等离子喷涂与激光重熔复合制备Mo_(2)NiB_(2)涂层的组织和性能研究

采用大气等离子喷涂方法在Q235低碳钢表面制备Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷涂层,选取300 W和500 W功率对其进行激光重熔。结果表明,激光重熔可以显著减少涂层的缺陷,使组织结构变得更加致密,界面处的弱机械结合转变为良好的冶金结合。随着激光功率的提高,涂层的结合强度和耐腐蚀性能提高,最大结合强度为38.08 MPa,最小腐蚀电流为0.033μA/cm^(2),但硬度和耐磨性降低,最小硬度为1781HV0.2,最大体积摩擦率为6.25×10^(-5)mm^(3)/(N·m)。上述等离子喷涂及2种激光重熔的Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷涂层的硬度、结合强度、耐磨性和耐腐蚀性都明显高于Q235低碳钢基体。

水轮机过流部件Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷覆层制备及组织性能研究

本文通过1200℃热等静压工艺在水轮机过流部件06Cr13Ni4Mo钢表面制备Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷覆层,采用OM、SEM和EDS对金属陶瓷覆层的组织及其与基体的冶金结合进行表征,采用硬度仪检测覆层的显微维氏硬度。结果表明:Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷覆层组织均匀,与钢基体完全融合,微观组织由硬质相和基体相组成,硬质相主要呈等轴块状和少量长条状,均匀分布于基体中;覆层组织的显微维氏硬度为1180 HV1。热等静压后不锈钢基体的强度、硬度降低,塑韧性提高。

扫描速度对Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷激光熔覆层组织和耐磨性能的影响

采用激光熔覆工艺在Q235钢板表面制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷熔覆层,研究了激光扫描速度对熔覆层组织、显微硬度和耐磨性能的影响。结果表明:Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷熔覆层由Mo_(2)FeB_(2)、(Mo,Fe,Cr)_(3)B_(2)、CrB、MoB、Fe-Cr等相组成;随着扫描速度的增大,Mo_(2)FeB_(2)硬质相由长条状转变成块状,尺寸减小;扫描速度对硬质相含量的影响不大;随着扫描速度的增大,Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷熔覆层的平均显微硬度和磨损质量损失均先减小后增大;扫描速度为400 mm·min-1时熔覆层的硬度较高,耐磨性能最好。

WC添加量对等离子喷涂Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层组织和耐腐蚀性能的影响

采用等离子喷涂法在Q235钢表面制备不同质量分数(0,10%,15%,20%,25%)WC改性Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层,研究了WC添加量对涂层物相组成、显微组织和耐腐蚀性能的影响。结果表明:WC改性Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层均主要由Mo_(2)FeB_(2)、WC、W_(2)C、铁和铁的氧化物相组成;当WC质量分数由0增加至15%时,金属陶瓷涂层的Mo_(2)FeB_(2)和WC双硬质相数量增多,尺寸减小,分布趋于均匀,当WC质量分数超过15%时,双硬质相发生聚集,孔隙率增大,涂层致密性下降;当WC质量分数为15%时,涂层组织最均匀致密,耐腐蚀性能最好。

Fe-44.4%Mo-4.9%B-2.5%Cr-2.9%Ni金属陶瓷烧结阶段晶粒生长机理

Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷是以Mo、Fe、Cr、Ni、FeB、C为原料,采用反应硼化烧结法制备而成,具有高硬度、高强度和高韧性的特点,并且制造成本相对低廉。本文采用真空液相烧结的方法制备Fe-44.4%Mo-4.9%B-2.5%Cr-2.9%Ni金属陶瓷,研究固相、液相烧结阶段金属陶瓷硬质相形貌及生长过程与机理。结果表明:在600℃前,Fe与片状FeB生成Fe_(2)B相,进入固相烧结阶段;随温度升高至900℃,在升温过程中Mo在Fe_(2)B界面上与Fe_(2)B反应形核生成Mo_(2)FeB_(2),生长方式表现为螺旋生长,并且形成生长台阶;温度继续升高至1000℃,Mo_(2)FeB_(2)晶粒继续长大,突破临界半径,开始析出小Mo_(2)FeB_(2)晶粒;温度升高至1050℃,溶解析出一直进行,Mo_(2)FeB_(2)开始长大成截面为正六方形的晶粒。期间经历形核、螺旋生长、溶解析出、形成截面为正六方形晶粒四个阶段,最终由Mo和FeB、Fe_(2)B相形成正六方形的Mo_(2)FeB_(2)晶粒。在1050℃后会进入液相烧结阶段,Mo_(2)FeB_(2)硬质相柱状生长,其长轴、短轴晶粒生长激活能分别为317 kJ/mol和402kJ/mol,因此Mo_(2)FeB_(2)晶粒更易沿长轴生长,最终生长为长条状。

