论文题目: 真空熔覆Ni基合金—碳化钨和Co基合金—碳化钨复合涂层的制备及性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 黄新波
导师: 贾建援
关键词: 真空熔覆,涂层,机理,分子动力学,热处理,扩散,电子探针,最小二乘法,耐磨性,耐蚀性,疲劳强度,界面
文献来源: 西安电子科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文总结了当前表面工程技术的发展现状和真空熔覆的现有研究成果;比较了真空熔覆与真空烧结的异同点;分析了真空熔覆技术的优缺点以及影响涂层性能几个重要因素;并采用该技术在45钢基体上制备了Co基合金—碳化钨和Ni基合金—碳化钨复合涂层,对其进行系统的理论与试验研究。 基于液相烧结理论和有关真空熔覆的研究成果,研究了真空熔覆过程和机理,首次将真空熔覆过程大致总结为四个阶段:液相生成与颗粒重排阶段,固相溶解和析出阶段,固相骨架形成阶段,液相合金与固相基体之间的互扩散阶段。并指出真空熔覆机理就是研究熔覆过程中各种可能的物质迁移方式及速率,主要是各类扩散机制。 采用分子动力学这一“计算机试验”手段来研究真空熔覆过程和界面处的原子扩散,首次建立了三维分子动力学计算模型,模拟了熔覆过程（升温2.5h—在1160℃保温5min—降温3.5h）中合金与Fe基体之间的原子扩散过程与趋势,模拟了不同原子在真空熔覆过程中的运动轨迹,从微观角度上分析了真空熔覆过程和涂层与基体的结合机理,并给出了原子扩散距离的计算公式。真空熔覆WC/Ni和WC/Co的SEM照片和电子探针的波谱分析结果表明在界面处发生了原子扩散,这说明了分子动力学的模拟结果是正确的。 基于真空熔覆过程相当于“高温退火”处理的事实,首次研究了热处理对真空熔覆涂层的性能影响,按照45钢热处理工艺对涂层进行“正火”和“调质”热处理。借助扫描电子显微镜和X射线能谱仪,观察和测量涂层在不同热处理后的显微结构和化学成分,分析热处理对涂层显微结构的影响;结合涂层的X射线衍射图谱分析涂层的相结构。研究了热处理对合金涂层材料（涂层和基体）洛氏硬度和显微硬度的影响;分析了涂层硬度与真空熔覆温度的关系,并确定了Co基合金和Ni基合金涂层的最佳熔覆温度。 提出了电子探针与最小二乘法相结合的研究方法,求出钴基合金涂层在真空熔覆高温期间的扩散系数(Ni、Co、Fe等合金元素的扩散系数均大于10-6mm2/s);分析了原子扩散对真空熔覆涂层的显微组织、显微硬度以及界面结合强度的影响;证实了涂层与钢基体在界面处发生原子扩散形成牢固的冶金结合（370～400MPa）。 研究了Ni基合金和Co基合金涂层的耐磨性与自熔性合金,碳化钨含量,施加载荷,热处理,真空熔覆温度之间的关系。发现合金涂层的磨损率与涂层硬度成反比,但与施加载荷不成正比关系,Holm的粘着磨损理论无法阐明施加载荷与磨损率的这种关系。本文对粘着磨损理论进行修正,提出经验磨损公式,较完善
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究的意义
1.2 表面处理技术
1.2.1 金属材料表面的热扩散方法
1.2.2 金属材料表面的化学和物理气相沉淀
1.2.3 金属材料表面的电镀和电刷镀
1.2.4 热喷涂技术
1.2.5 堆焊
1.2.6 激光熔覆技术
1.2.7 真空熔覆技术
1.3 涂层与基体的界面结合形式
1.4 分子动力学模拟的基本原理与应用
1.5 本文的主要工作
第二章 真空熔覆理论与界面处原子扩散的分子动力学模拟
2.1 引言
2.2 真空熔覆理论
2.2.1 真空熔覆与真空烧结的异同点
2.2.2 真空熔覆过程与机理
2.2.3 影响真空熔覆的几个重要因素
2.2.4 真空熔覆工艺的优势与缺点
2.3 真空熔覆涂层与基体界面处原子扩散的分子动力学模拟
2.3.1 问题的提出
2.3.2 分子动力学模拟
2.3.3 模拟结果及分析
2.3.4 涂层与基体之间原子扩散距离的计算公式
2.4 本章小结
第三章 真空熔覆复合涂层的制备及其组织性能
3.1 引言
3.2 涂层试样的制备
3.2.1 粉末原料
3.2.2 熔覆设备和过程
3.3 试验设备
3.4 金相试样的制备
3.5 试样的热处理工艺
3.6 热处理对镍基合金涂层 NW2的金相组织和化学成分的影响
3.6.1 不同热处理后涂层 NW2的组织结构
3.6.2 不同热处理后涂层 NW2中碳化钨和化合物的分布
