強流脈沖荷電粒子束輻照WC-Ni硬質(zhì)合金表面改性研究.pdf

1、以Ni代Co粘結(jié)相可提高WC基硬質(zhì)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(zhì)合金的耐磨性，延長硬質(zhì)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(zhì)合金改性實驗研究，揭示了輻照硬質(zhì)合金表面形貌、表面粗糙度、相結(jié)構(gòu)、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(jié)WC基硬質(zhì)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(shù)1～10次的HIPIB輻照WC-13Ni硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金表面發(fā)生熔融和Ni粘結(jié)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(zhì)合金表面粗糙化，表面粗糙度Ra隨著能量密度和輻照次數(shù)顯著增加，6 J/cm2、10次輻照可使硬質(zhì)合金Ra由原始

3、的0.13μm增加至1.62μm。輻照硬質(zhì)合金表層發(fā)生六方相α-WC向立方相β-WC1-x轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變量隨能量密度和輻照次數(shù)增加。HIPIB輻照使WC-13Ni硬質(zhì)合金表面發(fā)生硬化。單次或多次輻照硬質(zhì)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(zhì)合金表層具有“長程硬化”效應(yīng)，硬化層深度隨能量密度和輻照次

4、數(shù)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(zhì)合金的表面摩擦系數(shù)和磨損率，6 J/cm2、10次輻照硬質(zhì)合金具有最佳的減摩耐磨性能，摩擦系數(shù)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(zhì)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(shù)1～10次的HIP

5、EB輻照WC-13Ni硬質(zhì)合金，硬質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變量隨能量密度和輻照次數(shù)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(zhì)合金表面產(chǎn)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(zhì)合金試樣均具有“長程硬化”效應(yīng)，硬化層深度隨能量密度和輻照次數(shù)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(zhì)合金的表面摩擦系數(shù)和磨損率，34 J/cm2、10次輻照硬質(zhì)合金具有最佳的減摩耐磨性能，摩擦系數(shù)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(zhì)合金降低約68％。
　　HIPIB輻照的最大能量沉積在表層數(shù)百nm范圍內(nèi)，使硬質(zhì)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(zhì)合金的表面硬化歸因于表面重熔致密化和Ni粘結(jié)相含量減少，而HIPEB輻照硬質(zhì)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(zhì)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(zhì)合金表面軟化的原因。輻照應(yīng)力波的沖擊強化作用導致WC-Ni硬質(zhì)合金表層位錯、空位等晶體缺陷形成是硬質(zhì)合金表層“長程硬化”的原因，硬化效果取決于應(yīng)力波的寬度和強度，HIPEB輻照應(yīng)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(zhì)

10、合金的磨損以Ni粘結(jié)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(zhì)合金的硬度。二類強流脈沖荷電粒子束輻照硬質(zhì)合金磨損機制相似，耐磨性提高不僅僅與表面硬度相關(guān)，也與輻照改性的組織特性相關(guān)。輻照引入表面熔化導致原始硬質(zhì)合金中WC晶粒與Ni粘結(jié)相之間微孔缺陷愈合，在滑動摩擦磨損的初始階段硬質(zhì)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(zhì)合金相似，但輻照沖擊