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本课题采用等离子弧堆焊设备,通过工业钛粉和碳化硼粉末之间的高温冶金反应,在普通碳钢表面制备了含TiB2的金属陶瓷层。用这种方法可以制备出大厚度的、与母材能达到冶金结合且TiB2呈梯度分布的涂层。本课题在大量的试验基础上,分析了各工艺参数对涂层稀释率的影响,通过一组正交试验获得了可以在保证结合良好的情况下获得较小稀释率涂层的工艺参数,然后结合涂层中的缺陷情况对工艺进行改进,获得了比较合理的熔覆工艺。本文总结了试验过程中所获得的TiB2组织的形态和分布特点。涂层中较常见的TiB2形态为扁长的叶状,点块状,细长的条状和针状四种,并对TiB2呈现不同形态的原因进行了分析。大量试验发现,在涂层中TiB2有呈现梯度分布的状况,并且在热输入较小时有呈团状分布的趋势。本文从热力学角度阐释了熔池中的冶金反应过程,从而解释了形成这种分布特点的原因。在熔池达到B4C熔点(2743K)之前,熔点较低的Fe和Ti元素先形成熔池,密度较低的B4C向上漂浮,在漂浮的过程中B4C就开始与周边的Ti和Fe发生反应产生TiB2或Fe2B,B4C与Ti反应的趋势大大超过与Fe的反应。生成的TiB2落入熔池,由于它的密度也很低,也会在熔池中向上漂浮。B4C有自身结合成团的特性,当熔池达到B4C熔点温度后B4C会保持半熔化状态一定时间,大量的Ti涌入团状的B4C中形成致密的TiB2组织,当热输入足够大且熔池时间足够长的情况下团状组织可被反应产生的对流或者熔池的流动冲散。但是熔池一般的温度在3000-3500K,且存在的时间非常短,使得这种团状组织很容易被冷却保留下来。为了进一步提高涂层的高温性能,本课题向涂层中加入了Cr和Ni元素,结果发现Cr的加入使TiB2团状分布的趋势加大,本文从热力学角度解释了这种现象。最后对涂层的高温性能进行了试验研究,表明涂层具有很好的耐高温磨损和抗热震性能。TiB2具有很好的抗氧化性能,但是涂层基体的抗氧化能力较弱,Cr和Ni大量固溶在基体中,因此Cr和Ni可以提高涂层的抗高温氧化能力,从而提高涂层的综合高温性能。