金属-陶瓷复合涂层的组织与磨损性能研究

金属基陶瓷涂层的制备及耐磨、耐腐蚀性能研究的开题报告一、研究背景和意义随着现代工业的发展，各种机械设备的要求越来越高。

其中，机械零件表面的耐磨性和耐腐蚀性能成为了关键的因素。

传统的材料无法满足这些要求，因此逐渐发展出了一种新的涂层技术：金属基陶瓷涂层技术。

金属基陶瓷涂层技术以金属材料为基材，陶瓷颗粒作为增强材料，经过高温烧结或电弧等离子喷涂等工艺制备而成。

这种涂层具有优异的耐磨和耐腐蚀性能，因此在航空、航天、汽车、电子和机械等领域有着广泛的应用。

本研究将探索金属基陶瓷涂层制备的方法以及其耐磨、耐腐蚀性能的研究，旨在深入了解这种新型涂层技术，在提高机械零件表面性能方面作出贡献。

二、研究内容和目标本研究的主要内容是对金属基陶瓷涂层技术进行制备和性能研究。

具体研究目标如下：1. 了解金属基陶瓷涂层技术的发展历程和研究现状，分析其制备原理。

2. 选择适宜的金属材料和陶瓷颗粒，采用电弧等离子喷涂工艺制备金属基陶瓷涂层。

3. 对所制备的涂层进行表面形貌和结构的分析，包括涂层厚度、颗粒分布、陶瓷相的形成等。

4. 对涂层的耐磨性能进行研究，包括摩擦学性能、磨损机理、磨损机理的复合效应等。

5. 对涂层的耐腐蚀性能进行研究，包括针对常见的酸、碱、盐腐蚀介质的耐蚀性研究，腐蚀机理的分析，以及在实际工作条件下的耐腐蚀性能测试等。

三、研究方法和技术路线1. 文献调研：通过查阅相关文献，了解金属基陶瓷涂层技术的发展历程、制备方式、性能特点等方面的信息。

2. 材料准备：选择适宜的金属材料和陶瓷颗粒，制备金属基陶瓷涂层。

3. 涂层表面形貌分析：使用扫描电子显微镜（SEM）对涂层进行表面形貌、颗粒分布等方面的分析。

4. 涂层结构分析：使用X射线衍射（XRD）仪器、扫描电子显微镜（SEM）等设备对涂层的陶瓷相、晶粒结构等进行分析。

5. 耐磨性能测试：采用高速旋转磨损实验机（TRM）、滑动磨损实验机（SRM）等设备对涂层的耐磨性能进行测试。

TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷的磨损行为研究的开题报告1. 研究背景随着科技的不断发展，金属陶瓷材料在工业生产中的应用越来越广泛。

金属陶瓷材料具有许多良好的性能，如耐腐蚀、高温、高强度等，因此在高温、高压、强酸等恶劣环境下广泛使用。

随着金属陶瓷的使用次数增多，其磨损问题也越来越受到关注。

TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷是一种新型的材料。

由于其硬度高、耐磨性好、抗腐蚀性强等优异的性能，使其在工业生产中得到了广泛应用。

然而，其在使用过程中往往会遭受到各种不同的磨损，因此需要深入研究其磨损行为，为金属陶瓷的应用提供科学依据。

2. 研究目的本研究旨在探究TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷的磨损行为，揭示其磨损机理及影响因素，为金属陶瓷的研发和应用提供科学依据，同时也对金属陶瓷材料的研究具有一定的理论意义。

3. 研究内容（1）对TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷进行制备和表征，包括物理性能、化学成分、微观组织结构等方面的测试分析。

（2）建立TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷的磨损试验系统，探究其不同工况下的磨损机理及规律。

（3）通过SEM、EDS等测试手段对TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷在磨损过程中的微观变化进行观察和分析，揭示其磨损机理和影响因素。

（4）通过磨损试验和微观分析得出TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷的磨损行为规律并进行总结。

4. 研究方法本研究采用试验方法与理论分析相结合的方式，通过对TiC/NiCrMoAlTi金属陶瓷的制备、物性测试、磨损试验、微观分析等手段，深入研究其磨损行为规律。