激光熔覆Mo_(2)NiB_(2)-Cr_(7)C_(3)复合陶瓷熔覆层组织结构与性能研究

目的采用激光熔覆法在45#钢表面制备耐磨耐蚀的Mo_(2)NiB_(2)-Cr_(7)C_(3)复合陶瓷熔覆层,并研究制备工艺对组织结构与性能的影响。方法采用3 mm/s与4 mm/s的激光扫描速率及添加Cr_(7)C_(3)颗粒的工艺,激光熔覆制备Mo_(2)NiB_(2)-Cr_(7)C_(3)熔覆层。利用扫描电镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪对熔覆层的组织结构、元素分布与物相组成进行分析。利用维氏显微硬度计、摩擦磨损仪与电化学工作站对熔覆层的硬度、摩擦性能与腐蚀性能进行分析。结果 Mo_(2)NiB_(2)-Cr_(7)C_(3)复合陶瓷熔覆层与45#钢基材间存在熔合过渡区,形成良好的冶金结合。熔覆层物相主要由Mo_(2)NiB_(2)、Cr_(7)C_(3)、{Fe Ni}合金相组成,其中Mo_(2)NiB_(2)相与Cr_(7)C_(3)相在熔覆层中间位置处聚集,3 mm/s扫描速率增加了{Fe Ni}相的含量。熔覆层的显微硬度由表及里先增后减,最高值可达1300HV_(0.1)以上,可提高45#钢的硬度(220HV_(0.1))6倍。相较于45#钢,熔覆层具有更低的摩擦因数、磨损量与更优的耐腐蚀性能,其中4 mm/s制备的Mo_(2)Ni B_(2)-Cr_(7)C_(3)硬度最高,耐磨性能最优(平均摩擦因数为0.66,磨痕深度为8.6μm),耐腐蚀性能最好(腐蚀电流比45#钢低1个数量级)。结论较高的扫描速率(4 mm/s)与Cr_(7)C_(3)颗粒的添加可有效提高Mo_(2)NiB_(2)-Cr_(7)C_(3)熔覆层的机械与耐腐蚀性能,可用于45#钢的表面改性。

船舶维修与再制造用Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷及涂层的制备和研究现状

在海洋高盐、高湿、磨损及循环载荷冲击的恶劣环境中,船舶关键零部件易发生腐蚀、磨损和疲劳失效,因此零部件需要进行维修与再制造,如通过焊接或激光熔覆等方法在表面制备一层耐腐耐磨涂层。Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷因具有高硬度,优良的耐磨、耐蚀、耐高温氧化等性能而成为维修与再制造用涂层材料。简要描述了数值模拟在Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷研究中的应用,详细介绍了Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷或涂层的制备工艺以及不同工艺参数对材料组织和性能的影响,指出激光熔覆原位合成结合数值模拟是未来Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷主要的研究方向。

激光熔覆Mo_(2)NiB_(2)熔覆层温度场与应力场仿真研究

激光熔覆工艺参数(激光功率、扫描速度与搭接率等)可对Mo_(2)NiB_(2)熔覆层的温度场与应力场产生重要影响。通过表征激光熔覆工艺参数对熔覆层形貌的影响规律,确定最佳形貌熔覆层的制备工艺;基于有限元模拟间接热力耦合方法,建立平面多道激光熔覆Mo_(2)NiB_(2)熔覆层模型,研究最佳激光熔覆工艺下Mo_(2)NiB_(2)熔覆层的温度场与应力场的变化。结果显示,激光熔覆温度场具有急热急冷、热影响区小的特点,熔覆层温度可达3000 K以上,且随着激光扫描时间的增加,熔覆层的温度逐渐升高;通过应力场云图发现,最大残余应力(506 MPa)分布在熔覆层与基体结合处边缘两侧,并且结合处边缘板厚方向残余应力出现应力集中(应力值315 MPa);纵向残余应力主要受拉应力影响,沿厚度方向逐渐减小,沿X方向先增大后减小的变化趋势,最大纵向残余应力为277 MPa,位于X方向中间位置;熔覆层横向残余应力在Y路径上的分布与纵向残余应力在X方向上的分布大致相同,最大横向残余应力分布在熔覆层Y方向中心位置以及结合处边缘位置,最大值约为259 MPa,并且结合处横向残余应力在Y路径上的分布为拉-压-拉变化趋势,最大压应力仅为92 MPa。

