PTA原位合成含TiB金属陶瓷涂层的冶金过程及组织控制

摘要

硼化物陶瓷中的TiB2陶瓷因具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨耐蚀性，已成为近年来金属陶瓷研究的热点之一。作为一种特异高温性能的功能材料，TiB2的烧结与喷涂却十分的困难，并且难以获得大厚度(cm级)的、结合牢固的致密涂层。等离子熔覆具有设备简单、熔覆效率高的特点，可用于制备大厚度的、致密的含TiB2金属陶瓷涂层。 本文采用等离子弧堆焊设备，通过钛合金和硼合金粉末之间的高温冶金反应，在堆焊过程中原位合成TiB2金属陶瓷涂层。利用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计等设备对各熔覆层的组织和性能进行研究。热力学分析和动力学研究的结果表明，在等离子熔覆高温金属陶瓷涂层体系中，TiB2是最容易形成的，形成TiB2的反应速率与熔覆层的温度和钛合金、硼合金粉末的浓度有密切的关系。该涂层的组织研究结果表明，熔覆层中的组织主要由TiB2晶须与Fe-B相组成，不同的粉末成分、焊接电流以及预涂层厚度对熔覆层的冶金过程有很大的影响。粉末成分的熔点越低、密度越小，熔覆层的成型越困难。焊接电流越大，预涂层厚度越小，TiB2的生成越容易。采用等离子弧原位合成的方法，能够通过多道熔覆工艺制备出含TiB2的大厚度梯度涂层，多道涂层的厚度可达4.5mm，涂层中TiB2组织主要以晶须的形式存在。沿熔合线到涂层的顶部方向，TiB2的数量逐渐增多，尺寸逐渐增大。覆层的硬度也呈梯度分布，与组织梯度变化遥相呼应。研究结果表明，可以通过改变熔覆层中B，Ti元素的质量百分比，焊接电流的大小，梯度涂层的设计来控制熔覆层的组织，从而控制熔覆层的性能，解决某些熔覆层的剥落问题。 本文的创新点在于成功的利用等离子弧原位合成含TiB2的大厚度涂层。总结了等离子熔覆工艺方法下原位合成金属陶瓷涂层的冶金规律。采用梯度涂层的设计部分解决了热残余应力引起的熔覆层剥落问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景、目的及意义

1.2国内外的研究现状

1.2.1功能梯度涂层

1.2.2 TiB2基金属陶瓷

1.2.3原位合成技术

1.3课题研究的内容

第二章试验原理与试验方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验方法

2.3.1试验方案

2.3.2试验准备及试验步骤

2.3.3试验方法

2.4工艺参数

2.5本章小结

第三章TiB2涂层的热力学分析与冶金过程

3.1等离子原位合成TiB2涂层热力学分析

3.2等离子原位合成TiB2涂层动力学分析

3.3等离子熔覆层的冶金过程

3.3.1等离子熔覆下的传热和冷却

3.3.2熔覆层的冶金过程

3.3.3粉末成分对熔覆层原位合成的影响

3.3.4焊接电流对熔覆层原位合成的影响

3.3.5预涂层厚度对熔覆层原位合成的影响

3.3.6单道熔覆与多道熔覆对熔覆层原位合成的影响

3.4本章小结

第四章试验结果与分析

4.1熔覆层的表面形貌

4.1.1熔覆层的表面形貌

4.1.2剥落层的相组成

4.2熔覆层的显微组织分析

4.3熔覆层的微观形貌

4.4熔覆层的组织控制

4.5大厚度梯度熔覆层的制备

4.6本章小结

第五章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