磨損是工程材料失效的三大形式之一,在礦山、冶金、農(nóng)業(yè)、化工、機(jī)械行業(yè)中造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。三元硼化物具有高強(qiáng)度、高韌性、強(qiáng)抗氧化性和良好導(dǎo)電性等優(yōu)異性能,將其作為硬質(zhì)相與金屬結(jié)合成為耐磨復(fù)合材料或涂層可以改善工業(yè)加工制造中的磨損失效問題。目前對(duì)三元硼化物基復(fù)合材料及其涂層的研究沒有足夠成熟,需要國內(nèi)外對(duì)三元硼化物基復(fù)合材料的新類型進(jìn)行開發(fā)并不斷擴(kuò)展其在耐磨領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。針對(duì)這一問題,本文在目前國內(nèi)外對(duì)三元硼化物基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)上,研究了由增強(qiáng)相三元硼化物FeWB與粘結(jié)相Fe組成的新型三元硼化物基復(fù)合材料及其涂層,分析了不同工藝下材料的組織與耐磨性能。主要研究結(jié)果如下:(1)以灰鑄鐵作為澆注金屬液,W粉、B4C粉為原始粉末,采用鑄滲工藝原位合成了 FeWB基復(fù)合材料。復(fù)合材料主要由α-Fe、增強(qiáng)相FeWB和WC以及少量Fe3(C,B)組成。W與B4C基本全部參與反應(yīng),生成的FeWB和WC顆粒均勻分布在α-Fe基體中,顯著提高了材料的耐磨性能。隨著反應(yīng)物中的W含量增加,FeWB和WC顆粒尺寸和含量增加,復(fù)合材料的平均硬度提高,而增強(qiáng)相顆粒的脆硬性更大,且金屬基體對(duì)增強(qiáng)相的支撐作用減弱,導(dǎo)致耐磨性降低。(2)將W、Fe和Fe-B合金粉作為原料,采用SPS燒結(jié)工藝,以燒結(jié)溫度為變量,原位合成FeWB基復(fù)合材料。燒結(jié)溫度較低時(shí)(1000℃),燒結(jié)過程中基本不發(fā)生反應(yīng),燒結(jié)體成分以原料為主。隨燒結(jié)溫度升高(1050℃),相鄰粉末間發(fā)生元素原子擴(kuò)散,反應(yīng)生成少量Fe2B、W2B和FeWB。當(dāng)燒結(jié)溫度較高時(shí)(1100℃,大量原料參與反應(yīng),中間相Fe2B、W2B消失,基本全部轉(zhuǎn)化為FeWB。隨燒結(jié)溫度升高,體系反應(yīng)愈發(fā)完全,復(fù)合材料的平均硬度顯著提高,FeWB體積分?jǐn)?shù)較高區(qū)域硬度最高達(dá)到1762 HV0.2。(3)采用SPS燒結(jié)工藝-等離子重熔工藝復(fù)合制備FeWB基復(fù)合涂層,首先采用SPS燒結(jié)工藝,以W、Fe和Fe-B合金粉為原料,在Q235基板表面制備FeWB涂層,再采用不同的等離子電流對(duì)預(yù)制的涂層進(jìn)行重熔處理。未重熔SPS燒結(jié)涂層與Q235基板呈機(jī)械結(jié)合,涂層中存在大量的原料W及部分中間產(chǎn)物W2B、Fe7W6,只有少量FeWB生成,且組織偏聚嚴(yán)重、孔隙較多,導(dǎo)致其顯微硬度較低且不均勻,耐磨性較差;經(jīng)低電流(30A)重熔,部分原料進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為FeWB,缺陷有所減少;隨著重熔電流增加(40 A和50 A),涂層與Q235基板結(jié)合界面形成結(jié)合緊密的過渡層,呈冶金結(jié)合,原料基本完全轉(zhuǎn)化為FeWB,并呈塊狀均勻分布在α-Fe基體中,組織結(jié)構(gòu)更加致密,表現(xiàn)出較高的顯微硬度,耐磨性顯著增強(qiáng),尤其40 A電流下重熔涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐磨性,其磨損量僅為未重熔SPS燒結(jié)涂層的17.4%。
【學(xué)位單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33
【部分圖文】：