5. 研究意义本研究对金属陶瓷材料的研发和应用具有一定的理论意义和应用价值。

在工业生产中，金属陶瓷的应用越来越广泛，因此研究其磨损行为具有重要的理论和实践意义。

同时，本研究可以为金属陶瓷材料的改进和优化提供科学依据，推动金属陶瓷材料的研究与开发。

金属表面涂层的制备与性能研究随着现代工业的发展，金属表面涂层的制备和性能研究成为了重要的课题。

金属表面涂层的主要目的是为了保护金属表面以达到延长使用寿命、提高磨损性能、增强耐腐蚀性等效果。

涂层的种类也十分丰富，主要包括金属涂层、陶瓷涂层、高分子涂层和复合涂层等多种类型。

接下来，本文将从涂层制备、性能分析等多个角度出发，对金属表面涂层的制备与性能研究进行探讨。

一、涂层制备金属表面涂层的制备需要选择合适的材料和工艺，并结合金属表面的特性进行调整。

一般来说，涂层的制备包括以下几个步骤：1. 表面处理在进行涂层制备之前必须对金属表面进行处理，以使其具有良好的附着性和清洁度。

表面处理的方法主要包括化学处理、机械处理和物理处理等手段，其中最常见的化学处理是酸洗。

酸洗可以去除金属表面的氧化层和杂质，增加表面清洁度。

2. 材料选择涂层材料的选择要根据金属表面的用途进行调整。

一般来说，应选择适合金属表面的耐磨、耐腐蚀、高温耐性和化学稳定性等性能较好的材料。

目前常用的涂层材料有硬质合金、陶瓷、金属、高分子等。

3. 涂层工艺涂层工艺主要分为物理气相沉积和化学气相沉积。

物理气相沉积主要包括镀金、镀铬、真空蒸镀等工艺。

这种涂层工艺优点是涂层质量比较好、涂层厚度均匀，但硬度比较低，耐腐蚀性较差。

化学气相沉积主要包括化学气相沉积、等离子体沉积、电化学沉积等工艺。

这种涂层工艺优点是能够制备出很好的耐腐蚀和耐磨涂层，但生产成本也比物理气相沉积高。

二、涂层性能涂层的性能会影响到其在实际应用中的表现。

涂层的性能通常涉及到涂层的力学性能、热力学性能、电化学性能和化学稳定性等多个方面。

1. 力学性能涂层的力学性能主要包括硬度、抗磨损性、附着力等。

硬度是涂层的一个重要评价指标，涂层硬度越高，其抗磨损性也就越好。

附着力是一个涂层固定在金属表面上的能力，涂层与基材之间结合越紧密，附着力就越强。

2. 热力学性能涂层的热力学性能主要指其热稳定性和高温性能。

第44卷第1期2021年3月南京师大学报(自然科学版)JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY(Natural Science Edition)Vol.44No.1Mar，2021doi：10.3969/j.issn.l001—4616.2021.01.005wc含量对铁基复合涂层组织与磨损性能的研究朱继祥打雷声・2,李帅S吴彦博打朱银锋S任悦3,刘亚峰打许海丽1(1.安徽建筑大学机械与电气工程学院，安徽合肥230601)(2.安徽省工程机械智能制造重点实验室，安徽合肥230601)(3.北京理工大学材料学院，北京100081)［摘要］为了解决导辐零部件表面易磨损失效问题，采用激光熔覆在GCR15轴承钢表面制备了不同WC含量铁基复合熔覆层.分别通过SEM、EDS、XRD和磨损试验机对熔覆层微观组织、元素分布、物相组成和耐磨性能进行分析.结果发现,WC的添加量对合金熔覆层组织及性能影响较大.熔覆层与GCR15轴承钢基材冶金结合良好，熔覆层组织主要由胞状晶和等轴树枝晶组成,物相以Fe3W3C,Fe2W2C为主.熔覆层平均显微硬度随WC含量的增加而增加，其中WC含量为质量分数50%的熔覆层平均显微硬度最高，约为基材的3倍.在耐磨性能方面，磨损机理主要为磨料磨损和氧化磨损.随着熔覆层WC质量分数的增加,磨损量先减小后变大,WC含量为质量分数30%的熔覆层耐磨性能最佳.［关键词］激光熔覆，磨损性能,WC颗粒，铁基合金,微观组织［中图分类号］TG148［文献标志码］A［文章编号］1001—4616(2021)01—0028—07Research on the Microstructure and Wear Properties ofIron-Based Composite Coating with WCZhu Jixiang1,Lei Sheng1,2,Li Shuai1,Wu Yanbo1,Zhu Yinfeng1,Ren Yue3,Liu Yafeng1,Xu Haili1(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui Jianzhu U niversity,Hefei230601,China)(2.Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Construction Machinery of Anhui Province,Hefei230601,China)(3.School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)Abstract：To solve the problem of serious wear and tear failure of guide roller parts,Fe-based composite cladding layers with different contents of WC were prepared for the surface of GCR15bearing steel by laser cladding technology.The microstructure，element distribution，phase composition and wear resistance of the cladding layer were analyzed by