基于等離子堆焊的SiC改性金屬基復(fù)合焊層的研究.pdf

1、模具壽命一直是鍛壓行業(yè)的熱點(diǎn)問題，熱鍛模的耐高溫磨損性能一直是影響其使用壽命的關(guān)鍵所在。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(PRMMCs)因顆粒增強(qiáng)，金屬增韌是理想的耐磨材料，在熱鍛模強(qiáng)化領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。采用表面工程技術(shù)對模具進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化一直是鍛壓行業(yè)研究的焦點(diǎn)。當(dāng)前，采用高能束激光或等離子制備PRMMCs存在許多技術(shù)難點(diǎn)，如顆粒在高能熱源中的氧化分解、顆粒與金屬基相之間的濕潤性差及難以實(shí)現(xiàn)顆粒在基相中彌散分布等問題。SiC作為一種理想的陶

2、瓷增強(qiáng)相，具有優(yōu)異的機(jī)械與化學(xué)性能。因此，開展基于等離子堆焊的 SiC改性金屬基復(fù)合焊層(MMCCs)的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和理論探索意義。
　　本文以鎳基、鈷基高溫合金為研究對象，通過借鑒激光熔注技術(shù)的成熟方法，將等離子堆焊(PTA)與等離子熔注(PMI)相結(jié)合,采用化學(xué)鍍鎳技術(shù)對難熔易燒損SiC粉末進(jìn)行包覆處理，并以包覆粉作為堆焊的彌散強(qiáng)化相，獲得了SiC改性金屬基復(fù)合焊層。通過研究SiC粉體化學(xué)鍍鎳工藝，探尋適合粉體鍍

3、鎳的優(yōu)化配方及工藝參數(shù)，并結(jié)合粉體化學(xué)鍍鎳機(jī)理，將包覆技術(shù)向其它粉體拓展。通過研究SiC改性MMCCs的微觀組織、探尋SiC對熔池的作用機(jī)理，并揭示化學(xué)鍍鎳在PTA+PMI技術(shù)中的作用。此外，系統(tǒng)研究SiC改性MMCCs的機(jī)械、抗氧化及磨損性能，并深入分析磨損機(jī)制及焊層強(qiáng)化機(jī)理。在實(shí)驗(yàn)室條件下對制備出的焊層進(jìn)行基于熱鍛服役條件下的磨損性能評價(jià)，研究了復(fù)合焊層的高溫磨損性能。此外，對復(fù)合焊層的熱疲勞性能也進(jìn)行了研究。論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)

4、果如下：
　　本研究通過正交設(shè)計(jì)的方法，優(yōu)選出了適用于粉體化學(xué)鍍鎳的高效配方，其鍍覆速率達(dá)到11.28％，且穩(wěn)定性好，在不補(bǔ)加主鹽和還原劑的情況下，單缸重復(fù)施鍍能力達(dá)到4-5次。所獲得的鍍層致密、均勻，經(jīng)重復(fù)施鍍1次，鍍厚可達(dá)6.5μm。通過對粉體的化學(xué)鍍鎳機(jī)制研究表明，鍍鎳層最開始的形核是依靠SiC表面的Pd活化點(diǎn)進(jìn)行，隨后，通過“自催化形核”和“電化學(xué)形核”的方式實(shí)現(xiàn)鍍層致密并增厚。將上述配方體系拓展至WC、Mo粉，均能實(shí)現(xiàn)鎳

5、包覆處理。
　　通過對不同送粉方式下的 SiC改性 MMCCs的微觀組織研究表明，在PTA+PMI技術(shù)中，采用鎳包覆SiC粉末(Ni/SiC)，既可以保證SiC在等離子焰中不被燒損和氧化，又可以提高熔池與SiC的潤濕性，促進(jìn)了SiC對熔池的改性。注射進(jìn)Ni基熔池的Ni/SiC，與熔池金屬中的Ni、Cr、Fe元素，發(fā)生了界面反應(yīng)，形成了大量原位M7C3（M=Cr, Fe）型碳化物與共晶硅化物(Ni3Si)。Ni/SiC粉體在熔池中的

6、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)效果，使得原位生成的碳化物在熔池中大量存在，并繼續(xù)發(fā)揮形核的“核心”，使得焊層中形成大量的、均勻的碳化物組織，形成動(dòng)態(tài)原位反應(yīng)增強(qiáng)機(jī)制。受熔池阻力與浮力影響，焊層越深的地方，注入的SiC數(shù)量越少，造成沿焊層深度方向，生成的M7C3的粒徑依次減小，焊層結(jié)構(gòu)呈梯度分布。
　　經(jīng)SiC改性的Ni基復(fù)合焊層，其顯微硬度提高了約380 HV0.5,剛度、耐磨性均得到有效提高。常溫磨損下主要發(fā)生的是微磨粒磨損機(jī)制，抗黏著磨損能力得到了

7、加強(qiáng)。高溫磨損條件下，主要發(fā)生的是磨粒磨損機(jī)制和中等程度的黏著磨損機(jī)制，Ni3Si是造成磨損的薄弱組織。此外，因焊層中SiC分解引入了大量的Si元素，導(dǎo)致復(fù)合焊層的高溫抗氧化性能得到了改善。熱震實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SiC改性 Ni基復(fù)合焊層，抗熱裂性能發(fā)生了下降。焊層中的 M7C3化合物脆性開裂是造成熱裂的主要原因之一。
　　利用SiC改性Ni基復(fù)合焊層的機(jī)理，對Co基Stellite6合金進(jìn)行改性，SiC發(fā)揮了同樣的動(dòng)態(tài)原位反應(yīng)增強(qiáng)機(jī)

8、制。焊層中生成了M7C3(M=Cr, Fe)碳化物共晶硅化物(Co2Si, WSi2)。焊層的硬度、彈性模量、抗氧化性、耐高溫磨損能力均有效得到提高，然而耐熱疲勞性能因改性后的復(fù)合焊層具有組織脆性而發(fā)生了下降。
　　基于熱鍛服役條件下的上述兩種改性焊層的耐高溫磨損實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)SiC改性Ni、Co基處理后的4Cr5MoSiV1鋼表面抗黏著磨損、抗磨粒磨損和減摩性能獲得了增強(qiáng)，可用于熱鍛服役條件下模具表面容易發(fā)生塑性變形、氧化與磨損，