碳含量对Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷的影响

采用真空烧结工艺制备了4种不同碳含量0、0.25%、0.5%、1%(质量分数,下同)的Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷,研究了碳含量对金属陶瓷微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着碳含量的增加,金属陶瓷的液相形成温度降低,金属陶瓷的硬度和抗弯强度呈先增大后降低的趋势。当碳含量为0.5%时,硬质相和粘结相两相组织分布最为均匀致密,金属陶瓷的硬度和抗弯强度最佳(88.5 HRA,1858.5 MPa)。当碳含量增加到1%时,过量的碳与Fe形成了脆性Fe_(3)C相,导致组织粗化和力学性能降低。

热压烧结无粘结相Mo_(2)NiB_(2)金属陶瓷的制备及性能

以Mo、Ni和B粉末为原料,采用真空热压烧结工艺制备了无粘结相的Mo_(2)NiB_(2)金属陶瓷,研究了两种烧结温度(1100和1150℃)对其微观组织、力学性能及摩擦磨损性能的影响。结果表明:两种烧结温度所制备的试样的组织都含有Mo_(2)NiB_(2)硬质相及少量MoNi相,烧结过程中由于Ni液相含量不足导致组织中产生许多小孔洞。1150℃烧结的试样的弯曲强度与断裂韧性相较于1100℃要高,分别达到578.9 MPa和6.6 MPa·m^(1/2)。烧结温度的升高致使陶瓷材料的硬度从2172.9 HV降低至1619.2 HV,相应摩擦因数增加,体积磨损量逐渐增大,耐磨性能下降。无粘结相Mo_(2)NiB_(2)金属陶瓷材料的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。

送粉速率对等离子喷涂Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷涂层性能的影响

采用大气等离子喷涂法在Q235钢基体表面制备Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷涂层,研究了送粉速率(40~80 g·min^(-1))对Mo_(2)NiB_(2)涂层硬度、结合强度、耐腐蚀性能的影响。结果表明:不同送粉速率下Mo_(2)NiB_(2)涂层主要由Mo_(2)NiB_(2)陶瓷相、MoNi_(4)合金相和MoB_(2)硬质相组成,在送粉速率为60 g·min^(-1)时涂层质量最佳;随着送粉速率的增大,Mo_(2)NiB_(2)涂层的硬度和结合强度先提高后下降,且均在送粉速率为60 g·min^(-1)时达到最大,分别为2107 HV,29.23 MPa;Mo_(2)NiB_(2)涂层的耐腐蚀性能随送粉速率的增大而增强,在送粉速率为80 g·min^(-1)时达到最佳。

稀土对激光熔覆Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷组织和硬度的影响

真空烧结工艺制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷存在设备投资大、生产效率低、成本高和工程应用适应性差的弊端。对激光熔覆制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷进行研究,采用扫描电镜(SEM)、硬度计等手段,探讨稀土(Rare earth,RE)含量对熔覆金属组织和硬度的影响。结果表明,相比不加稀土,添加质量分数2%RE的熔覆层硬质相明显细化,随着稀土添加量的进一步增加,硬质相开始团聚并相互连接。添加稀土使更多的Cr元素置换了Mo_(2)FeB_(2)的Fe元素,添加2%RE时置换较多,添加8%RE时最多,而添加4%RE时置换较少。添加0、2%、4%和8%RE的熔覆层硬质相面积分数分别为30.84%、53.74%、71.25%和54.92%,平均显微硬度分别为627HV、923HV、1008HV和742HV。添加稀土的硬质相面积分数和熔覆层硬度明显提高。

