等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究_夏厚福

1、犬il硿-大莩DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY颀士莩位坨文MASTERAL DISSERTATION等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研究学科专业材料加工工程作者姓名?指导教师?M_一答辩日期2014年6月硕士学位论文等离子堆悍碳化钨强化镍基合金组织与性能研究Microstructure and Wear Behavior of Ni-based HardfacingReinfored With Tungsten Carbides by PTAW作者姓名:夏厚福学科、专业:材料加工工程学号:21105051指导教师:邓德伟完成曰期:2014年5月式遠理工夫嗲D

2、alian University of Technology大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目:M HiSf扉柳tMM觀_fl作者签名: 夏谣搞日期:TWf年/月夕日大3?理工大学硕士学位论文摘 要为了提高材料表面耐磨性,通常在其表面堆焊耐磨合金,有时为了获

3、得特殊的性能,如高的耐应力磨损性能,可添加硬质合金粒子进行强化。对镍基合金而言,常添加的硬质粒子为碳化钨。其原因为:一方面碳化钨具有高的耐腐蚀性、高硬度、高熔点、可焊性好、具有一定的塑性变形等特点;躬一方面镍基合金与碳化钨颗粒之间有较好的润湿性。本课题选用等离子堆焊技术,其原因为:等离子堆焊技术具有稀释率和变形小、焊道平整、工艺稳定、冶金结合好、致_无缺陷、易于实现自动化等优点。本文来用等离子堆焊技术在奥氏体不锈钢钢板表面堆焊碳化钨强化镍基耐磨合金,使用光学显微镜(0M)、带能谱分析的扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱分析伩(XRF)、红外碳

4、硫分析伩、显微硬度计、磨损试验机等设备研宄合金堆焊层的显微组织和耐磨性能。研究了堆焊电流对镍基合金堆掉层组织与性能的影响。结果表明.随着堆焊电流的增大堆焊层中的枝晶组织变得越来越不明显,堆焊层中依次出现鱼骨状组织、羽毛状组织和点状群落组织,并且硬度也随之降低。研究了添加不同含量和形状碳代钨强化镍基合金堆焊层组织与性能。在显微组织方面,随着碳化钨含量的增加,堆焊肩中出现了针状、块状、条状及骨架状组织,并且均含有W元素;在耐磨性能方面,随着1碳化钨添加量增大,合金堆焊层的耐磨性能也随之提高,且球形碳化钨的强化效果优予不规则碳化钨。研宄了堆焊电流对碳化钨强化镍基合金堆焊层组织与性能的影响。堆焊电流不

5、同,元素凝固时扩散程度也不同,最终导致堆焊层中出现不同形态的组织。在耐磨性能方面,堆焊层的耐磨性并不是堆焊电流的单调函数,它与电流及试验载荷大小相关。同时,在堆焊层中观察到了不同程度溶解的破化钨,这些溶解的碳化钨进入到镍基合金基体中,与基体中元素进行反应,形成各种不同形状的复杂化合物,并且随着堆辉电流的增大,碳化钨溶解现象越来越明显。关键词:等离子堆焊;镍基耐磨合金;碳化钨;显微组织:耐磨性等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能研宄Studies on Microstructure and Properties of Ni-based HardfacingReinforeced With Tu

6、ngsten Carbides by PTAWAbstractIn order to improve the surface wear resistance, the abrasion-resistant alloy wasdeposited on the surface of material. Sometimes for special performance, such as high stressabrasion resistance, it can be adding carbide particle in it. For the Ni-based hardfacing, theca

7、rbide particle usually was tungsten carbides. There are some reasons for this. On the onehand, the tungsten carbides has high corrosion resistance, high hardness, high melting point,good weldability and plastic deformation. On the other hand, the Ni-based alloy has goodwettability with tungsten carb

8、ides. It adopts plasma transferred arc welding (PTAW) in thispaper, the reason is that it has lower dilution and deformation, good weld formation, processstability, easy to realize automation, excellent bonding with substrate and dense anddefect-free deposits.The Ni-based hardfacings reinforeced wit

9、h tungsten carbides were deposited onaustenitic stainless steel substrate by plasma transferred arc welding (PTAW). The opticalmicroscope (OM),scanning electron microscope (SEM) with Energy Disperse Spectroscopy(EDS), electron probe microanalyzer (EPMA), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescencesp

