱和冷卻過程，可導致WC相中碳的反應燒損和急冷淬火，有助于β-WC1-x亞穩(wěn)相形成;HIPEB脈沖作用時間較長且能量作用深度更大，相對緩慢的加熱冷卻過程和更長的高溫反應導致較多的碳損失和部分β-WC1-x相分解促使α-W2C亞穩(wěn)相和石墨C相的形成。輻照硬質合金的表面硬化歸因于表面重熔致密化和Ni粘結相含量減少，而HIPEB輻照硬質合金表面α-W2C亞穩(wěn)相形成對

9、表面硬化也有貢獻;β-WC1-x亞穩(wěn)相的形成對HIPIB輻照硬質合金表面硬化有降低作用，而β-WC1-x亞穩(wěn)相和表面燒蝕孔隙或裂紋缺陷的形成是HIPEB輻照硬質合金表面軟化的原因。輻照應力波的沖擊強化作用導致WC-Ni硬質合金表層位錯、空位等晶體缺陷形成是硬質合金表層“長程硬化”的原因，硬化效果取決于應力波的寬度和強度，HIPEB輻照應力波寬度較大，硬化層較深，而HIPIB輻照可以在較低能量密度獲得更為顯著的硬化效果。原始WC-Ni硬質

10、合金的磨損以Ni粘結相的塑性變形和WC晶粒脫落為主要特征的磨粒磨損，耐磨性依賴于硬質合金的硬度。二類強流脈沖荷電粒子束輻照硬質合金磨損機制相似，耐磨性提高不僅僅與表面硬度相關，也與輻照改性的組織特性相關。輻照引入表面熔化導致原始硬質合金中WC晶粒與Ni粘結相之間微孔缺陷愈合，在滑動摩擦磨損的初始階段硬質合金表面熔層組織被逐漸磨削，局部區(qū)域發(fā)生片狀粘著，磨損機制主要為微觀切削和粘著磨損。穩(wěn)定磨損階段的磨損機制與原始硬質合金相似，但輻照沖擊