(Mo,W)_(2)NiB_(2)基金属陶瓷的制备与耐腐蚀性能

采用放电等离子热压烧结工艺制备了不同W掺杂量的(Mo,W)_(2)NiB_(2)基金属陶瓷,对金属陶瓷的物相组成、微观组织结构和耐腐蚀性进行了表征与分析。结果表明:制备的(Mo,W)_(2)NiB_(2)基金属陶瓷主要由(Mo,W)_(2)NiB_(2)陶瓷相和Ni基黏结相组成。当W掺杂量(摩尔分数)为0.15%时,(Mo,W)_(2)NiB_(2)基金属陶瓷表现出最佳的耐腐蚀性能,具有最大的自腐蚀电位和最小的自腐蚀电流密度,分别为−0.889 V(vs SCE)和53.31μA/cm^(2),腐蚀表面所形成的具有保护作用的钝化膜电阻最大,为34.99 kΩ/cm^(2)。

船机修造用Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层的有限元模拟及性能分析

为改善船机修造用Q235钢的表面性能,采用微束等离子堆焊法在Q235钢表面制备Mo_(2)FeB_(2)金属陶瓷涂层,利用ANSYS对涂层成型过程中的温度场和残余应力进行模拟分析,并分析涂层的微观结构和摩擦学性能。研究表明:涂层与基材间可形成良好的冶金结合;涂层维氏硬度可达661.0,高于Q235钢的4倍以上;在摩擦过程中,涂层主要发生磨粒磨损行为,而Q235钢出现黏着磨损行为,涂层可使Q235钢的磨损率下降20%以上。ANSYS的温度场和应力场模拟结果表明,由于等离子输入能量速率大于基材的热传导速率,涂层温度随堆焊时间的增加而升高,可达2700℃以上,且堆焊层区的温度显著高于热影响区。堆焊层区高的温度变化率引起了堆焊层区较高的残余拉应力集中,该残余拉应力不利于涂层摩擦磨损性能的进一步提高。

Cr含量对Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷组织和性能的影响

采用真空液相烧结法制备了Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷,研究了Cr添加量(质量分数0~11%)对其组织和力学性能的影响。结果表明:Cr的添加使金属陶瓷出现Fe_(23)B相,Cr完全固溶于Fe基粘结相中;随着Cr添加,硬质相晶粒逐渐由柱状晶向等轴晶转变;当Cr添加量为9%时,金属陶瓷的孔隙率最小,致密度最高,当Cr添加量大于9%时,金属陶瓷中的孔隙明显增多,金属陶瓷的致密性下降;随着Cr添加量的增加,金属陶瓷的硬度和抗弯强度先增大后减小,断裂韧性持续下降,当Cr添加量为9%时,硬度和抗弯强度均达到最大值,分别为89.7HRA、1834MPa,断裂韧性为13.8 MPa·m^(1/2)。随着Cr添加量的增加,金属陶瓷的腐蚀电位和腐蚀电流密度逐渐减小,极化电阻逐渐增大,阻抗半圆半径逐渐增大,其耐蚀性逐渐增强。

基于第一性原理的Mo_(2)CoB_(2)三元过渡金属硼化物掺杂效应研究

利用第一性原理计算研究了掺杂第四周期过渡金属元素对Mo_(2)CoB_(2)的结构、力学和热力学性质的影响。通过计算结合能和形成焓以及与Born-Huang标准比较,发现所有模型都满足力学与热力学稳定条件。采用点缺陷理论确定了掺杂元素在Mo_(2)CoB_(2)晶体中的占位以及占位偏好。结果表明,Sc和Ti对Mo点位表现出强烈的占位偏好,V对Mo点位仅有较弱的占位偏好。同时,Cr、Mn、Fe、Cu和Zn对Co点位具有较弱的占位偏好,而Ni对Co点位有较强的占位偏好。通过对比计算得到德拜温度,发现除Mo7TiCo4B8、Mo7VCo4B8和Mo7CrCo4B8外,其他掺杂模型的德拜温度都低于未掺杂模型,这说明实验中应尽量避免在Mo_(2)CoB_(2)硬质相中大量添加除Ti、V和Cr以外的过渡金属元素。最后,除Cr掺杂模型外,其他掺杂模型的硬度计算结果都低于未掺杂的模型。同时,占据偏好点位的掺杂元素模型的硬度通常比占据非偏好点位的更高。本研究为开发性能更好的Mo_(2)CoB_(2)金属陶瓷提供了理论支持。

