等离子熔覆碳化钨颗粒增强铁基耐磨涂层的研究

作     者：张孟良 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤文博

授予年度：2022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：等离子熔覆技术 WC颗粒增强铁基合金涂层 显微组织 显微硬度 耐磨性 

摘      要：铁基合金涂层在硬磨料及恶劣环境下表现出较低的耐磨性,通常在铁基合金中加入增强颗粒来改善涂层的耐磨性能。制备WC颗粒增强铁基涂层时,常因制备工艺不当而造成涂层与基体结合不牢或缺陷。本文采用等离子熔覆技术在Q235基材上制备了WC颗粒增强铁基复合材料涂层,利用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜、能谱分析仪、硬度计和磨料磨损试验机等方法对涂层的组织与性能进行表征和分析。研究等离子熔覆工艺参数对涂层表面宏观形貌以及稀释率的影响;主要研究不同添加量的球形WC颗粒和多边形WC颗粒在Fe-Cr-Ni-C基体涂层中WC颗粒的溶解规律及对涂层组织和性能的影响;同时研究不同W含量的Fe-W-Ni-C基体中WC颗粒的分布规律及对涂层组织和性能的影响。通过设计正交试验,得到优化后的工艺参数为:熔覆电流130 A,送粉速度为25 g/min,离子气流量为4 L/min。利用优化后的等离子熔覆工艺参数得到表面平整、与基体结合良好的WC颗粒增强铁基合金耐磨涂层。在Fe45(Fe-Cr-Ni-C)合金粉末中加入质量分数为40%、50%、60%球形和多边形两种形态的WC颗粒制备的涂层中,WC颗粒均有一定的溶解,在未溶解WC颗粒周围重新析出WC和Fe-W-C碳化物;WC颗粒添加量较少时,WC颗粒有明显的沉底现象,涂层表面分布相对较少;随着WC颗粒添加量的增加,WC颗粒的不均匀分布有所改善,在亚共晶基体中生成更多的共晶碳化物MC或MC,而先析出Fe–Cr–Ni固熔体减少,涂层的显微硬度随之增加;WC颗粒添加量为60%时,WC颗粒在涂层中分布较为均匀,显微硬度在涂层整个截面变化较小,仅在接近涂层表面处略微降低;多边形WC颗粒表面有尖角存在,较球形WC颗粒易于溶解,生成更多的共晶碳化物,多边形WC颗粒涂层的显微硬度比相同添加量的球形WC颗粒涂层高出20～60 HV,耐磨性能平均高出1.2～1.5倍;添加60%多边形WC颗粒的涂层耐磨性能相对较好,是Q235钢的9.07倍。以质量分数为60%WC颗粒和Fe-W-Ni-C作为基础合金粉末,通过改变W+C的含量制备复合涂层,结果表明:随着W含量的增加,原位碳化物含量也随之增多,WC颗粒下沉的现象得到改善;与Fe-Cr-Ni-C(Fe45)基体涂层中碳化物以MC和MC为主不同,Fe-W-Ni-C基体涂层中的W和C在涂层中生成更多的WC颗粒和Fe-W-C硬质碳化物,提高了涂层的硬度,有效阻止磨粒压入形成微观切削;当W含量达到15%时,WC颗粒在涂层中分布均匀,基体中的碳化物与WC颗粒构成连续的骨架,耐磨性能相比于Q235钢提高了10.09倍,是Fe-Cr-Ni-C(Fe45)基体涂层耐磨性的1.11倍。