腐蝕與磨損是金屬材料常見的失效形式。等離子噴焊作為表面修復(fù)和強(qiáng)化極具發(fā)展前途的新技術(shù)之一,有著廣闊的應(yīng)用前景。但涂層與基材的結(jié)合性差、易開裂以及孔洞存在等問題是一直是制約該技術(shù)推廣的關(guān)鍵。本文采用PTA-400E-ST型等離子噴焊機(jī),在45鋼表面分別采用Ni60A自熔性合金粉、Ni60A+Ni Cr-Cr_3C_2和Ni60A+Ti-Fe復(fù)合粉制備了Ni基、Cr_3C_2增強(qiáng)型、原位生成Ti C增強(qiáng)型Ni基耐磨耐蝕復(fù)合噴焊層涂層,通過OA、XRD、SEM和EDS分析了不同噴焊層的組織結(jié)構(gòu)特征;通過顯微硬度分析、磨粒磨損試驗(yàn)以及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究了復(fù)合合金噴焊層的力學(xué)性能和耐磨耐蝕性能。研究結(jié)果表明:在45鋼表面制備Ni基噴焊層時(shí),焊接電流和焊接速度對(duì)鎳基噴焊層質(zhì)量影響顯著,通過調(diào)整工藝參數(shù),可獲得無裂紋、氣孔少,與基材結(jié)合性好的鎳基噴焊層。在Ni60A粉中加入NiCr-Cr_3C_2時(shí),粉體流動(dòng)性變差,增大焊接電流、調(diào)整焊接速度和增加送粉氣,可有效減輕NiCr-Cr_3C_2對(duì)成型性帶來的不利影響。在Ni60A中加入Ti-Fe粉時(shí),粉末流動(dòng)性變差,且Ti極易氧化,在Ni基噴焊層工藝參數(shù)基礎(chǔ)上,增加焊接電流,提高保護(hù)氣,可獲得成型性較好、結(jié)合力強(qiáng)的原位生成TiC增強(qiáng)鎳基復(fù)合噴焊層。Ni基噴焊層主要以γ-Ni、Ni_3Fe的柱狀晶和枝晶為主,其間分布有少量(Cr,Fe)_(23)C_6和(Cr,Fe)_7C_3相,為典型的韌性相基體+硬質(zhì)相組織。添加Ni Cr包裹型Cr_3C_2后,NiCr-Cr_3C_2的加入使得噴焊層碳化物硬質(zhì)相增多,少量尖銳菱角Cr_3C_2顆粒分布其中,起到固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化作用。噴焊過程中,Cr_3C_2首先溶解,形成固溶體;隨著摻量增加,固溶達(dá)到飽和不再溶解,則以獨(dú)立的增強(qiáng)相存在于基體中,當(dāng)摻量達(dá)到15%時(shí),Cr_3C_2的顆粒增強(qiáng)作用達(dá)到最大,同時(shí)大量尖銳棱角Cr_3C_2交織其中,進(jìn)一步提高基體的韌性,試樣硬度和韌性得到顯著提高。在Ni60A粉末合加入4%的Ti-Fe合金粉后,噴焊層中有TiC、少量TiB_2出現(xiàn),原因是Ti與C、B形成化合物反應(yīng)沉淀析出,彌散分布在基體中。噴焊層強(qiáng)韌性的提高是由于(Cr,Fe)_(23)C_6、(Cr,Fe)_7C_3顆粒強(qiáng)化、TiC沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。顯微硬度結(jié)果表明,Ni基噴焊層平均顯微硬度為605HV_(0.2);添加NiCr-Cr_3C_2后,當(dāng)摻量在5%-15%時(shí),噴焊層顯微硬度隨摻量增加而增大,在15%時(shí)達(dá)到最大值920HV_(0.2),而平均硬度為857HV_(0.2),這與15%時(shí),Cr_3C_2晶粒細(xì)化和顆粒增強(qiáng)作用顯著有關(guān)。添加2%-4%Ti-Fe合金粉可原位生成TiC,TiC在冷卻過程中原位沉淀析出。噴焊層顯微硬度隨Ti-Fe摻量增加而增大,在摻量為4%時(shí)噴焊層顯微硬度可達(dá)904HV_(0.2),平均顯微硬度為865HV_(0.2)。磨損試驗(yàn)結(jié)果表明,Ni基噴焊層磨損失重率為1.24%;在Ni60A中添加NiCr-Cr_3C_2,隨著NiCr-Cr_3C_2摻量增加,磨損失重率先降低后增加,在15%時(shí)耐磨性最好,磨損失重率降低至0.95%,較鎳基噴焊層提高約23%;對(duì)于TiC增強(qiáng)鎳基噴焊層,噴焊層耐磨性隨Ti含量增加而增加,與純Ni基噴焊層磨損試樣相比,摻4%Ti-Fe后噴焊層磨損面幾乎看不到犁溝,僅有少量劃痕和剝落坑,磨損失重率從1.24%降至0.95%,耐磨性提高約35%。說明兩種強(qiáng)化方式中,采用原位生成TiC增強(qiáng)Ni基噴焊層對(duì)材料耐磨性能提高更有效。在0.5mol/L鹽酸介質(zhì)中電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明,添加NiCr-Cr_3C_2、Ti-Fe均能大幅提高Ni基噴焊層耐腐蝕性能,耐腐蝕性順序由大到小為Ti-FeNiCr-Cr_3C_2Ni60A。鎳基噴焊層自腐蝕電位為-0.2506V,自腐蝕電流為1.133×10~(-6)mA。添加NiCr-Cr_3C_2后,當(dāng)摻量為10%-20%時(shí),噴焊層隨摻量增加耐蝕性提高,10%和15%摻量時(shí)自腐蝕電流分別為1.724×10~(-7)mA和2.509×10~(-7)mA,較純Ni基噴焊層降低一個(gè)數(shù)量級(jí)且在10%摻量時(shí)耐蝕性最好;添加2%-4%Ti-Fe合金粉后,噴焊層隨摻量增加而耐蝕性提高,4%摻量時(shí)自腐蝕電流3.044×10~(-7)mA,腐蝕電流減小,材料耐蝕性最好。并且TiC增強(qiáng)Ni基噴焊層在酸性耐磨耐腐蝕條件環(huán)境下,比Cr_3C_2增強(qiáng)Ni基噴焊層具有更好的經(jīng)濟(jì)性和使用性能。綜上所述,在Ni基合金噴焊層中采用Cr_3C_2、原位生成TiC增強(qiáng)方式,均能顯著提高材料的耐磨耐蝕性。但采用廉價(jià)易得的鈦鐵合金原料,選擇適宜的噴焊工藝,能夠得到性價(jià)比更高、耐磨耐蝕性能更優(yōu)的復(fù)合涂層。該研究結(jié)果對(duì)于石油化工、礦物加工等行業(yè)的耐磨耐蝕材料開發(fā)、再制造具有較大的指導(dǎo)作用。
【學(xué)位單位】：西華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