SEM，EDS，XRD and wear tester.The results show that the addition of WC has an apparent influence on the microstructure and properties of the alloy cladding layer.The cladding layer has good metallurgical bonding with GCR15bearing steel substrate.The microstructure of cladding layer is mainly composed of cellular crystals and equiaxed dendrites,and the main phase of it is Fe3W3C and pared with the substrate,the average microhardness of the cladding layer increases obviously with the increase of WC content.When the content of WC is50wt.%，the average microhardness of cladding layer is the highest，which is about three times higher than that of GCR15bearing steel substrate.In terms of wear resistance,the wear mechanism is mainly including abrasive wear and oxidation with the increase of WC mass frac­tion of cladding layer，the amount of wear decreases and then increases.The cladding layer with the30wt.%WC content has the best wear resistance.Key words:laser cladding,wear performance,WC particles, Fe-based alloy,microstructure导辊作为轧钢领域导卫装置设备中主要的零部件，具有优良的耐磨性、抗热疲劳性、抗氧化性和较高的抗冲击韧性等［1—2］.导辊在较为恶劣的工作环境中承受着较大交变热应力，而表面磨损破坏和裂纹剥落收稿日期：2020-07-03.基金项目：国家自然科学基金项目(51877001)、安徽省教育厅自然科学重点资助项目(kj2016A146)、安徽建筑大学科研项目(横20180022、AJ—CXY—KF—17—38).通讯作者:雷声，博士，教授，研究方向：材料成形技术.E-mail：leish1964@28朱继祥，等:WC含量对铁基复合涂层组织与磨损性能的研究是导致导辊部件失效的主要原因［3］.激光熔覆技术因其热量集中、加热冷却快、热影响区小等特点受到广泛关注片5〕.目前在零部件表面制备金属基复合涂层,碳化物、氮化物和氧化物陶瓷颗粒的加入可以有效提高涂层表面硬度和耐磨损特性.其中WC颗粒因其具备硬度高、润湿性好、热膨胀系数低等优点，可改善合金的微观组织结构，获得更好的机械性能和广泛应用［6］.余畅等［7］采用激光熔覆技术在45钢上制备了WC+ C^C；硬质相的铁基复合涂层，发现复合涂层具有较高的硬度、良好的耐磨性.Chen等⑻采用激光增材技术制备高强度高韧性WC增强铁基复合材料,铁基复合材料具有良好的抗压强度，约为2833MPa，断裂应变约为32%.王黎明等⑼对不同含量的WC增强Fe基复合材料进行研究，发现随着WC含量的增加涂层硬度及致密度呈现增大到减小的趋势，质量分数30%WC的涂层孔隙率最低.Chen［i0］在碳钢表面制备了新型致密度高的NiAl/WC复合涂层，但存在严重的裂纹缺陷问题.与此对比,添加质量分数5%Fe可以减少NiAl/WC涂层的裂纹，获得低摩擦系数和最小磨损率的熔覆涂层.由于熔覆合金与WC硬化相热膨胀系数不同，以及激光熔覆的快速熔凝容易导致涂层中裂纹的产生.通过合理设计增强相WC含量,制备出无裂纹、无孔隙的高质量熔覆层，对于WC颗粒增强Fe基复合材料关键技术的研究，是目前需要解决的问题之一.针对导辊零部件主要磨损失效问题，原有铁基熔覆材料已不能满足导辊所需高耐磨性.以GCR15轴承钢为基体,采用同轴送粉激光熔覆技术，通过添加不同含量WC球形颗粒增强相,制备了WC铁基复合材料涂层.开展不同WC含量铁基复合涂层内部组织结构变化与耐磨性能之间影响机理的研究.确定最佳含量的WC铁基复合合金涂层，以获得致密性高耐磨性好的优良机械性能,可以为导辊零部件表面强化的广泛工业应用提供新技术理论支持.1实验材料及方法1.1实验材料及涂层制备实验选用GCR15轴承钢为基材，尺寸为(①50mmX①40mmX15mm)，选择经济性适中、机械性能优越的铁基合金作为激光熔覆材料,导辊原熔覆铁基合金材料成分如表1所示.WC球形颗粒粉末分别以质量分数为20%、30%、40%、50%的含量添加到铁基合金粉末中，经充分机械研磨混合均匀后真空干燥.激光熔覆实验采用型号LDM-4000激光器和型号为DPSF-2送粉器,选择氩气保护,熔覆工艺参数见表2,熔覆厚度约为1mm.表1铁基合金元素成分(质量分数，%)表2激光熔覆工艺参数Table1The main chemical composition of the alloy(wt.