10、ectrum analyzer (XRF), infrared carbon sulfur analyzer, microhardness tester and slidingwear tester were employed to analysis the microstrcture and wear resistance.The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacingwas studied. The results indicated that dendrites c

11、onstituents was becoming more and moreunconspicuous, the herringbone, feathery and dot community structure were appeared incoatings and the microhardness was decreased with the increase of the current.The microstructure and wear resistance of the Ni-based alloy reinforced with differentcontent and s

12、hape of tungsten carbide were researched. In the aspect of microstructure,with theincreasing content of tungsten carbides, in the shape of acicular constituent, block tissue, longflake and skeleton structures, which including element of W, were precipitated in coatings. Interms of wear resistance, t

13、he wear resistance of coatings increased, with the increasing content oftungsten carbides. At the same time, the reinforcement effect of spherical tungsten carbide wasbetter than the irregular tungsten carbides.The influence of current on microstructure and wear resistance of Ni-based hardfacingrein

14、forced with tungsten carbides were researched. In different welding current, the diffusionrate of element was different during the solidification of coatings, leading to various forms ofiiorganization appeared in the coatings. In terms of wear resistance, the wear resistance of coatingwas not monoto

15、nic function of current, it related to the current and the size of the test load. Thedissolved tungsten carbides with different degree were found in coatings. They reacted with theelements of Ni-based alloys to form low melting eutectics, which precipitated in different shapes.What is more, the diss

16、olved phenomenon of tungsten carbides was more obviously with theincrease of the current.Key Words: Plasma transferred arc welding; Nickel-base alloy; tungsten carbides;Microstructure; Wear resistance-in-等离子堆舰化钨强化镍基合金组织与性能研宄目 录m IAbstractII1 11.1镍基合金11.1.1 镍基合金的分类11.1.2合金元素对镍基合金的影响31.2碳化钨41.2.1碳化钨的分

17、类及优点41.2.2碳化鹤的应用51.3摩擦磨损51.3.1 磨损的分类51.3.2磨损机理61.3.3影响磨损的因素71.4等离子弧堆揮81.5课题研究意义及主要内容92实验部分102.1 实验材料102.2焊前准备与焊后热处理112.3试样的制备112.4显微组织分析122.5摩擦磨损试验123电流对等离子堆焊Ni40合金组织与性能的影响133.1 实验材料133.2合金堆焊层显微组织分析133.3合金堆焊层硬度分析233.4 本章小结244碳化钨的含量及形状对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响254.1不同含量球形碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响254.1.1 实验材料25-I

18、V -4.1.2合金堆焊层显微组织分析264.1.3合金堆焊层摩擦磨损性能分析324.2不同含量不规则碳化钨对等离子堆焊镍基合金组织与性能的影响.364.2.1 实验材料364.2.2合金堆焊层显微组织分析374.2.3合金堆焊层摩擦磨损性能分析444.3 本章小结475电流对等离子堆焊碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响485.1电流对等离子堆焊球形碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响485.1.1 实验材料485.1.2合金堆焊层显微组织分析485.1.3合金堆辉层摩擦磨损性能分析575.2电流对等离子堆焊不规则碳化钨强化镍基合金组织与性能的影响.605.2.1 实验材料605.2.2合金堆焊

19、层显微组织分析615.2.3合金堆焊层摩擦磨损性能分析655.3 本章小结67 it69参考文献70攻读硕士学位期间发表学术论文情况76Sfc if77大连理工大学学位论文版权使用授权书78:?工大学硕士学位论文1绪论1.1镜基合金镍基合金是指在高温下具有较高强度与一定抗氧化腐烛能力等综合性能的一类合金,它广泛应用于海洋、石油、化工、核电等行业,解决一般不锈钢和其它金属、非金属材料无法解决的工程问题。其强化机制为:一方面可以通过合金元素固溶强化,另一方面还能产生沉淀强化2。1.1.1镍基合金的分类镍基合金的分类方法通常有两种,一种是按照其化学成分进行分类,另一种是按照其主要性能特点进行分类,常

