工艺参数对感应重熔及冷却处理Ni60涂层组织与性能的影响

作     者：巩禄 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：路阳

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Ni60涂层 感应重熔 定向凝固 组织 柱状晶 摩擦磨损 

摘      要：Ni60喷涂涂层中存在界面熔合区组织不均匀、元素分布失衡、结合强度不足等问题。为了改善喷涂涂层固有缺陷,本文采用超音速等离子喷涂技术(SAPS)在45号钢基体上预制Ni60涂层,在自然散热和表层绝热的条件下对试样进行感应重熔+强制冷却处理。通过光学金相显微镜、SEM(EDS)、XRD、EPMA、宏观洛氏硬度、微观硬度测试仪器和销盘式摩擦磨损试验机对Ni60重熔冷却涂层组织形貌、元素扩散及性能进行分析,利用Jade 6.5、Origin 8.0、Image-pro plus 6.0等相关软件分析涂层的物相种类、微界面强化相所占比例等。研究表明,Ni60喷涂涂层中存在大量孔洞及缺陷。Ni60重熔涂层组织细密均匀,由针状、棒条状、块状相互交错分布,与基体形成冶金结合带。在自然散热的条件下,Ni60重熔冷却涂层为致密的定向凝固组织结构,孔隙基本消失,由柱状枝晶和枝晶间的深灰色组织相间分布构成;其主要物相为λ-Ni、λ-(Fe,Ni)、λ-(Fe,C)、Cr2B、Cr7C3、FeB;Fe 元素在涂层中分布均匀,单向散热的强制冷却抑制了基体中Fe元素的远程扩散;涂层表面宏观硬度平均值为33.4HRC,截面平均显微硬度为566.1HV0.2。在表面绝热的条件下,Ni60重熔冷却涂层组织具有向等轴晶、块状晶和针状、棒状、条状转变趋势,组织比较细密,有铸造熔结特点;涂层与基体的结合界面靠近涂层一边显示为平面特征的白亮带,靠近基体一边形成断续生长的浅亮色化合物层;主要物相为λ-Ni、λ-(Fe,Ni)、λ-(Fe,C)、Cr2B、Cr23C6,检测到较少量的FeB相;相对靠近基体部分,涂层上部Fe元素含量明显增加,波动较大,保温层使Fe元素具有向涂层表面迁移聚集的趋势;涂层表面宏观硬度平均值为54.4HRC,截面平均显微硬度为659.2HV0.2。在自然散热条件下,功率为0.7kW时Ni60重熔冷却涂层两个取向的柱状枝晶呈发散、汇聚的竞争生长形式,生长能力不同;功率为2kW时涂层中柱状枝晶与热流方向存在偏离角度,有穿晶生长的现象;功率为2.5kW时涂层中定向晶粒完全沿热流方向生长,组织结构为沿热流方向保持很好的胞状树枝晶;功率为3.3kW时,涂层组织为晶粒尺寸偏大的短胞状晶粒组织结构,粗大的胞状晶呈定向生长的特征;功率为4.5kW时,涂层组织由更加细小的胞晶、胞状晶组成,没有规则的取向性。在自然散热条件下,冷却水流量为60L/h时Ni60重熔冷却涂层中柱状枝晶呈汇聚、发散的竞争生长形式,涂层上部发生柱状晶-等轴晶的转变;70L/h时涂层中有明显的枝晶臂熔断的现象;80L/h时涂层包含等轴晶区、柱状晶区、树枝晶区和细长型胞晶区,组织结构比较多样化;90L/h时涂层的凝固组织晶粒是比较好的柱状晶,晶粒明显变小;100L/h时涂层柱状晶取向性不规则,存在杂乱短棒状晶,晶粒更加细小。在相同的加热功率和加热时间下,枝晶组织随冷却速率的增大而细化,枝晶间距减小。摩擦磨损实验结果表明,在室温干摩擦条件下,载荷相同时表层未绝热Ni60重熔冷却涂层的磨损量比表层绝热Ni60重熔冷却涂层的低,定向凝固涂层的耐磨性较好。表层未绝热Ni60重熔冷却涂层磨损机制为轻微的刮擦磨损、轻微的磨粒磨损和具有涂抹性质的粘着磨损;表层绝热Ni60重熔冷却涂层磨损机制为轻微的刮擦磨损、较为严重的粘着磨损,局部区域出现疲劳磨损特征。