原位自生(TiC+TiB2)/Ni激光熔覆层的组织和摩擦磨损性能研究

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本文采用激光熔覆工艺,在45钢表面,用预置涂层的方式,原位合成了TiC和TiB2增强相,制备了(TiC+TiB2)/Ni激光熔覆层,并对其相组成进行了分析,观察了熔覆层的组织形貌和其中TiC和TiB2增强相的形貌,对TiC和TiB2晶体在熔覆层中的生长机制进行了探究。利用立式万能摩擦磨损试验机,将15%、25%和35%增强相含量的Ni基激光熔覆层与B2钢以销-盘形式组成摩擦副,在60N、90N、120N、150N和180N五个载荷参数下,进行摩擦磨损试验。从试验所得的摩擦系数和磨损率对比各增强相含量熔覆层在不同载荷下的磨损状况,观察磨损表面、磨损截面和磨屑的形貌,研究熔覆层的摩擦磨损机理,分析增强相含量和载荷对熔覆层摩擦磨损行为的影响。所制备熔覆层的物相组成为(Fe,Ni),CrFeB,TiC,TiB2以及Cr7C3。针对增强相晶体形貌的问题,对熔覆层进行深腐蚀处理,块状物相为TiB2,颗粒状物相为TiC;深腐蚀处理后,熔覆层中的TiC晶体主要有两种形态:正八面体颗粒状和枝晶状。TiB2晶体也有两种主要形态:层片状和六方晶状。熔覆层截面从基材到熔覆层表层有三个区域,其中在结合区和底部没有增强相生成。系统分析了TiC和TiB2晶体的生长过程,熔覆层中的TiC枝晶生长过程为:首先Ti、C原子组成八面体生长基元,生长基元经堆垛成为初生正八面晶体,正八面体晶体在生长条件的影响下,以尖端分裂的方式生成分枝,最终形成枝晶;TiB2晶体以二维形核的方式生长,由理论和计算,各晶面生长速度的不同,TiB2晶体会长成层片状。而在本试验熔覆层中,一定条件下,Cr元素会吸附在晶面上,促使TiB2晶体生长成为缺角六棱柱状,同时由于过饱和浓度的差异,TiB2晶体也会形成台阶结构。在摩擦磨损试验中,随着载荷的增加,熔覆层的平均摩擦系数均呈下降趋势;增强相含量越高,平均摩擦系数越低。增强相可以改善熔覆层的耐磨性,在低载荷下,增强相含量的增加对于磨损率的降低不明显;在高载荷下,增强相含量对磨损率降低的作用十分显著。通过观察磨损面形貌发现,TiC和TiB2在熔覆层中含量增加,在不同载荷下,会使熔覆层发生剥层磨损的趋势增大,抵抗黏着磨损的能力增强。而载荷增加,会使材料发生黏着磨损的趋势增大。熔覆层磨损截面轮廓与载荷和增强相含量有关,随着载荷的增加,界面轮廓由平整逐渐变得崎岖,增强相含量越低的熔覆层,崎岖程度越大。同时,载荷和增强相含量也影响着磨屑尺寸,低增强相含量熔覆层的磨屑随载荷的增加,尺寸先增大,后减小,由层片状转变为细小颗粒粘附在大片磨屑上,黏着程度增加;高增强相含量熔覆层的磨屑随载荷的增加而增大,仍然以片状为主要形貌,尺寸增大,高载荷下,大片磨屑会被压碎成为小片磨屑。
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