20、用的分类方法如图U所示。下面将对镍基耐热合金、镍基耐蚀合金和镍基耐磨合金作简单的介绍。镍基合金I II I按化学成分特点I I按性能特点ip Jn r- r*i 丄 丨镍迪镍镇镍媒镍镍镍镍镍合22银责铬铬络铬基基基基基金55铁2铁相银银耐耐耐精形金金金金金金合合合合合合记金金金金金金忆图1.1镍基合金的分类Fig. 1 ? 1 The classification of the Ni-based alloy(1)镍基耐热合金镍基耐热合金又称为镍基高温合金,它具有组织均句、有害相少和耐氧化腐蚀能力强等优点,同时,能在高温较大应力条件下工作3。它的合金粉末在制造航空发动机润轮盘上有重要的应用由于镍

21、基高温合金在工业上应用广泛,众多的学者对镍基高温合金进行了研究。钢铁研究总院的国为民等人力对镍基粉末高温合金的组织、性能与成型及热处理工艺关系进行了研究,他们发现冶金工艺、热处理工艺及内部缺陷都对镍基粉末高温合金组织与性能产生直接的影响。中国矿业大学王会阳等人【8对镍基高温合金材料的研宄进展进行了阐述,主要从力学性能、氧化行为、疲劳行为和高温蠕变行为这几个方面进行了研究。-1 -等离子堆揮碳化妈强化镇基合金组织与性能研宄北京科技大学吴凯等人对镍基高温合金的高温蠕变及固溶冷却速度和前处理对線基粉末高温合金组织与硬度影响进行了研宄。关于蠕变,他们认为if变阻力是影响铸造镍基高温合金螺变机制的重要因

22、素。关于固溶冷却速度和前处理,他们认为冷却速度越快,合金硬度越高,失效后硬度增高越多。钢铁研究总院的张室等人对镇基粉末高温合金的缺陷进行了分析研究,认为镜基高温合金粉末中的夹杂物、空心、包裹粉、氧化污染粉等异常颗粒是成型后合金中缺陷的隐患。山东大学的杜劲等人对镍基粉末高温合-金的铁削加工进行了研究,得到了镍基粉末合金的统削力和统削温度的经验公式。(2)镍基耐独合金、镍基耐烛合金在工业上应用广泛,其优点如图1.2所示,现对常用的镇铜合金和镜铬合金这两种耐烛合金作简单介绍。在国内,常用的两种镍铜合金牌号分别为Ni68Cu28Fe和Ni68Cu28Al。对Ni68Cu28Fe镍铜耐烛合金而言,其组织

23、结构为典型的单相奥氏体组织,没有金属间相析出,不存在由于复相合金不同相间电偶反应而引起的腐烛。在大气中,它具有极高的耐烛性,在天然水和蒸馆水中,其耐烛性也是极佳的,在有空烛-磨烛条件下,其耐烛性更显优越性,可用于制造螺旋奖、泵轴、冷凝器传热管和叶轮等。然而,在亚硫酸中,它容易受到腐烛,不能用于处理亚硫酸溶液和造纸工业中的亚硫酸!?。对Ni68Cu28A丨镍铜耐烛合金来说,相对于第一种镇铜耐烛合金而言,它具有更高的强度和硬度,主要是由于该合金存在金属间化合物沉淀,能起到沉淀强化作用。该镍铜耐烛合金主要用于泵轴、叶轮、输送器刮刀、油井钻环、弹性部件和阀塾等。当Ni中添加10%以上的Cr时,便得到了

24、耐烛性和抗氧化性较好的镜铬合金。根据Cr的添加量不同,可对镜铭耐烛合金进行分类。常用的镍络耐烛合金的牌号有:0Crl5Ni75Fe、0Cr23Ni63Fel4Al、0Cr20Ni65Ti3AlNb、O0Cr3ONi6OFelO、0Cr35Ni65等合金。0Crl5Ni75Fe镜铬合金具有较好的耐烛、耐热、抗氧化、加工及煙接等性能特点,广泛应用于化学等工业中,例如用于制造加热器、蒸发器、蒸馆塔、冷凝器等设备上,它也是轻水堆核电厂的重要结构材料;0Cr23Ni63Fel4Al镍络合金在氧化性酸中具有较好的耐烛性,同时也具有较好的抗氧化性能和抗硫化性能,它主要用于加热设备、化学工业、航空航天以及动力

