铁合金类型对激光粉末沉积铜基合金结构演变与性能的影响

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铜及铜合金具有优异的导电、导热、耐腐蚀性能而被广泛应用于工业领域。但是,即使通过加工硬化,铜的强度和硬度也远远低于使用要求。一般而言,铁合金不仅具有较高的硬度和耐磨性,还具有低廉的成本,尤其是铁基非晶合金,还具有良好的耐蚀性能。本文,通过利用铜铁合金液相难混溶特性,采用激光粉末沉积原位制备出弥散分布的富铁颗粒来增强铜基合金。重点研究不同铁合金类型对铜基复合材料微观结构、相分离特征、富铁颗粒粒径分布、富铁颗粒内部结构演变、硬度、耐磨及耐蚀性能的影响,得到的主要结果如下:首先,采用激光粉末沉积技术制备了Cu88Fe12偏晶涂层(铁合金为Fe-12Ni-5Cr-0.6Si-0.2C(wt.%)),其微观结构为大量球形γ/α-Fe颗粒弥散分布于ε-Cu基体。由于富铁颗粒的存在,偏晶涂层的硬度得到明显的提高。此外,由于富铁颗粒对铜基体的阴影保护效应,Cu-Fe偏晶涂层磨损面的塑形变形和犁沟宽远小于黄铜。因此,Cu-Fe偏晶涂层的耐磨性能相比黄铜得到明显地提高。在前期实验的基础上,通过增加铁含量来进一步提高Cu-Fe偏晶涂层的硬度及耐磨性能,并且将铁合金更换为12Cr1Mo1V(wt.%),同样采用激光粉末沉积技术制备了Cu80Fe20偏晶涂层。结果表明:随着激光扫描速度由8 mm/s、10 mm/s增加到12 mm/s,铁颗粒粒径由7.54±0.302μm、6.44±0.258μm减小到5.32±0.213μm,富铁颗粒粒径及相邻颗粒间间距的减小,使得富铁颗粒对富铜基体的阴影保护效应增强。因此,随着扫描速度的增加,Cu-Fe偏晶涂层的硬度及耐磨性逐渐提高,且远高于黄铜。由于非晶合金具有抗磨及耐蚀等优异性能,将铁基非晶(Fe-W-Mo-Cr-Ni-Si-B-Mn-C(wt.%))引入到铜合金中,采用了激光粉末沉积技术制备了铁基非晶合金增强铜基偏晶复合材料。其宏观形貌特征为:随着能量密度的增加,相邻轨道间的结合质量经历了从“不良结合(缝隙)”到“良好结合”和“裂纹萌生”的过渡。由于液相分离的发生,富铁颗粒弥散分布于富铜基体中,且富铁颗粒内部结构特征为:鱼骨共晶骨架M23C6、骨刺Cr Fe7C0.45、白色碳化物M12C分布于富铁颗粒中。因此,耐蚀性因为低能量密度导致的相邻轨道间的缝隙而表现为最差,随着能量密度的增加,富铁颗粒表面形成的钝化膜可以对铜基体起到保护作用,然而,随着能量密度的进一步增加,铁颗粒内部裂纹的萌生会降低钝化膜对铜基体的保护作用。
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