激光熔覆Mo_(2)NiB_(2)熔覆层的制备及其性能表征

Mo_(2)NiB_(2)三元硼化物具有高硬度与良好耐腐蚀等性能,可应用于Q235钢的表面防护。以Mo、Ni与B粉末为原料,采用激光熔覆技术在Q235基材表面原位合成Mo_(2)NiB_(2)基金属陶瓷熔覆层,研究了激光熔覆次数对熔覆层组织结构与性能的影响。研究发现,Mo_(2)NiB_(2)熔覆层由Mo_(2)NiB_(2)陶瓷硬质相与FeNi合金黏结相构成,随着激光熔覆次数的增加,Mo_(2)NiB_(2)陶瓷相含量先增后减。Mo_(2)NiB_(2)陶瓷相趋于熔覆层中间部位聚集,且熔覆层与Q235基材间形成成分梯度变化的冶金结合区。随着激光熔覆次数的增加,Mo_(2)NiB_(2)熔覆层的硬度与耐腐蚀性能均先提高后降低,在3次激光熔覆时两者为最优,其硬度高于Q235基材1个数量级,而自腐蚀电流密度低于Q235基材2个数量级。Mo_(2)NiB_(2)熔覆层性能主要取决于熔覆层的组织结构与陶瓷相的相对含量。

硼含量对Fe_(2)B-Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷微观组织与性能的影响

采用真空烧结工艺制备了4种不同硼含量的Fe_(2)B-Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷,研究了硼含量对金属陶瓷烧结特性、微观组织与力学性能的影响规律。结果表明,所有试样主要由Fe_(2)B相、Mo_(2)FeB_(2)相和Fe_(3)B相组成;随着硼含量的增加,烧结过程中形成的液相L1含量逐渐减少,金属陶瓷的最佳烧结温度逐渐升高;并且金属陶瓷的硬度和横向断裂强度也都呈增大的趋势,其中硬度和横向断裂强度的最大值分别为88.52 HRA和685.74 MPa;Mo_(2)FeB_(2)相与Fe_(3)B相(或Fe_(2)B相)的复合组织在断裂过程中延长裂纹扩展路径,并且长棒状的Mo_(2)FeB_(2)相从Fe_(3)B相(或Fe_(2)B相)中的拔出都有助于金属陶瓷横向断裂强度的提高。

Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷的研究进展

Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷不仅具有高硬度,优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温及抗热冲击性能,而且它与大多数钢材的热膨胀系数相当,因此其在工模具材料、优质轴承以及高性能涂层(覆层)等应用领域显示出巨大的发展潜力及广阔的应用前景。本文简单介绍了Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷的成分、组织和性能的特点,重点阐述了硼、碳、稀土和过渡族金属元素,以及外加增强相和晶粒长大抑制剂对其物相组成、致密度、晶粒尺寸、硬度、抗弯强度和断裂韧性等的影响规律及作用机理,总结了Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷及其涂层(覆层)的制备工艺,并提出了其未来的研究重点应从合金元素对Mo_(2)FeB_(2)硬质相力学性能及生长行为的影响规律与作用机理、废旧Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷的回收技术等方面开展。

CeO_(2)对Mo_(2)FeB(2)基金属陶瓷组织和性能的影响

采用真空液相烧结法制备了Mo_(2)FeB_(2)基金属陶瓷,研究了CeO_(2)含量对其组织和力学性能的影响。结果表明:CeO_(2)的添加使金属陶瓷出现B;O_(2)相,Ce主要固溶于Mo_(2)FeB_(2)硬质相中。随着CeO_(2)含量增加,金属陶瓷中气孔率增大,柱状晶减少,等轴晶数量增加,等轴晶晶粒尺寸增加,金属陶瓷中的晶粒尺寸趋于均匀化。随着CeO_(2)添加量的增加,金属陶瓷的抗弯强度持续下降;硬度整体呈下降趋势,但当CeO_(2)质量分数为0.50%和1.00%时硬度均有上升;断裂韧性均表现为先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为0.75%时,金属陶瓷的断裂韧性达到最大值34.5 MPa·m^(1/2),相比基体成分金属陶瓷断裂韧性增长68%。当CeO_(2)质量分数为0.50%时,金属陶瓷表现出较好的综合力学性能,抗弯强度为1 775 MPa,硬度为HRA 88.5,断裂韧性为30.2 MPa·m^(1/2)。