圖１．２重塔技術(shù)示意圖??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ??１．４．２激光重熔技術(shù)??激光重熔技術(shù)［５５：ｌ是指經(jīng)高能量密度的激光束照射待重熔涂層使其重新熔化，??并快速凝固，形成稀釋低，與基體材料呈冶金結(jié)合的涂層，從而改善組織缺陷，??提高材料性能的工藝方法。特點(diǎn)：激光熔覆技術(shù)可以通過控制激光束的熱量輸??來減少基體對(duì)涂層的稀釋作用，熱影響區(qū)較小，使所形成的涂層的性能接近??覆材料的性能；快速凝固，使涂層晶體顆粒細(xì)小，組織致密性好，有較高的硬??、耐磨性和耐腐蝕性等；激光重熔過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。??．４．３等離子重熔技術(shù)??等離子重熔技術(shù)［５６］是以水冷體系的噴嘴為利用對(duì)象，對(duì)電弧形成約束的影??，把轉(zhuǎn)移弧作為熱量來源從而獲得具有高能量密度的等離子束，再對(duì)待重熔??層進(jìn)行作用獲得高性能涂層的方法。等離子重熔設(shè)備具體工作過程１５７１是以噴??

光器的重熔作用，組織中的微缺陷出現(xiàn)了明顯的下降，其典型的組織形貌圖如??圖所示，在圖中可以看到在等離子噴涂涂層中存在明顯的未熔合區(qū)、未熔顆粒、??反應(yīng)氣孔和界面缺陷；通過圖１．３（ｂ）可以看出經(jīng)過激光重熔后的組織缺陷明顯減??少，孔洞下降。??圖１．３未重熔和重熔ＷＣ／Ｃｏ涂層組織形貌圖??Ｆｉｇ．１．３?Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?Ｎｏｎ－ｒｅｍｅｌｔｅｄ?ａｎｄ?ｒｅｍｅｌｔｅｄ?ＷＣ／Ｃｏ?ｃｏａｔｉｎｇｓ??王東生等Ｍｌ通過激光重熔處理等離子噴涂納米Ａｌ２０３－１３ｗｔ．％Ｔｉ０２復(fù)合陶瓷??涂層，研究了重熔對(duì)于涂層組織結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性的影響。結(jié)果表明，激光重??熔后的涂層組織變得致密，出現(xiàn)了分層結(jié)構(gòu)，包括重熔區(qū)、燒結(jié)區(qū)和殘余等離??子噴涂區(qū)，其中重熔區(qū)形成細(xì)小的等軸晶，重熔涂層表面硬度顯著提高，截面??硬度由重熔區(qū)、燒結(jié)區(qū)和殘余等離子噴涂區(qū)的方向梯度降低，另外，由于重熔??涂層中細(xì)小等軸晶中納米粒子的釘扎位錯(cuò)作用，涂層具有很高的軔性和結(jié)合強(qiáng)??９??

２．１．１原始粉末??根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過程中所用的材料包括Ｗ粉、Ｂ４Ｃ粉、純Ｆｅ粉、??Ｆｅ－Ｂ合金粉。表２．１和圖２．１分別給出了在本文中使用的所有原始粉末粒度、??純度和形貌。Ｆｅ－Ｂ合金粉化學(xué)成分如表２．２所示。??表２．１實(shí)驗(yàn)所用粉末粒度和純度??Ｔａｂ．?２．１?Ｐａｒｔｉｃｌｅ?ｓｉｚｅ?ａｎｄ?ｐｕｒｉｔｙ?ｏｆ?ｐｏｗｄｅｒｓ??Ｓ?粒度（＿?Ｍ?Ｓ??Ｗ?３０－６０?＞９９．８％?中洲合金材料有限公司??Ｂ４ｃ?４０－７０?＞９４％?牡丹江前進(jìn)碳化硼有限公司??Ｆｅ?３０－７０?＞９９．４％?中洲合金材料有限公司??Ｆｅ－Ｂ?８０－１２０?＞９９．
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