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在工程中,熔覆涂层作为一种改善材料表面性能的手段得到了广泛的应用,尤其是在提高材料的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能等方面。其主要制备方法是激光熔覆和等离子熔覆,但这些方法存在设备价格高、操作复杂等问题,造成生产的成本增加。本文将氩弧熔覆作为提高材料表面耐磨性的一种新方法进行研究,在大幅度提高材料耐磨性的同时降低生产成本,这对企业生产效益的提高具有重要的意义。本文以工程常用的35Cr Mn Si钢为基体,选择钛粉、氮化硼粉和Ni60A粉的混合粉末制成复合材料棒,利用氩弧熔覆技术在35Cr Mn Si钢表面制备出熔覆层;研究了熔覆电流、熔覆速度、Ti与BN粉末的摩尔比例和(Ti+BN)含量对组织形貌的影响;确定出制备熔覆层的最佳粉末体系和熔覆工艺;利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨电镜及能谱分析对熔覆试样的物相及微观组织进行表征;通过显微硬度和摩擦磨损测试分析熔覆层的磨损机制,结果表明:(1)当熔覆电流为120A,熔覆速度为2mm/s时稀释率最小且表面成形质量最佳;当熔覆速度为2mm/s,熔覆电流从100A→120A→140A→160A变化时,熔覆层顶部组织随电流的增加形成由细小的颗粒相(尺寸为25μm)→颗粒相、针状和棒状组织→针、棒状组织(尺寸为5μm×600nm15μm×1.2μm)→粗大的针状组织(尺寸为20μm×1.2μm2μm)转变;当熔覆电流为120A,熔覆速度在1mm/s3mm/s范围,熔覆层的组织主要由Cr23C6、TiB、TiB2、Ti N和γ-Ni组成;随着熔覆速度的增加,熔覆层顶部组织由粗大的针棒状组织(尺寸大小约为30μm×1μm)→针棒状组织(尺寸约为10μm×1μm)+颗粒状组织(1μm2μm)→颗粒状组织+须状组织(尺寸约为10μm×500nm)转变;BN/Ti的摩尔比例对形成增强相形貌及分布状态具有很大的影响。当BN/Ti摩尔比为0.33时,组织主要由Ti N和TiB组成;随着BN含量的增多,TiB2形核质点增多,B元素的含量对TiB2的形核与长大起了重要的作用。(2)通过分析合金体系中各物质之间的反应产物和反应的可行性及Ti N、TiB2合成反应的热力学和动力学条件,提出了原位合成Ti N+TiB2的动力学模型。得出Ti-BN-Ni合金系在氩弧加热过程中的反应过程为:Ni60A合金粉末首先熔化,形成镍基熔池,钛和氮化硼溶解在熔化的Ni60A熔池中,在氮原子周围首先形成富钛的合金层,发生Ti N原位反应,随后硼将与钛相互作用,并从合金液中析出向外扩散,最后生成大量的Ti N和TiB2晶核。(3)通过TEM和HREM观察得到,在BN与Ti摩尔比低的情况下(BN/Ti=0.33),氩弧熔覆制备的TiB主要呈晶须状,TiB的横截面由(100)、(10 1)和(101)面组成六边形,沿着[010]方向生长;在BN/Ti摩尔比为0.67时,原位制备的面心立方Ti N生长方式为小平面生长;通过HREM可以确定Ti N与γ-Ni基体存在(111)Ti N//(11 3)γ-Ni,(111)Ti N//(2 2 0)γ-Ni,(220)Ti N//(31 3)γ-Ni的关系;TiB2颗粒主要以短棒状和六面体体块状组织存在;TiB2与Ti N形成了{111}Ti N//{0001}TiB2,<110>Ti N//<11 2 0>TiB2的位相关系,并依附于Ti N形核长大。(4)采用氩弧熔覆Ti-BN体系获得原位自生的TiB2和Ti N涂层具有良好的硬度和耐磨性。随着熔覆电流和熔覆速度的增加,熔覆层的显微硬度由先增加后降低,当熔覆电流为120A,熔覆速度为2mm/s时,熔覆层平均硬度可达1320HV0.5,约是基体的5倍;随着BN/Ti摩尔比的增加,熔覆层的显微硬度逐渐增大;当BN/Ti=1时,熔覆层的显微硬度最高可达1360HV0.5,但分布并不均匀,随着(Ti+BN)含量的增加,生成的颗粒相的数量增多,原位合成的组织发生变化,熔覆层的显微硬度增大。(5)随着摩擦载荷的增加,35Cr Mn Si钢的磨损量和摩擦系数均增大,磨损机制由氧化磨损向黏着磨损转变;含量为20%(Ti+BN),BN/Ti摩尔比为0.67时制备的熔覆层在不同载荷耐磨性较35Cr Mn Si钢基体提高614倍;随摩擦载荷的增加,熔覆层的摩擦系数逐渐减小,在摩擦载荷300N时的平均摩擦系数仅为0.25;其磨损机制主要是磨粒磨损;磨屑形貌由颗粒状、长条状和楔形状磨屑组成。同时,在相关理论的基础上,对TiB2+Ti N涂层与基体的摩擦和磨损行为进行了分析,建立了简易的模型,解释了试验现象。