%)Table2Parameters of laser cladding process成分C Si Mo Ni Cr B Fe激光功率/kW扫描速度/(mm/s)熔覆速度/(mm/s)送粉速率/(g/min)含量0.140.97 1.04 1.4715.04 1.29Bal. 1.870.1301.2熔覆涂层性能表征将试样沿着垂直于激光器扫描方向线切割成尺寸为10mmX15mmX20mm的块状样品.通过日立SU8230型高新场发射扫描电子显微镜，观察熔覆层微观组织形貌,并分析样品熔覆层截面区域元素分布；通过Smart Lab X型射线衍射仪和Jade-6.5软件分析熔覆层的物相成分;通过HLN-11A型显微硬度计在切割面从熔覆层表面向基体处每隔0.1mm取点进行显微硬度测量;通过MMW-1型磨损试验机对不同WC含量的熔覆层进行磨损失重量测试.2结果与讨论2.1涂层微观组织分析熔覆层中微量元素Ni、B、Si具有脱氧造渣特性，有助于提高合金组织润湿性和避免涂层开裂［ii］.图1为不同WC含量熔覆层与基体微观组织形貌，可以看出在基材与熔覆层交界线处出现一条明显细窄结合带，涂层的稀释率较低并形成了良好的冶金结合,涂层组织致密性较高,未发现气孔或其它组织缺陷存在.熔覆层中球形亮白色为WC颗粒弥散分布铁基合金涂层中，部分WC发生了分解.由于WC质量分数大,导致熔覆层底部存在小部分WC颗粒.29南京师大学报(自然科学版)第44卷第1期(2021年)(a)20wt.%WC(b)30wt.%WC(c)40wt.%WC(d)50wt.%WC图1不同wc含量下熔覆层的SEM图Fig.1SEM microstructure of laser cladding with different content of WC图2分别为质量分数30%和质量分数50%WC含量的熔覆层不同区域SEM微观组织形貌图.激光熔池中合金温度梯度G和凝固速度R的比值G/R决定着熔覆层组织形态［12—14］，熔覆层组织形态对涂层机械性能有较大影响.图2(a)熔覆层底部与基材靠近区域，在基材快速冷却作用下发生激冷反应，晶粒组织生长伴随着外延特性并形成了垂直于基材界面的柱状树枝晶组织［15］.图2(c)熔覆层中部因为冷却速度较慢，散热较差导致枝晶发生了粗化和长大，形成了具有一定方向性的等轴树枝晶、分散存在少量枝晶间与枝晶共晶组织;图2(d)熔覆涂层表面与空气接触散热较快，在涂层顶层区域存在树枝晶和胞状晶组织.图2(e)、(f)分别为WC含量质量分数30%和质量分数50%熔覆层底部WC颗粒周边微观形貌，对图中不同区域成分分析如表3所示.在高能激光束下WC颗粒发生了部分溶解，球面边界外衍生出亮白色鱼骨状析出物(1,5处)，根据表3能谱分析析出物主要元素成分由Fe、W、Cr组成.1和5处Fe和W元素质量分数分别为38.69%、57.54%；46.10%、46.64%,并存在少量的Cr元素.可见析出物元素Fe、W含量比较高,结合图3XRD图谱可知，鱼骨状析出物主要为富钨化物Fe3W3C和卩°2冈2：存在少量Fe-Cr化合物.图2(f)WC颗粒中心区域3处存在烧损裂纹，由能谱分析显示该处Fe质量分数为21.52%和W质量(a)30wt.%WC底部(b)50wt.%WC底部(c)50wt.%WC中部(d)50wt.%WC顶部(e)30wt.%WC颗粒(f)50wt.%WC颗粒图2质量分数为30%和50%的WC熔覆层不同区域SEM微观组织形貌图Fig.2SEM microstructure of different areas of WC cladding layer with30wt・％and50wt・％content 30朱继祥，等:WC含量对铁基复合涂层组织与磨损性能的研究分数为35.96%,以及较高含量的041.30%,表明氧极易在裂纹处富集和Fe元素渗入到WC颗粒内部.主要因为WC自身热膨胀系数低、脆性大，且熔覆熔池的冷却过程中合金组织内部积聚大量热应力.当热应力值超过WC自身强度时表面将产生裂纹，从WC核中心向边缘扩散[9].结合表3能谱分析发现:图2（e）同一熔覆层内2处枝晶区域较1处枝晶间元素Fe含量增加较多，而元素W含量大幅度减少,表明少部分的WC溶解扩散在铁基合金里，距离WC颗粒越远W含量越少.在熔覆过程中WC颗粒在熔池中部分溶解并弥散分布于熔覆层中，与基体合金元素形成高强度Fe-W-Cr类化合物.熔池冷却过程中高强度Fe-W-Cr类化合物固溶于枝晶及枝晶间，起到固溶强化的作用.枝晶间区域6和共晶组织区域4成分均含有Fe、Cr、W元素，枝晶间相比共晶组织区域元素Fe含量略微减少，元素W含量近乎不变，而元素Cr含量略微提高，说明在鱼骨状析出物周边各元素成分含量均匀，无偏析现象.结合图3的XRD分析，推断出枝晶间析出主要为Fe；W强化相和Fe-Cr化合物.随着WC含量的增加在涂层内部的A区域等轴晶状组织分布更加均匀，共晶组织变的更为细小,且组织细化程度越高[i6].当WC含量质量分数50%时,涂层组织中由于WC含量的增加提高了熔体的相对黏度,气体未及时逸出导致一些孔洞缺陷存在，如图2（c）、（d）所示.综合分析各点成分比差异较大的原因，主要因为在熔覆过程中WC自身发生微溶.一方面，由于WC颗粒自身破裂和合金中铁元素渗入WC颗粒内部造成的元素成分差异.另一方面,溶解扩散在铁基合金中的W元素和C元素,与固溶于枝晶间铁元素生成新的硬化相，带来铁基熔覆层元素成分变化.表3不同WC含量下熔覆层EDS成分分析（质量分数，％）Table3Analysis of EDS composition of laser cladding coating under different content of WC（wt.%）组成元素Fe Cr O W区域质量分数30%WC熔覆层1238.6984.243.77—3.83—57.5411.94 3（WC缺陷处）21.52—41.3035.96质量分数50%WC熔覆层4578.8546.103.644.55—13.3746.64 670.277.94—17.362.2涂层物相分析图3为在WC含量质量分数30%、质量分数50%的熔覆层的XRD物相分析.