25、工业中;0Cr20Ni65Ti3AlNb镍基耐烛合金主要特点是在氧化性介质中具有良好的耐烛性和耐磨性,主要用于耐烛条件下,例如制造有稀硝酸腐烛并有振动、撞击条件的计量栗截止球阀;0OCr30Ni6OFel0镍铬合金是一种专用合金,主要用于轻水反应堆核电站制造蒸发器传热管,以解决不锈钢等材料出现的应力腐她问题;0Cr35Ni65镇基合金最大特点在于既耐强氧化性酸的腐烛,也耐高温气体的热腐烛,它一般用于制造耐HN03、HN03+HF混酸的容器、管道、塔和槽等,也用于核化工工业中。-2 -一 :? &女f白勺而寸t虫十生含巨罈入其,付合强度高、塑朝性好金的悦点ri冶炼和铸造性能好H冷热变形和加工能力

26、强图1.2镍基耐烛合金的优点Fig. 1.2 The advantages ofNi-based corrosion resistant alloy(3)镇基耐磨合金镍基耐磨合金通常是以涂层的形式应用于工业上,制备耐磨镜基合金涂层的常用方法有电键、化学键、激光溶敷、等离子堆煌、真空溶结和喷烤等手段。由于等离子堆燥和激光溶敷母材稀释率小、界面成型好、生产效率高和易于实现自动化,故常用来制造镍基耐磨合金堆燥层。镍基耐磨合金具有较好的耐磨性能,这是由镍基合金的显微组织决定的。镍基合金的微观组织主要由枝晶组织和枝晶间组织构成,枝晶间组织主要是一些富铬硼化物和富铬碳化物,它们都具有很高的硬度。C.Sud

27、ha等人15釆用等离子堆燥技术在304L不诱钢表面堆煌镍基耐磨合金,在富含大量针状组织的碳络化合物区域,硬度高达700VHN。D.Kesavan等人对镇基的高温磨损性能进行了研究,发现随着测试温度的提高,镇基耐磨合金的耐磨性能提高了,在823K?的温度下,堆燥层的耐磨性能最好。E.Fernandez等人17对激光馆敷镍基合金的耐磨性能进行了研宄,发现在不同的载荷作用下堆烤层的磨损机制不一样,低载荷的磨损机制为氧化磨损,高载荷的磨损机制为粘着磨损和氧化磨损。1.1.2合金元素对镜基合金的影响在钢铁中加入合金元素,能改变材料的工艺性能和使用性能。这是因为添加合金元素后,合金元素与钢中其它元素发生相

28、互作用,改变了钢中各相的稳定性,并产生了许多新相,从而改变了原有组织18。在镍基合金中加入合金元素,也能改变镜基合金的诸多性能,下面简单介绍主要合金元素对镇基合金的影响(1)钴、铁、猛。它们在一定的温度范围均能与镇形成彼此无限连续固溶体相,均能-提高镍的热电势。钻提高镍的硬度及热稳定性。铁、猛能显著降低镍的膨胀系数,铁还可以通过置换部分镍,降低成本和提高废料利用率,猛能消除硫和碳的有害影响。(2)络。络在镍中的固溶度可达40%,是许多耐烛及高温镍基合金的重要元素。在耐烛性方面,它能改进在氧化性腐烛介质中的耐独性,提高耐局部腐t虫性能。在提高高温-3 -等离子堆燥碳化鹤强化镇基合金组织与性能研究

29、性能方面,它能显著提高镜的热强性与热稳定性,并大大提高镍的电阻系数,降低电阻温度系数。(3)绍、I太、娃。它们在镍中的溶解度不大。销能提高镍在高温下的抗氧化能力及热强性。铁能改善燥接热影响区和耐晶间腐烛的性能,并且能显著提高镍的热强性、电阻系数、热电动势及再结晶温度。提高硅含量(4%)能提高镍基合金的耐氧化性矿物酸、硫酸和硝酸腐她的性能,还能提高镍的硬度、强度、电阻系数与耐热性,但含量过高则会降低塑性。(4)碳、硼。碳和硼的含量能显著影响碳化物和硼化物的析出量,少量的碳能偏聚于晶界,形成细小二次相,能有效降低裂纹形成倾向,但碳含量过高,易使得晶界变脆,裂纹易于扩展,降低合金性能;少量硼对合金的

