【摘 要】
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在均质基体材料表面制备一层梯度增强层,即获得表面梯度复合材料实现成分和组织的梯度分布,可以使表面增强层与基体材料结合更好,提高材料的综合使用性能。表面梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、切割工具、冶金、矿山等领域,是一类非常有前景的新型复合材料。本文以纯钒和灰口铸铁为原料,利用金属钒的强碳化物形成特性,通过固相原位反应方法制备VCp/Fe表面梯度复合材料,对其原位反应过程、组织演
【基金项目】
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国家自然科学基金（NO.51374169）； 国家“863”科技研究发展计划项目（NO.2013AA031803）； 国家科技计划项目对俄科技合作专项（NO.2014DFR50630）；
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在均质基体材料表面制备一层梯度增强层,即获得表面梯度复合材料实现成分和组织的梯度分布,可以使表面增强层与基体材料结合更好,提高材料的综合使用性能。表面梯度复合材料结构和性能的可控性使其广泛应用于航空航天、切割工具、冶金、矿山等领域,是一类非常有前景的新型复合材料。本文以纯钒和灰口铸铁为原料,利用金属钒的强碳化物形成特性,通过固相原位反应方法制备VCp/Fe表面梯度复合材料,对其原位反应过程、组织演变规律、各反应层的生长动力学和耐磨性等进行研究。主要研究结果包括:（1）采用固相原位反应方法可以实现VCp/Fe表面梯度复合材料的制备。随着保温温度的升高（950℃、1000℃和1050℃）和保温时间（0.5h,1h,2h,4h）的延长,原有物相（具体:V2C、V8C7）含量逐渐增大,没有新的物相生成。通过对比950℃保温不同时间的试样组织,当保温0.5h时反应层总厚度为55μm,当保温4h时,反应层总厚度达到168μm左右;说明随着保温时间的增加,反应层的厚度逐渐增大,同时V8C7致密层组织的致密度有所减小,组织中开始出现基体成分的夹杂,同时扩散区的碳化物分布更加均匀。（2）对VCp/Fe表面梯度复合材料V2C和V8C7致密反应层厚度随保温温度和保温时间的变化规律进行研究。结果表明,随着保温温度的升高,V2C和V8C7致密反应层的厚度呈指数关系逐渐增大;同时,随着保温时间的延长,V2C和V8C7致密反应层的厚度呈抛物线关系增长。计算得出,V2C和V8C7致密反应层的生长激活能分别为53.92kJ/mol和42.39kJ/mol。推导得出V2C致密反应层或V8C7致密层厚度（d）与反应温度（T）和时间（t）之间的关系分别为:a=d0+kt1/n=3.52 ×10-4+1.38 × 10-3 exp（-6485.33/T）t-1/2 d=d0+kt1/n=8.10×10-4+2.44×10-3 exp（-5098.13/T）t1/2（3）VCp/Fe表面梯度复合材料的显微硬度从表面至基体呈梯度分布。V2C致密反应层的平均硬度为1963HV0.1,是灰口铸铁显微硬度（235HV0.1）的8倍,V8C7致密反应层的平均显微硬度也达到1707HV0.1。纳米压痕试验测定V8C7致密反应层的弹性模量为431.98GPa。计算得出所制备V8C7致密反应层的断裂韧性为3.73 MPa·m1/2。磨粒磨损条件下,V2C和V8C7致密反应层的相对耐磨性为23.41。V2C层的磨损表面只有少量的刮擦和较浅犁沟,而在V8C7致密组织中还存在碳化物颗粒的破碎和剥落。摩擦磨损条件下,V8C7致密反应层的相对耐磨性分别为基体的4倍（室温）、9倍（400℃）和3倍（800℃）。室温下,V8C7致密反应层磨损机理以磨粒磨损和轻微的粘着磨损为主,而高温（400℃和800℃）下,磨损机理主要以粘着磨损和氧化磨损为主。
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