Q235低碳钢表面等离子熔覆TiB2-TiC/Fe复合涂层及耐磨性

采用等离子熔覆技术,以Fe55、Ti、B₄C混合粉末为原料,在Q235低碳钢表面获得了TiB₂-TiC/Fe复合涂层,并分析了涂层的物相组成、组织结构,测试了显微硬度和摩擦磨损性能,探讨了其磨损机制。TiB₂-TiC/Fe复合涂层的主要物相为TiB₂、TiC、α-Fe,其中TiB₂呈多边形和矩形,TiC则呈不规则块状;随着原始粉末中Ti、B₄C含量的增加,TiB₂、TiC尺寸逐渐增大,TiB₂-TiC/Fe涂层与基体之间结合紧密,呈冶金结合;随着TiB₂-TiC/Fe复合涂层陶瓷相含量的增加,涂层硬度和耐磨性显著提高,当陶瓷相含量增加到一定程度（35wt%）时,涂层耐磨性能有所降低,TiB₂-TiC/Fe复合涂层的磨损方式主要是磨粒磨损和剥层磨损。Ti+B₄C陶瓷相含量为30wt%的等离子熔覆涂层耐磨性能较好,约为Q235钢基体的7倍,当Ti+B₄C含量持续增加时,TiB₂、TiC尺寸增大、缺陷增多,最终使TiB₂-TiC/Fe复合涂层耐磨性降低。     

不同TiB2颗粒粒径的TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料,研究了3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度、导电率、硬度和耐电弧侵蚀性能随TiB₂颗粒粒径的变化规律,重点分析了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为。结果表明:3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度和硬度随TiB₂颗粒粒径的增大而略有降低;TiB₂颗粒粒径越小,TiB₂/Cu复合材料的综合性能越好。随着TiB₂颗粒粒径的增大,3wt% TiB₂/Cu复合材料耐蚀稳定性降低,3wt% TiB₂/Cu阴极材料的损耗量明显增加;当TiB₂颗粒粒径为10 μm时,3wt% TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能最佳。电弧蚀形貌观察表明:不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料经电弧侵蚀后,3wt% TiB₂/Cu复合材料均由阴极向阳极发生转移;随着TiB₂颗粒粒径的增大,阴极质量损耗逐渐增加,触头表面电弧侵蚀面积增加;而在Cu基体中引入较小的TiB₂颗粒,有利于减弱电接触实验过程中TiB₂/Cu复合材料的喷溅现象。      

TiB2/Cu复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备TiB₂质量分数为1wt%~5wt%的TiB₂/Cu复合材料,测试其导电率和硬度。当TiB₂质量分数由0增至5wt%时,复合材料的导电率由96.9%（International Annealed Copper Standard,IACS）降至65.1%（IACS）,布氏硬度由42.8增至65.2。对所制备的不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料在直流24 V、不同电流条件下进行电接触实验,探究TiB₂添加量和电流对TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀性能的影响。结果表明,TiB₂/Cu复合材料的平均燃弧时间、平均燃弧能量和材料损耗量随着电流的增加而增加,TiB₂/Cu复合材料的阴极损耗量高于阳极,整体上TiB₂/Cu复合材料由阴极向阳极转移。在24 V和25 A条件下,不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料的燃弧时间和燃弧能量随操作次数增加不断波动,整体上呈逐渐增加的趋势,3wt% TiB₂/Cu复合材料的稳定性最高,平均燃弧时间和燃弧能量最低。随着TiB₂质量分数的增加,TiB₂/Cu复合材料损耗量降低,表面蚀坑变浅。     

等离子加热反应合成TiB2-TiC-Fe2Ti复合材料

以Ti、B₄C和Fe粉为原料,采用等离子束加热反应合成TiB₂-TiC-Fe₂Ti复合材料,分析了其物相、组织结构、显微硬度和断口形貌等。结果表明：反应生成物中物相主要有TiB₂、TiC和Fe₂Ti,同时含有少量的Fe₃C。各物相以不同的形态均匀分布,TiB₂呈现六边形和长条形,TiC近似球形,Fe₂Ti作为粘结相存在于TiB₂和TiC相之间,促进了各相之间的结合。等离子束加热具有高加热及冷却速率,降低了晶粒生长时间,有利于获得细小的组织。随着电流增加,单位时间内输入坯体热量增多,TiB₂和TiC充分长大,各相之间结合更加紧密。     