30、塑性和螺变强度有利,并且能够显著减小持久缺口敏感性,硼含量过高易降低合金塑性和高温持久性。1.2碳化销在表面堆辉技术中,为了进一步提高合金堆燥层的耐磨性,通常在堆煌合金中加入一定量的硬质粒子,被选用的硬质粒子要求在基体中有较小的溶解度,并且溶点比基体合金要高,由于碳化鹤具有众多的优点,故通常作为硬质粒子加入到镍基合金和钴基合金中2卜26)。1.2.1碳化铭的分类及优点根据碳化妈的获得方法不同,可将其分为铸造碳化鹤、烧结碳化鹤和单晶碳化妈三类27_29;根据碳化销的形态不同,又可将其分为球形碳化鹤和不规则碳化鹤两类21。图1.3表示碳化鹤作为硬质粒子的一些优点,正是由于碳化鹤具有这些优点,碳化销

31、才作为一种硬质粒子广泛添加到其它合金粉末中碳化鹤的点i 丨I II j iif 丨可 n Q DmWi ftS烛i偉3 S當S有塑被湿性性S 1 I f 一性合if ifj Q n H 图1.3碳化鹤的优点Fig. 1.3 The advantages of tungsten carbides4 -1.2.2碳化鹤的应用在表面改性激光堆捍和等离子堆焊过程中,碳化鹤通常作为硬质粒子添加到合金堆辉层中,目前研宄比较多的都是向镍基合金和钴基合金中加入碳化鹤硬质颗粒,这是由于镍基合金和钴基合金对碳化鹤有良好的润湿性,在磨损过程中,碳化鹤在基体中起抗磨作用,基体能防止碳化鹤裂纹扩展和承受一定的冲击载荷作

32、用34?本课题也是基于此而展开研宄的。在镍基合金中加入碳化鹤进行等离子堆辉时,Tonya Brett Bunton Wolfe等人认为会在堆捍层中形成四个区域,这四个区域的碳化鹤含量不一致,在堆焊层中部和靠近溶合线处碳化鹤含量较多,溶合线处碳化鹤含量次之,堆捍层顶部碳化鹤含量最少。并且,由于等离子弧温度较高,在堆捍过程中,部分碳化鹤会发生溶解,溶解后的碳化鹤与基体中的元素发生冶金反应,生成新的析出相。A.Liu等人研究了在等离子堆淳时碳化鹤的分布与溶解,他们发现碳化锡在堆辉层中的分布依赖于络池的凝固速度,并且球形碳化鹤更容易进入到溶池中,而不规则碳化鹤一般位于合金堆捍层的上部,这种差别的产生是

33、由于球形碳化鹤在溶池中的流动性比不规则碳化鹤的流动性要好。在激光熔敷方面,也有众多的文献研究添加碳化鹤后線基合金溶覆层的组织与性能的变化,并且研究性能变化主要集中在耐磨性能和耐烛性能方面1.3摩擦磨损两个在接触状态下作相对运动的物体,因接触而阻碍相对运动,并使运动速度减慢,这种现象称为摩擦。物体表面相互摩擦时,材料自该表面逐渐损失的过程称为磨损。磨损是伴随摩擦而产生的,一般来说,有摩擦就会引起磨损,同时,磨损也是一个复杂的过程酬。1.3.1磨损的分类引起磨损的原因有很多,既有力学因素,也有物理和化学因素,很多因素如摩擦副材料、润滑条件、加载方式和大小、相对运动特性等也影响磨损量的大小,所以磨损

34、是一个十分复杂的系统过程。目前还没有统一的分类方法,但通常的分类方法有三种,如图 1.4 所示-5 -等离子堆辉碳化玛强化镜基合金组织与性能研究磨损,、JI按发生歴损 按发屯磨损的衷面接触的环境及介性质划分质划分 J_ 丄r-L J-, r-L, r-L r-J, n-J, r-Li金金金接流 M平M 點:磨磨触冲微冲T-湿i金磨流着:粒烛疲烛动击磨磨:睫屈粒体磨I磨磨劳磨磨磨损彳贝.损磨损丨损损磨损损损;损损损损图1.4磨损的分类Fig. 1.4 The classification of wear1.3.2磨损机理关于磨损机理的研宄,不同的学者提出了不同的理论,他们各自的理论都是建立在一定