3.6.3 不同热处理后涂层 NW2中出现的缺陷
3.6.4 不同热处理后涂层 NW2的化学成分变化
3.7 热处理对钴基合金涂层 CW2的金相组织和化学成分的影响
3.7.1 不同热处理后涂层 CW2的组织结构
3.7.2 不同热处理后涂层 CW2中化合物的分布
3.7.3 不同热处理后涂层 CW2中出现的裂纹
3.7.4 不同热处理后涂层 CW2的化学成分变化
3.8 碳化钨含量对钴基合金涂层金相组织的影响
3.9 钴基合金和镍基合金涂层的相结构分析
3.9.1 试样制备和试验条件
3.9.2 设备及测试条件
3.9.3 镍基合金涂层的 X射线衍射测试结果
3.9.4 钴基合金涂层的 X射线衍射测试结果
3.10 本章小结
第四章 真空熔覆涂层的力学性能测试与理论分析
4.1 引言
4.2 硬度测试
4.2.1 涂层与基体洛氏硬度的测试
4.2.2 涂层与基体的显微硬度分布
4.2.3 不同碳化钨含量的钴基合金涂层的显微硬度分布
4.2.4 不同熔覆温度下涂层 NW2和 CW2的表面显微硬度
4.3 界面结合强度测量
4.3.1 试验方法和试验设备
4.3.2 试验结果与分析
4.4 弹性模量测量
4.4.1 试样准备和试验设备
4.4.2 试验过程
4.4.3 试验结果与分析
4.5 涂层弯曲疲劳试样的弯曲应力分析
4.5.1 工程背景
4.5.2 涂层与基体之间为机械结合
4.5.3 涂层与基体之间为冶金结合
4.6 本章小结
第五章 钴基合金涂层的界面分析研究
5.1 引言
5.2 扩散定律与研究方法
5.2.1 扩散定律
5.2.2 电子探针与最小二乘法相结合的研究方法
5.3 试验方法
5.3.1 粉末原料
5.3.2 试验设备
5.4 实验结果与计算分析
5.4.1 扩散系数计算
5.4.2 影响扩散的因素
5.4.3 试验结果分析
5.5 讨论
5.5.1 界面扩散对复合涂层材料显微组织的影响
5.5.2 界面扩散对复合涂层材料显微硬度的影响
5.5.3 界面扩散对结合强度的影响
5.6 本章小结
第六章 真空熔覆涂层的耐磨抗蚀性能研究
6.1 引言
6.2 磨损理论
6.3 真空熔覆复合涂层的磨损性能试验
6.3.1 磨损试验设备
6.3.2 磨损试样
6.3.3 磨损试验参数及过程
6.3.4 腐蚀试样
6.3.5 腐蚀试验过程及腐蚀性能指标
6.4 试验内容及结果
6.4.1 镍基合金-WC复合涂层磨损试验
6.4.2 钴基合金-WC复合涂层磨损试验
6.4.3 涂层耐磨性与载荷的关系
6.4.4 真空熔覆温度对耐磨性能的影响
6.4.5 热处理对涂层耐磨性能的影响
6.4.6 镍基合金涂层在不同腐蚀溶液中的腐蚀
6.4.7 钴基合金涂层在不同腐蚀溶液中的腐蚀
6.5 讨论
6.5.1 镍基合金-WC复合涂层的耐磨性
6.5.2 钴基合金-WC复合涂层的耐磨性
6.5.3 硬质相含量对徐层耐磨性能的影响
6.5.4 磨损理论验证
6.5.5 经验磨损公式的提出
6.5.6 复合涂层材料磨损的机理
6.6 本章小结
第七章 真空熔覆涂层的疲劳性能研究
7.1 引言
7.2 涂层材料疲劳试样的制作
7.2.1 疲劳试样尺寸
7.2.2 涂层合金
7.2.3 真空熔覆工艺
7.2.4 热处理工艺
7.3 真空熔覆涂层的疲劳试验
7.3.1 镍基合金涂层 NW2试样的旋转弯曲疲劳试验
7.3.2 钴基合金涂层 CW2试样的循环疲劳试验
7.3.3 镍基合金-碳化铬涂层 NC2试样的疲劳试验
7.3.4 正火处理后镍基涂层 NW2试样的拉-压疲劳试验
7.3.5 正火处理后钴基涂层 CW2试样的拉-压疲劳试验
7.4 涂层材料疲劳试验结果比较与分析
7.4.1 疲劳寿命理论
7.4.2 相同热处理后合金涂层试样的疲劳强度比较
7.4.3 不同碳化钨含量的钴基合金涂层的弯曲疲劳强度比较
7.4.4 相同合金涂层在不同热处理后的疲劳强度比较
7.4.5 相同合金涂层的旋转弯曲疲劳与拉-压疲劳比较
7.4.6 不同硬质相的镍基合金涂层的弯曲疲劳强度比较
7.4.7 所有涂层试样在不同热处理后的弯曲疲劳强度比较
7.5 本章小结
第八章 结论与展望
8.1 主要工作与结论
8.2 工作展望
致谢
参考文献
在读期间的研究成果
发布时间: 2007-01-10
参考文献
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