Mg对原位自生TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织及力学性能的影响

采用Al-K₂TiF₆-KBF₄混合盐原位自生反应法,制备了不同Mg质量分数的3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料。采用SEM、TEM、HM硬度测试和室温拉伸等方法研究了Mg含量和多级热处理对3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能的影响。微观组织观察发现:Mg质量分数为3wt%时,经过多级热处理后,TiB₂颗粒的团聚现象明显改善,反应生成的TiB₂颗粒平均尺寸约为130 nm,基体内伴随有大量弥散分布的纳米级颗粒,且α-Al的晶粒尺寸也明显减小。力学测试结果表明:多级热处理后,3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料的硬度和抗拉强度随Mg含量的增加而提高,但过量的Mg (≥4wt%)会造成TiB₂颗粒细化效果下降。分析表明:Mg的加入能够降低TiB₂/α-Al界面能,减少脆性相Al₃Ti、Al₂B的生成,并通过反应生成的MgAl₂O₄使界面结构变成TiB₂/MgAl₂O₄/α-Al,从而有效抑制了TiB₂的团聚,改善了TiB₂颗粒与Al液界面的润湿性,提高了形核率,进一步细化了α-Al晶粒尺寸。      

多粒径TiB2颗粒增强铜基复合材料的制备与载流摩擦磨损性能

采用粉末冶金工艺分别制备了单一粒径TiB₂颗粒和多粒径TiB₂颗粒增强铜基复合材料,对比研究了非载流和载流条件下多粒径（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦磨损行为。微观组织观察表明:不同粒径的TiB₂颗粒在Cu基体中分布均匀。与单一粒径TiB₂/Cu复合材料相比,多粒径TiB₂/Cu复合材料具有更高的相对密度、硬度和导电率。摩擦磨损实验结果表明:多粒径TiB₂/Cu复合材料抗摩擦磨损性能明显高于单一粒径TiB₂/Cu复合材料,当2 μm与50 μmTiB₂颗粒配比为1:2时,多粒径TiB₂/Cu复合材料的抗摩擦磨损性能最佳。相对于2 μm单一粒径TiB₂/Cu复合材料,电流为0 A时,（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了17.3%和62.5%;电流为25 A时,（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了6%和45.8%,同时载流效率和载流稳定性得到明显提高,磨损表面更加平整。磨损机制分析表明:多粒径TiB₂颗粒合理配比有利于提高复合材料载流质量,同时摩擦过程中大粒径的TiB₂颗粒起到支撑作用,小粒径的TiB₂颗粒弥散强化Cu基体,二者的协同作用使TiB₂/Cu复合材料具有更好的抗载流摩擦磨损性能。      

Y2O3对钛基激光熔覆层组织及性能的影响

针对Ti811钛合金硬度低、耐磨性差的问题,以TC4粉、Ni45A粉和Y₂O₃粉为原料,采用同轴送粉激光熔覆技术在Ti811钛合金表面进行了激光熔覆制备耐磨复合涂层的实验,分析了熔覆层的组织和相组成,测试了熔覆层的显微硬度和摩擦磨损等力学性能。研究表明:复合涂层组织由枝晶TiC、依附生长于枝晶TiC表面的纳米颗粒TiC、生长于基体表面的等轴球形（近球形）TiC、金属间化合物Ti₂Ni、增强相TiB、TiB₂及基体α-Ti组成,所有生成相呈均匀弥散分布状态;涂层中等轴球形（近球形）TiC和Y₂O₃构成了复合相结构,经二维点阵错配度计算表明,Y₂O₃的（111）晶面与TiC的（110）晶面的二维点阵错配度δ=6.54%,因此Y₂O₃可作为TiC的有效异质形核核心细化晶粒;涂层的显微硬度处于HV_0.5 655~700之间,较Ti811基材提高了约1.6~1.8倍;涂层的磨损机制主要为磨粒磨损,摩擦磨损性能较基材显著提升。      

成形压力对SiC/TiB2复合材料组织与性能的影响

基于熔融Si浸渗法制备出较致密的SiC/TiB₂复合材料, 并研究了坯体成形压力对SiC/TiB₂复合材料致密度、相组成、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明, 复合材料由TiB₂、SiC和Si相组成。SiC/TiB₂复合材料的显微组织特征为: TiB₂相和SiC相均匀分布, 游离Si填充在TiB₂相和SiC相的空隙处, 且形成了连续相。随成形压力的增大, 复合材料中游离Si含量降低, TiB₂颗粒尺寸减小, 复合材料的力学性能先增加后降低。坯体最佳成形压力为200 MPa, 对应SiC/TiB₂复合材料的体积密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为3.63 g/cm³、0.90%、(354±16) MPa、(6.8±0.2) MPa·m^1/2和(21.0±1.1) GPa。     