35、条件的基础之上,下面将简单介绍三种比较常见的磨损理论46。(1)磨损的剥层理论美国麻省理工学院的教授N.P.Suh最早提出磨损剥层理论,它分析了磨损时金属的塑性变形与断裂行为,这一理论的基础为金属的位错理论148。根据剥落坑外形特征,可以划分为三种剥落形式,分别为:点烛、浅层剥落和深层剥落。点烛主要发生在接触表面下的最大切应力处,它是由于位错在次表层运动,从而在夹杂物或晶界等障碍处发生堆积。在滚动接触过程中,剪应力方向不断发生变化,位错运动方向也随之发生变化,由于位错的切割,形成空穴,空穴集中而形成空洞,最后演化为裂纹,裂纹在载荷作用下发生扩展,当扩展至表面时,便形成点烛。表面接触应力较小,摩

36、擦力较大或表面质量差时,容易产生点烛47。在纯滚动或摩擦力很小情况下,此时次表层的切应力最大,更容易形成裂纹,当裂纹沿着平行于表面的方向扩展时,易形成薄而长的剥落片,此时就发生了浅层剥落,第二相硬质点和夹杂物都能促进浅层剥落,材料表面粗糙度比较低,也易出现浅层剥落。当裂纹位于材料硬化层与心部交界处时,此时该处的最大合成切应力高于材料的塑性变形力,容易造成大块剥落,最终形成深层剥落。对于一些表面硬化而心部强度太低,硬化层深度不合理,梯度太陆或过渡区存在不利的应力分布的部位,容易形成深层剥落。(2)磨损的疲劳理论-6 -当两个接触体相对滚动或滑动时,在循环变应力作用下,超过材料疲劳强度极限,产生裂

37、纹,并逐步扩展,造成材料剥落,形成疲劳磨损。材料发生破坏时,由于其应力循环次数远低于弹性接触条件下的循环次数,因此,也经常称为低循环疲劳破坏。最早提出疲劳磨损理论的学者是苏联的克拉盖尔斯基他提出来的理论包含以下几方面:(a)两磨损面发生摩擦,接触的部分是不连续的,众多的接触点组成实际的磨损面,这是由材料实际表面存在着粗糙度决定的;(b)接触点由于有法向应力作用,它会产生局部应力和塑性变形;(C)两接触表面产生相对滑动时,摩擦力将导致接触区材料性能发生变化,同时,在交变应力循环作用下,接触区材料将发生疲劳损伤,材料因疲劳损伤而被削弱,最后形成磨屑脱落,使材料发生破坏。(3)磨损的能量理论磨损能量

38、理论认为材料出现磨损的主要原因是能量的转化造成的,最早提出该理论的学者是弗利舍尔(G.Fleisher)。磨损过程是一种能量产生与消耗的过程,摩擦功表征的是输入到摩擦副的能量与输出能量的差值。对金属材料来说,摩擦功的去向有两个,一部分摩擦功以潜在的内能形式积蓄在材料中,这部分的摩擦功相对比较小;摩擦功主要去向为促进材料的塑性变形,并最终以热能的形式散失。为了使磨屑与基体材料分离,材料必须积累足够的内能,当材料的内能增大到一定值时,储存的能量超过材料结合键的键能,材料表面便产生破坏而形成磨屑,出现磨损。1.3.3影响磨损的因素影响金属的磨损因素非常多,并且不同的磨损机理,其影响的因素不同,表1.

39、1为常见的几种摩擦磨损机理及其影响因素的汇总表1.1不同磨损类型的影响因素Tab. 1.1 The influence factors of different types of wear磨损类型影响因素rzTi它与载荷、滑动速度、温度、材料性能、表面粗糙度及表面膜状态等因點着磨fcj素有关它与载荷、mmm.磨粒和材料表面相对速度、温度、材料成分、材k料组织及材料性能等因髓关它与材料自身性质(如弹性模量:,硬度等)、工况条件(如磨粒,冲度,冲烛磨fe冲烛角度)等因素有关腐烛磨损它与环境、温度、介质、载荷、滑动速度和润滑条件等因素都有关系微动磨损它与载荷、振动、频率和循环次数、环境、润滑及材料性

40、质等因素有关-7 -等离子堆燥碳化妈强化擦基合金组织与性能研究它与载荷、热处理组织、表层性质(如硬度、残余应力等)、冶金质量、麵纖戯猶条件有关1.4等离子弧堆爆等离子弧堆焊技术是利用氩气转移型弧作为主要热源,填充金属合金粉末或煙丝,在工件表面形成溶池,冷却得到性能优良的堆辉层的一种辉接方法。按照电源连接方式,等离子弧可分为转移型弧和非转移型弧,转移型弧在电极和工件之间燃烧,非转移型弧在电极和喷嘴之间燃烧_。等离子弧与其它一般电弧的主要区别在于,一般电弧是自由弧,等离子弧是压缩弧,等离子弧在喷嘴处受到热压缩、机械压缩和电磁压缩作用,这三种压缩效应使得等离子弧的弧柱温度和能量密度大大地提高,图1.