在WC含量为质量分数30%的熔覆层XRD图谱中衍射峰最多，主要包含Fe s W s C、Fe；W；C、WC、W；C、Fe-Cr、Fe；W等;含质量分数50%的WC熔覆层主要包含物相Fe；W、Fe3W3C、WC、W；C、M7C3等;对比下发现熔覆层中随着WC质量分数的增加，衍生出的物相减少，并生成新硬化相M C3（M为Fe、Cr）[i7].W；C的存在验证了添加物WC在高温下的分解反应，并且熔覆层中铁元素可与未分解的WC颗粒和新生的W；C硬质相生成Fe3W3C[i8].在熔池内部中WC颗粒分解有助于W、C元素固溶到枝晶与枝晶间，由于W元素过饱和带来的晶格畸变,抑制了位错运动,阻碍晶界滑移，使得熔覆层合金固溶体的强度与硬度增加,起到固溶强化作用.已溶解的W和C元素与铁基合金其它元素发生反应生成Fe3W3C、Fe；W；C和M7C3新硬质相与未溶解的WC颗粒均匀地分布在熔覆层中，起到了很好的弥散强化作用，有助于提高熔覆层的力学性能.2.3涂层显微硬度分析图4为不同WC含量下的涂层截面硬度变化曲线.不同WC含量（20%、30%、40%、50%）涂层平均硬度分别为894.36HV0.；,954.73HV0.；,882.39HV0.；、1015.29HV0.；,远高于基材平均硬度337.2HV0.；.WC 的添加明显提高了涂层表面硬度,添加质量分数50%WC的熔覆层表面硬度最高为1063.9HV o.i，约为基材的3倍.而WC添加量在质量分数20%的熔覆层硬度最低为850.6HV0.；.在添加量为质量分数30%WC 的熔覆层硬度略微减小，其余WC含量质量分数20%和质量分数40%的熔覆层硬度值较为相近.一方面, WC颗粒增强相弥散分布在铁基饱和固溶体中起到了弥散强化作用，激光熔覆表面快速熔凝特性抑制了晶粒的长大产生细晶强化;另一方面，在高能激光束下,熔覆层WC分解成具有高硬度的硬化相Fe s W s C、Fe；W；C、M7C3等，显著提高了熔覆层硬度.在热影响区与熔覆层底部位置，硬度逐渐升高，因为熔池内部大量合金元素Fe、Cr、Ni等元素扩散起到稀释效果[；9]，且熔覆层中未分解的WC颗粒沉聚在熔覆层底部,31南京师大学报(自然科学版)第44卷第1期(2021年)带来熔覆层硬度的提升.图3质量分数为30%和50% WC 熔覆层XRD 物相分析Fig. 3 XRD of laser cladding coating under 30 wt. %and 50 wt.% of WC图4不同WC 含量下熔覆层截面硬度变化曲线Fig. 4 Variation of cladding layer in microhardnessunder different content of WC 2.4熔覆层摩擦磨损性能分析图5为不同WC 含量熔覆层磨损失重量对比，可以看岀添加WC 的熔覆层的磨损失重量较基材得到很大改善.当WC 含量逐渐增加时,熔覆层表面磨损失重量先减少后增大，其中含量质量分数30% WC 的熔覆层耐磨性能最好而磨损量仅为9.1 mg,较基材总磨损量少40.1 mg.质量分数50% WC 的熔覆层耐磨性较差，磨损量为28.2 mg,相比基材总磨损量少20.9 mg.熔覆层耐磨强化机理在于新生硬化相和富铬碳化物二次硬化相的析岀.这是由于WC 颗粒溶解在合金熔覆层产生固溶强化作用,熔覆层中诸如 WC 、Fe 3W 3C 、Fe 2W 2C 、Fe 2W 等强化相和富铬化合物Fe-Cr图5基材与不同WC 含量熔覆层磨损量对比AG ( mg )Fig. 5 Comparison of wear mass loss between substrate andcladding layer with different content of WC AG ( mg )阻碍了晶粒的增长,提高了熔覆层耐磨性.图6为GCR15基材与不同WC 含量熔覆层表面磨损形貌图.图6(a)为GCR15基材表面磨损形貌,可 见有较深的犁沟,金属块脱落形成的凹坑与周边颗粒状的金属屑.这是由于在摩擦磨损过程中表面发生(a)基材(b) 20 wt.% WC (c) 30 wt.% WC(d) 40 wt.% WC (e) 50 wt.% WC图6基体与不同含量WC 熔覆层表面磨损形貌图Fig. 6 Surface wear morphology of substrate and cladding layer with different content of WC32朱继祥，等:WC含量对铁基复合涂层组织与磨损性能的研究了冷焊而形成黏着点，在相对滑动中产生较大的应力，疲劳剥落产生凹坑形貌.基体磨损机理主要存在磨料磨损和剥落磨损.图6(b)~(e)为不同WC含量熔覆层表面磨损形貌图，添加不同WC含量的熔覆层磨损失重量相比基体磨损表面存在较浅的犁沟和磨屑颗粒并出现片状亮白色区域.结合图5磨损失重量可知熔覆层中添加不同含量的WC,可有效改善基材表面的磨损.由于溶解的WC固溶于枝晶和枝晶间，形成高强度Fe-W-Cr类化合物或其它碳化物(M7C3、W；C),均能提高熔覆层的耐磨性.其次未熔的硬质相WC与涂层良好结合也有助于提高熔覆层的耐磨性.随着WC含量的增加,磨损表面犁沟形貌呈现出“深一浅一深”形貌.图6(b)为含质量分数20%WC 熔覆层磨损表面，犁沟浅显且数量大量减少，并出现磨屑颗粒和剥落现象•对磨屑颗粒A点EDS分析各元素质量分数为Fe70.00%、C23.67%、O6.33%.银白色区域B点的EDS分析各元素质量分数为Fe 22.39%、Cr1.16%、02.19%、W53.65%、C20.62%.磨屑颗粒主要由Fe、C、O3个元素组成，而亮白色区域主要存在W元素.可知磨屑颗粒主要是铁碳颗粒及氧化物,亮而白色区域主要是熔覆层表面的WC颗粒和富钨碳化物及氧化层.图6(c)显示含质量分数30%的WC熔覆层中犁沟最为浅显，趋近于光滑，且磨屑近乎消失.