圖 1.1 熱噴涂過程示意圖Fig1.1 The process diagram of thermal spraying熱噴涂技術(shù)作為表面改性技術(shù)之一，具有以下特點(diǎn)[14]：（1）基材選擇范圍寬；（2）噴涂技術(shù)材料取材范圍廣，噴涂材料可以選擇金屬、陶瓷、復(fù)合材料、石墨等。（3）基體材料受熱影響小，不會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力和變形。（4）功效高，操作程序少，速度快，施工方便。（5）涂層厚度可控，可以從十幾微米至十幾毫米。（6）多樣的涂層性能，可以形成耐磨、隔熱、抗氧化、耐蝕、防輻射等具有各種不同特殊功能的涂層。目前常用的熱噴涂方法有等離子噴涂，火焰噴涂、電弧噴涂和超音速噴涂等。在噴涂前，工件都要進(jìn)行噴砂，打磨等預(yù)處理，增大基材表面的粗糙度，用以提高涂層與基材金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度[3]。陳洋[15]等利用超音速火焰噴涂成功制備了超過 200μm 的Cr2AlC 陶瓷涂層，涂層與基材之間結(jié)合強(qiáng)度高，涂層組織致密、較低的孔隙率，并且噴涂過層中粉末未發(fā)生明顯的氧化現(xiàn)象。He[16]采用等離子噴涂在鋁合金表面制備

表面和合金粉末噴焊過程中不受氧化，從而提高噴焊層質(zhì)量。f）沉積效率高，調(diào)節(jié)性能好，容易操作。圖1.2 等離子噴焊焊槍原理示意圖Fig1.2 Welding pistol schematic diagram of plasma spraying welding process基于以上特點(diǎn)，等離子噴焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于材料表面強(qiáng)化與防護(hù)中，在航空、航天、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域的作用尤為顯著。宋強(qiáng)[28]等針對(duì)石油化工行業(yè)中重要零部件的磨損問題，采用等離子噴焊技術(shù)噴焊Ni基和Fe基自熔性粉末合金制備得到呈冶金結(jié)合的噴焊層，其耐磨性較基體分別提高了6倍和4倍。王彥紅[29]采用等離子噴焊成功制得WC增強(qiáng)Fe基合金噴焊層，當(dāng)WC含量為10%時(shí)，耐磨損性能最好，較不添加WC的Fe基合金噴焊層提高了一倍。Wang Xibao[30]等人對(duì)粉末材料在等離子噴焊時(shí)的輸運(yùn)及影響其的主要因素，研究結(jié)果對(duì)粉末材料的選擇和噴焊工藝的制定提供了理論基礎(chǔ)。王紅英等[31]試圖改變噴嘴的結(jié)構(gòu)來提高等離子噴焊的效率，通過提高噴距，使用小壓縮孔噴嘴的結(jié)構(gòu)提高熔覆的速度

圖 1.3 金屬陽極極化曲線示意圖Fig1.3 Anode polarization curves diagram of metalE=Ee，m→Ecr。金屬電極按正常陽極溶解規(guī)律進(jìn)形式溶解為水化離子。M→Mn++neE=Ecr→Ep。電位達(dá)到臨界鈍化電位 Ep，金屬開始成過渡氧化物3M+4H2O→M2O3+8H++8ep→Ept。此區(qū)域金屬以穩(wěn)定電流密度值速度溶解，耐蝕性較好的高價(jià)金屬氧化物。2M+3H2O→M2O3+6H++6e＞Ept，過鈍化電位從 Ept 開始，電流密度隨電位升薄膜失效并溶解，進(jìn)一步發(fā)生腐蝕�？梢缘玫阶愿g電位 Ecorr、自腐蝕電流 Icorr，以曲線有維穩(wěn)平臺(tái)時(shí)以 logip作為評(píng)價(jià)耐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2824540