41、5为等离子弧堆煙相对于其它堆輝技术的优点54_58。H 揮道平整,工艺稳定H燒层组织均匀缺陷少 温度高,能量集中等禽子孤谁I H 电弧稳定,可控性好 燥的点厂H 堆揮材料范围可选 母材稀释率禾口变形小d热影响区小,生产效率高H 易于实现自动化 图1.5等离子弧堆傳的优点Fig. 1.5 The advantage of PTAW本课题应用的是粉末等离子弧堆揮,它一般采用转移型弧,但也可以采用混合型弧,采用混合型弧时,非转移弧作为补充热源,进一步提高溶敷效率。在粉末等离子弧堆辉过程中,送粉的均勾性和送粉量的大小是影响粉末堆傳质量的一个重要因素,粉末的粒度对堆傳的质量也有很大的影响_。粉末等离子弧

42、堆揮技术的主要参数有:煌接电压、电流、摆动参数、保护气流量、辉接速度和工作距离等。燥接电压与工作距离有关,工作距离越小,电压越小;爆接电流大小决定热输入大小,堆惶电流过小,基体与堆燥层之间结合不好,易出现气孔、微裂纹等缺陷;摆动参数决定傳道的宽度;保护气流量影响溶池的保护效果;辉接速度对爆道的厚度和溶深有影响_。-8 -1.5课题研究意义及主要内容在核电、矿山和航天等领域中,为了提高材料表面的性能,通常对其表面进行改性。现在核电设备上应用较多的合金涂层为镍基合金涂层,但在某些要求耐磨性能较高的部件上,单纯的镍基合金涂层并不能满足其耐磨性能的要求,故寻求添加硬质粒子强化的镜基合金堆揮层来代替。由

43、于碳化鹤具有众多的优点,加之等离子堆悍技术具有母材变形小、稀释率低和易于实现自动化等优点,故研究等离子堆辉碳化鹤强化镍基合金堆悍层显微组织与耐磨性能有重要的研宄价值,本课题也是基于此而展开的。本课题采用等离子堆揮技术,在304奥氏体不诱钢钢板上堆燥镍基及碳化鹤强化镍基合金,实验设置的参变量有三个,分别为堆悍电流、碳化鹤的含量及碳化鹤的形状。对堆焊后的合金堆焊层进行显微组织和磨损性能分析,显微组织分析侧重于合金堆捍层中各种组织的研究,耐磨性能分析侧重于合金堆揮层在不同载荷作用下的磨损性能,最后通过组织与性能的分析,得到一些规律与结论。-9 -等离子堆燁碳化鹤强化線基合金组织与性能研究2实验部分2

44、. 1实验材料实验选用的母材为304奥氏体不锈钢钢板,选用的線基合金粉末为Ni40自溶性合金粉末,它属于Ni-Cr-B-Si系合金,其化学成分见表2.1;选用的碳化鹤有两种,分别为球形碳化妈和不规则碳化鹤,利用红外碳硫分析仪对其进行成分测定,测得化学成分见表2.2。-表2.1初始镍基合金化学成分(质量分数/%)Tab. 2.1 Composition of original nickel-base alloy powder (wt%)Csi&FeBNi40OJ33T5olL7余量表2.2初始碳化玛颗粒化学成分(质量分数/%)Tab. 2.2 Composition of original tu

45、ngsten carbides powder (wt%)cw97.50不规则4.4595.55利用扫描电镜对初始镍基合金粉末及碳化鹤进行形貌分析,如图2.1所示。Ni40合金粉末和球形碳化销均呈球形,不规则碳化鹤呈石块状。据材料供应商提供的参数知:Ni40合金粉末的粒度为45?150im;球形碳化鹤的粒度为45-180111;不规则碳化鹤的粒度为105147叫1。图2.1初始合金粉末形貌:(a)Ni40; (b)球形碳化妈;(c)不规则碳化鹤Fig. 2.1 SEM micrograph of original alloy powders; (a) Ni40; (b) Spherical tu