由上文磨损量分析可知在质量分数30%WC的熔覆层磨损失重量最小,耐磨性最好.熔覆层中新生硬质相和未熔融WC均匀的分布,可以在一定程度上减缓磨环的磨粒对熔覆涂层表层的犁削作用[20]，有效提高熔覆层表面耐磨性.质量分数50%WC的熔覆层磨损形貌具有深浅不一的犁沟，整体上相对平整,并存在少量的磨屑.在硬度变化曲线中质量分数50%WC的涂层平均硬度最高，对应的耐磨性反而较差,说明硬度的高低与耐磨性的好坏只是在一定条件下有所关联.由涂层中添加过量的WC则导致合金涂层的组织分布不均及较差的致密性，而耐磨性也随之变差.综合分析，添加不同WC含量的铁基合金熔覆层表面磨损机理主要以磨粒磨损为主及少量氧化磨损.3结论(1)在GCR15轴承钢表面熔覆了不同WC含量铁基复合涂层.在基材与熔覆层交界线处存在一条细窄的结合带，且涂层组织无明显缺陷.涂层组织从顶层到底部分别由胞状晶、等轴晶树枝晶和柱状晶组成.(2)WC含量为质量分数30%和质量分数50%的铁基复合涂层中增强相主要以Fe3W3C、Fe；W；C为主，随着熔覆层WC含量的增加产生了新硬化相M C3.高硬度的硬化相Fe3W3C、Fe；W；C、M7C3等与WC 颗粒弥散分布涂层中显著提高了涂层硬度.当WC含量为质量分数50%时，平均硬度(1015.29HV0.；)最高且约为基材的3倍.不同WC含量的熔覆层平均硬度变化差别不大.(3)WC含量为质量分数50%时的熔覆层由于涂层的WC颗粒分布不均及较差的致密性，导致耐磨性随之变差•在WC含量为质量分数30%时的熔覆层耐磨性能最好，较基材磨损失重少40.1mg,熔覆层磨损机理以磨料磨损为主和少量氧化磨损.[参考文献][；]张丽民，王书明，夏雯，等.等离子熔覆技术在导辐上的应用[J].金属热处理,20；0,35(4)：2；-23.[2]邵春娟，米国发，许磊，等.新型耐磨导卫板制备及性能分析[J].材料导报,20；7,3；(S2)：280-284..[2]张开源，尹延国,张国涛，等.高能球磨-粉末冶金法制备硫化亚铁/铁基轴承材料的摩擦学性能[J].中国机械工程,2019,30(18)：2；72-2；78.[4]张航,路媛媛，王涛，等.激光熔覆WC/H；3-Inconel625复合材料的冲击韧性与磨损性能[J].材料工程,2019,47(4):127-134..[5]AMADO J M,MONTERO J,TOBAR M J,et ser cladding of Ni-WC layers with graded WC content[J].Physics procedia,2014,56:269—275.[6]王开明，雷永平,魏世忠，等.WC含量对激光熔覆Ni基WC复合涂层组织和性能的影响[J].材料热处理学报,2016,37(7)：172-179.[7]余畅，朱宇，简险峰，等.WC+Cr3C2增强铁基合金激光熔覆涂层磨损性能[J].金属热处理,2013,38(12):21-24.[8]CHEN H Y,GU D D,KOSIBA K,et al.Achieving high strength and high ductility in WC-reinforced iron-based composites by33南京师大学报（自然科学版）第44卷第；期（2021年）laser additive manufacturing[J].Additive 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[；2]刘洪喜，董涛，张晓伟，等.激光熔覆制备WC/Co50/Al硬质合金涂层刀具的微观结构及切削性能[J].中国激光，2017,44(8)：104-112.[13]ZHU Q,LEI Y C,CHEN X Z,et al.Microstructure and mechanical properties in TIG welding of CLAM steel[J].Fusion engi­neering and design,2011,4-5(86)：407-411.[；4]刘建弟，张述泉，王华明.激光熔覆WC颗粒增强复合涂层的组织及耐磨性[J].中国有色金属学报,2012,22(9)：2600-2607.[15]LU J Z,CAO J,LU H F,et al.Wear properties and microstructural analyses of Fe-based coatings with various WC contents onH13die steel by laser cladding[J].Surface andcoatings technology,2019,369：228-237.[16]LI W,XU P Q,WANG Y Y,et ser synthesis and microstructure of micro-and nano-structured WC reinforced Co-basedcladding layers on titanium alloy[J].Journal of alloys and compounds,2018,749：10-22.[；7]王东生，田宗军.激光熔覆NiCrBSi/WC-Co复合涂层的组织与耐磨性能[J].机械工程材料,2019,43(11):16-20. 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微-纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀磨损行为研究微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀磨损行为研究随着工业的发展和对优化材料性能的需求，金属陶瓷涂层在材料表面保护和功能改善方面得到了广泛应用。

