【摘要】：模具壽命一直是鍛壓行業(yè)的熱點問題,熱鍛模的耐高溫磨損性能一直是影響其使用壽命的關鍵所在。顆粒增強金屬基復合材料(PRMMCs)因顆粒增強,金屬增韌是理想的耐磨材料,在熱鍛模強化領域表現(xiàn)出極大的潛力。采用表面工程技術對模具進行修復和強化一直是鍛壓行業(yè)研究的焦點。當前,采用高能束激光或等離子制備PRMMCs存在許多技術難點,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現(xiàn)顆粒在基相中彌散分布等問題。SiC作為一種理想的陶瓷增強相,具有優(yōu)異的機械與化學性能。因此,開展基于等離子堆焊的SiC改性金屬基復合焊層(MMCCs)的研究具有重要的實際應用價值和理論探索意義。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,采用化學鍍鎳技術對難熔易燒損SiC粉末進行包覆處理,并以包覆粉作為堆焊的彌散強化相,獲得了SiC改性金屬基復合焊層。通過研究SiC粉體化學鍍鎳工藝,探尋適合粉體鍍鎳的優(yōu)化配方及工藝參數(shù),并結(jié)合粉體化學鍍鎳機理,將包覆技術向其它粉體拓展。通過研究SiC改性MMCCs的微觀組織、探尋SiC對熔池的作用機理,并揭示化學鍍鎳在PTA+PMI技術中的作用。此外,系統(tǒng)研究SiC改性MMCCs的機械、抗氧化及磨損性能,并深入分析磨損機制及焊層強化機理。在實驗室條件下對制備出的焊層進行基于熱鍛服役條件下的磨損性能評價,研究了復合焊層的高溫磨損性能。此外,對復合焊層的熱疲勞性能也進行了研究。論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:本研究通過正交設計的方法,優(yōu)選出了適用于粉體化學鍍鎳的高效配方,其鍍覆速率達到11.28%,且穩(wěn)定性好,在不補加主鹽和還原劑的情況下,單缸重復施鍍能力達到4-5次。所獲得的鍍層致密、均勻,經(jīng)重復施鍍1次,鍍厚可達6.5μm。通過對粉體的化學鍍鎳機制研究表明,鍍鎳層最開始的形核是依靠SiC表面的Pd活化點進行,隨后,通過“自催化形核”和“電化學形核”的方式實現(xiàn)鍍層致密并增厚。將上述配方體系拓展至WC、Mo粉,均能實現(xiàn)鎳包覆處理。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,促進了SiC對熔池的改性。注射進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,形成了大量原位M7C3(M=Cr,Fe)型碳化物與共晶硅化物(Ni3Si)。Ni/SiC粉體在熔池中的動態(tài)運動效果,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,形成動態(tài)原位反應增強機制。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)構呈梯度分布。經(jīng)SiC改性的Ni基復合焊層,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制,抗黏著磨損能力得到了加強。高溫磨損條件下,主要發(fā)生的是磨粒磨損機制和中等程度的黏著磨損機制,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,導致復合焊層的高溫抗氧化性能得到了改善。熱震實驗結(jié)果表明,SiC改性Ni基復合焊層,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基復合焊層的機理,對Co基Stellite 6合金進行改性,SiC發(fā)揮了同樣的動態(tài)原位反應增強機制。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驗表明,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,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,而對熱疲勞性能要求不太苛刻的區(qū)域,有望提高模具壽命。
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【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG455

【參考文獻】

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本文編號：2291454