原位合成TiB2/Fe复合材料的高温氧化行为

采用微波烧结技术原位生成TiB₂/Fe复合材料,研究其在500℃、600℃与700℃空气中的恒温氧化行为,并对氧化膜的表面、截面形貌及相组成进行了分析。结果表明:TiB₂/Fe复合材料由TiB₂、Fe₂B和α-Fe三种物相组成。随着氧化温度的升高,TiB₂/Fe复合材料的氧化增重明显增大,均呈现抛物线型规律,在500℃时,其氧化产物主要为Fe₂O₃和Fe₃O₄,而700℃时,其氧化物为Fe₂O₃、TiO₂、Fe₉TiO₁₅及少量Fe₃BO₆组成。相同温度下,随着TiB₂含量增加,TiB₂/Fe复合材料氧化物粒径、氧化增重和氧化层厚度均减小,氧化激活能增大,其抗氧化性能也越好。      

激光选区熔化成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的微观组织和力学性能

利用激光选区熔化（SLM）技术制备了原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒增强Al-Si基复合材料,并对成形后的TiB₂/Al-Si复合材料进行不同的热处理。通过XRD物相分析、SEM微观组织观察、电子背散射衍射（EBSD）、EDS元素扫描分析和力学拉伸试验等对TiB₂/Al-Si复合材料的微观组织进行观察和力学性能测试。研究表明,在原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒和SLM快速凝固特性的共同作用下,SLM成形的原位自生TiB₂/Al-Si复合材料具有超细晶结构,平均晶粒尺寸为1.1 μm;TiB₂/Al-Si复合材料的力学性能优异,屈服强度为262 MPa,抗拉强度为435 MPa,延伸率为11.88%。对比经不同热处理的TiB₂/Al-Si复合材料,直接时效处理（150℃/12 h）的TiB₂/Al-Si复合材料性能最优,抗拉强度达到488 MPa,提高了53 MPa,延伸率降低至7.2%。     

SiC晶须对反应合成多孔TiB_2-TiC复合材料的影响

以Ti、B_4C和SiC晶须(SiC_w)为原料,采用自蔓延高温合成法制备了多孔TiB__2-TiC复合材料。讨论了SiC_w含量对TiB__2-TiC复合材料物相、组织形貌、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明:不添加SiC_w时,复合材料中主要物相为贫硼相TiB和Ti_3B_4以及TiC和少量TiB__2;在5Ti+B_4C体系中加入SiC_w后,贫硼相TiB和Ti_3B_4逐渐减少直至消失,而出现富硼相TiB__2和TiC的含量增加。随着SiC_w含量的增加,复合材料的孔隙率逐渐增加,由38.46%增加至5_2.78%。当SiC_w含量小于1.0时,随着SiC_w含量的增加,多孔TiB_2-TiC复合材料的抗压强度明显增加,当SiC_w含量为1.0时,复合材料的抗压强度达到最大值56.04MPa。Ti与SiC_w反应会生成TiC、Ti_3SiC_2和TiSi_2等物相,消耗一定量的Ti,使得与B4C反应的Ti量减少,从而促进富硼相TiB_2形成和TiC的增多。并且在SiC_w表面形成颗粒状TiC或者层片状Ti_3SiC_2,增加SiC_w与TiB_2-TiC基体之间的结合,更有利于发挥SiC_w的强化作用。     

超重力场反应连接制备TiB_2-TiC/1Cr18Ni9Ti和TiB_2-TiC/Ti-6Al-4V梯度复合材料

以1Cr18Ni9Ti、Ti-6Al-4V为金属基底,通过在B4C+Ti体系中引入CrO_3+Al铝热剂,调整反应体系绝热温度依次为3 193、3 282、3 290及3 473K,采用超重力场反应连接制备TiB_2-TiC/1Cr18Ni9Ti和TiB_2-TiC/Ti-6Al-4V梯度复合材料,发现随着反应绝热温度升高,陶瓷/金属界面区厚度不仅因金属熔深增加而增大,并且残存于界面上的Al_2O_3夹杂也随之增多。分别对B4C+Al体系与CrO_3+Al铝热剂进行配制、球磨活化、压制成坯并依次填料入坩埚后,发现残存于界面上的Al_2O_3夹杂完全消除,同时发现在TiB_2-TiC/1Cr18Ni9Ti界面上生成三维网络陶瓷/金属梯度复合结构,而在TiB_2-TiC/Ti-6Al-4V界面上形成跨尺度多层次梯度复合结构。