其中，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层以其优异的抗腐蚀和耐磨性能成为研究的热点。

首先，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的制备方法至关重要。

通常采用的方法包括高速喷涂、激光熔覆、等离子熔覆等。

这些方法可以在金属基体表面形成均匀、致密的涂层，提高涂层的附着力和表面质量。

同时，通过调节喷涂参数、合适的热处理和后续抛光，还可以进一步改善涂层的微/纳结构和性能。

其次，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀性能也是关键。

湿润环境中，金属陶瓷涂层容易受到腐蚀作用，导致涂层性能的降低。

因此，研究涂层的腐蚀行为对于提高其抗腐蚀性能具有重要意义。

实验研究发现，微/纳结构Cr3C2-NiCr 金属陶瓷涂层在腐蚀介质中能够形成致密的氧化物保护层，从而有效地抵御腐蚀侵蚀。

此外，通过合理的合金设计和控制涂层中Cr3C2含量，还可以提高涂层的耐腐蚀性能。

最后，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的磨损行为也是研究的重点。

工程领域中，材料表面往往需要承受一定的摩擦和磨损。

为了提高涂层的耐磨性能，研究者通过微观结构设计和合金优化，使其具备较高的硬度和耐磨耗性。

实验结果表明，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层在摩擦磨损条件下能够形成具有优异抗磨损性能的摩擦副表面，延长设备的使用寿命。

综上所述，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀和耐磨性能，对于提高材料表面的功能与性能具有重要作用。

然而，目前对于微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层腐蚀和磨损行为的研究还较少，仍需要进一步的实验和理论研究来揭示其机理及影响因素，以更好地指导材料的设计与应用综合以上研究结果可知，微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层具有良好的抗腐蚀和耐磨性能。

金属陶瓷复合材料的磨损行为与性能研究金属陶瓷复合材料是一种具有优异性能的复合材料，它将金属和陶瓷两种材料的特点有机地结合在一起。

由于其独特的结构和性能，金属陶瓷复合材料在工业领域得到了广泛应用。

本文将对金属陶瓷复合材料的磨损行为与性能进行研究，并探讨其应用前景。

一、金属陶瓷复合材料的磨损机理金属陶瓷复合材料的磨损机理主要有两个方面：磨粒磨损和表面剥落磨损。

磨粒磨损是指磨料颗粒在与复合材料表面接触时对其产生的磨损作用。

表面剥落磨损是指金属和陶瓷相之间因应力差异导致的材料剥落现象，这种磨损方式频繁出现在金属陶瓷复合材料表面。

二、金属陶瓷复合材料的磨损性能评价为了评价金属陶瓷复合材料的磨损性能，常用的方法是划痕试验、摩擦磨损试验和磨粒磨损试验。

这些试验可以通过测量磨损量、磨损速率等参数来评估材料的磨损性能。

同时，结合扫描电子显微镜（SEM）等测试手段，可以观察和分析材料表面的磨损形貌和磨损机理。

三、改善金属陶瓷复合材料的磨损性能为了改善金属陶瓷复合材料的磨损性能，可以采取以下方法：1.选择合适的金属和陶瓷材料，优化其配比和工艺，提高材料的硬度和抗磨性能；2.引入其他的复合材料增强相，如纳米陶瓷颗粒、纤维增强材料等，改善材料的力学性能和耐磨性能；3.表面涂覆陶瓷涂层或者采用离子注入等表面改性技术，提高材料表面的硬度和耐磨性能。

四、金属陶瓷复合材料的应用前景金属陶瓷复合材料由于其优异的性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子器件等领域。

例如，在航空发动机中，采用金属陶瓷复合材料制造叶片，可以提高发动机的工作效率和使用寿命。

在汽车制造中，金属陶瓷复合材料可以制成刹车片和离合器片等部件，具有耐磨、耐高温等优点。

在电子器件中，金属陶瓷复合材料可以用于制造散热器和电子封装件等，提高设备的散热性能和可靠性。

综上所述，金属陶瓷复合材料具有独特的磨损行为和优异的性能。

通过对其磨损机理和磨损性能的研究，可以进一步改善材料的耐磨性能，提高其应用价值。

金属陶瓷复合涂层的制备与性能研究一、金属陶瓷复合涂层概述金属陶瓷复合涂层是一种新型的表面处理技术，通过将金属和陶瓷材料的特性有机结合，形成具有优异性能的涂层。

这种涂层不仅继承了金属的韧性和良好的加工性能，还具备了陶瓷的高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。

金属陶瓷复合涂层的制备技术的发展，对提高机械零件的使用寿命和可靠性具有重要意义。

1.1 金属陶瓷复合涂层的组成与特性金属陶瓷复合涂层主要由金属基体和陶瓷相组成。

金属基体通常选用具有良好韧性和加工性能的材料，如不锈钢、铝合金等；而陶瓷相则选用硬度高、耐磨性好的材料，如氧化铝、碳化硅等。

金属基体与陶瓷相的结合，使得涂层在保持金属韧性的同时，也具有了陶瓷的耐磨和耐腐蚀特性。

1.2 金属陶瓷复合涂层的制备方法金属陶瓷复合涂层的制备方法多样，包括热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积等。