46、ngsten carbide;(c) Irregular tungsten carbide-10 -利用X射线衍射仪对初始镇基合金粉末和碳化鹤进行物相分析,其分析结果如图2.2所示。Ni40合金粉末主要含有的相为:Y -Ni、BCr和Ni3iSii2;两种不同形状的碳化玛含有的相均为:WC、W2C和游离态的W。 XM-y-Dti (的 A? W ?0- W?CrfiWCfWCI ?-NSwSia 暴 -A Wf 墨級He,.1.,-. I III,-,.ill .mi IIfc.*.t-.,*-.J,t?, ,11,1,111III.I I 11,.,.,11? .,1 II*, I if -

47、 - * ? -. ? 13?49 9? ?9 79 M 99 IM 14 MS? ?1 ? M 4? 26 ? 49 50 ?9 tft 4?IM赠*)图12初始合金粉末XRD分析:(a)Ni40; (b)球形碳化鹤;(c)不规则碳化鹤Fig. 2.2 XRD pattern obtained from original alloy powders: (a) Ni40; (b) Spherical tungsten carbide;(c) Irregular tungsten carbide2.2择前准备与爆后热处理为了减小燁接过程中由于捍接热应力而产生裂纹倾向,捍前将304奥氏体不锈钢钢板

48、在40(rc下保温2h,为了使悍后获得良好界面,悍前将不诱钢钢板表面用200#砂纸进行打磨,并用酒精进行清洗,去除油污和表面氧化物;为了提高堆燁过程中焊粉的流动性,实验前将混好的碳化锡镍基合金粉末置于15(rc的烘箱中烘烤2h;为了避免燥后由于冷却速度过快而产生裂纹,堆择后将试件放在經石粉中缓冷至室温。2.3试样的制备为了获得稳定的分析试样,在取样过程中要避开由于起弧和收弧而产生捍接缺陷的区域,具体的取样示意图如图2.3所示。揮接方向_IIy堆悍层= MI基体图2.3堆揮层切取试样示意图Fig. 2.3 Schematic of sample location from deposit-11

49、-等离子堆傳碳化玛强化镇基合金组织与性能研究2.4显微组织分析按图2.3进行取样,取样完成后,将试样制备成金相试样。为了分析堆煙层的显微组织,本实验使用了一系列分析手段,应用到的主要仪器设备及其作用如表2.3所示。表2.3显微组织分析仪器及其作用Tab. 2.3 Microstructure analysis instruments and their function仪器名称分析对象Wm红外碳硫分析仪(CS-8800)碳化妈粉末测定粉末中C元素的含量X射线衍射仪(XRD-6000) 初始合金粉末及合金堆辉层进行物相分析光学显微镜(Nikon-MAIOO)合金堆煙层获得合金堆辉层的金相组织Sf

50、fiWZEISS SUPRA 55初始合末及合金聊层获得合金賴.层的扫描组织ZEISS EVO 18)电子探针(EPMA-1600)合金堆燥层对组织进行元素点、线和面分析2.5摩擦磨损试验为了评价合金堆焊层的耐磨性能,需要对其进行摩擦磨损试验。摩擦磨损试验在型号为MMS-2A的微机控制摩擦磨损试验机上进行,该摩擦磨损试验类型为环块式摩擦磨损,磨损试样取样尺寸及原理如图2.4所示。据文献表明,载荷对摩擦磨损的磨损机理有影响,故在试验过程中,将载荷设为变量,分别取值为50N和150N,其它试验参数分别为:时间为90min,转速为90r/min。U.-j h ? I11 JPfT爆_普图2.4环块式

51、摩檫副尺寸和摩檫磨损试验接触原理图Fig. 2.4 The size and schematic diagram of block-on-ring friction pair-12 -3电流对等离子堆择N i 40合金组织与性能的影响3.1实验材料实验选用尺寸为160mmx50mmx20mm的304奥氏体不锈钢钢板作为基材,焊粉选用自溶性Ni40合金粉末,堆揮过程中采用单道彈。对基材和傳粉进行辉前处理如2.2节所述,具体等离子堆傳参数如表3.1所示。表3.1等离子堆诨工艺参数Tab. 3.1 Welding parameters of the PTAW%“流(A)m电压(V)303030摆动幅