热喷涂技术通过将金属和陶瓷粉末加热至熔融或半熔融状态，然后高速喷射到基体表面，形成涂层。

物理气相沉积技术利用物理方法将材料蒸发并沉积在基体表面，形成涂层。

化学气相沉积技术则通过化学反应在基体表面沉积材料，形成涂层。

1.3 金属陶瓷复合涂层的应用领域金属陶瓷复合涂层因其优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工、石油化工等领域。

在航空航天领域，金属陶瓷复合涂层用于提高发动机部件的耐磨性和耐腐蚀性；在汽车制造领域，用于提高发动机和传动系统部件的性能；在机械加工领域，用于提高切削工具的耐用度；在石油化工领域，用于提高设备的耐腐蚀性和耐磨性。

二、金属陶瓷复合涂层的制备工艺金属陶瓷复合涂层的制备工艺是实现涂层性能的关键。

本节将详细介绍几种常见的金属陶瓷复合涂层制备工艺，包括热喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积。

2.1 热喷涂工艺热喷涂工艺是金属陶瓷复合涂层制备中应用最广泛的方法之一。

热喷涂技术包括等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等。

等离子喷涂利用高温等离子体将粉末加热至熔融状态，然后喷射到基体表面形成涂层。

激光熔覆Ni基WC金属陶瓷涂层组织与高温磨损性能汪新衡，匡建新，黄开有，陈丰峰(湖南工学院机械工程系，湖南衡阳 421002摘要：在21-4-N耐热钢表面进行添加WC颗粒的镍基自熔粉末激光熔覆处理，得到了Ni基WC合金涂层。

对熔覆层进行了显微组织观察和分析以及不同温度下的高温干摩擦磨损试验。

结果表明，Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆层组织细小，高温干摩擦磨损性能最好。

关键词：激光熔覆；镍基金属陶瓷涂层；高温干摩擦磨损Microstructure and Abrasive-wear Behavior Under High Temperature of Laser Clad Ni-based WC Ceramic CoatingWANG Xin-heng ,KUANG Jian-xin , HUANG Kai-you，CHEN Feng-feng（ Dept.of Mechanical Engineening,Hunan institute of Technology, Hengyang Hunan 421002,ChinaAbstract:The laser cladding which self-fused Ni-based ceramic powder of WC composite is used on the surface of 21-4-N heat-resisting steel, Ni-based WC coating can be formed. Observing and analying the microstructure of cross section, Checking the abrsrssive-wear under high temperature of cross section in different temperature. The results showed that the microstructure of Ni21+20%Wc+0.5%CeO2 cladding layer is small and it presents the best abrasive-wear behavior under high temperature in these investigated coatings. Keywords:laser cladding ; Ni-based Metal-ceramics layers; abrasive-wear under high temperature激光熔覆技术具有涂层与基体结合牢固、涂层稀释率低、工件变形小等特点。

Science &Technology Vision科技视界0前言随着现代工业的发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料的表面性能,不但可有效地延长其使用寿命,提高生产力,而且能节约资源,减少环境污染,加强稀有金属资源保护[1]。

先进表面工程技术促进了绿色制造技术在机械工业中的应用[2]。

因此,研究和发展机械产品的表面保护和表面强化技术,对于提高零件的使用寿命和可靠性,对于改善机械设备的性能、质量,增强产品的竞争能力,对于推动新技术的发展,对于节约材料、节约能源等都有重要意义[3]。

热喷涂技术是一种利用热源将喷涂材料加热至熔融状态,并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面,以形成喷涂层的表面加工技术[4]。

热喷涂技术的喷涂温度、熔滴或粉末颗粒对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料性能构成喷涂技术的核心。

热喷涂技术正是适应这种需要发展起来的一种较好的金属材料表面防护和强化技术[5]。

热喷涂技术与其它薄膜与涂层制备技术相比,具有工艺简单,涂层和基体选择范围广,涂层厚度变化范围大,沉积效率高以及容易形成复合涂层等优点[6]。

本文采用AC-HVAF 热喷涂设备研究在Q235钢表面制备WCp/(Co+Cr)复合材料涂层,分析涂层组织及耐磨性能,为优化WCp/(Co+Cr)复合材料涂层制备工艺提供依据。

1试验材料及方法1.1试验材料实验所用基体材料为Q235钢板材,其化学成分如下表1所示。

实验所用制备涂层的WC、Co、Cr 性能如表2所示。

表1Q235钢的化学成分表2WC、Co、Cr 的性能1.2试验方法应用AC-HVAF 活性燃烧高速燃气喷涂设备制备WCp/(Co+Cr)复合材料涂层。

用DK7735C 型数控电火花线切割机将喷涂试样加工成金相试样和磨损试样。

用EPIPHOT-300U 型金相显微镜分析Q235钢和WCp/(Co+Cr)复合材料涂层显微组织。

应用往复式磨损试验机研究WCp/(Co+Cr)复合材料涂层试样的相对耐磨性,摩擦副为400号砂纸,为了实验的精度,每做一次实验更换一张新砂纸。