含Cr量对等离子堆焊Fe-Cr-Ti-C合金组织与性能的影响

为获得高硬度的铁基堆焊合金,设计开发了多种不同Cr质量分数的Fe-Cr-Ti-C合金粉末,采用等离子堆焊技术在碳钢基体上制备相应堆焊层.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和显微硬度计对不同Cr质量分数Fe-Cr-Ti-C合金的显微组织、物相组成和显微硬度进行分析.结果表明:Fe-Cr-Ti-C合金堆焊层组织由奥氏体(γ)、马氏体(M)、M_(7)C_(3)和TiC组成,堆焊层中随着Cr质量分数的提高,马氏体基体组织数量先增大后减小,M_(7)C_(3)数量逐渐增多,且形态由断续网状转变为初生六边形,TiC呈开花状或块状;堆焊层侧面显微硬度呈梯度分布,随着Cr质量分数的增加,堆焊层表层的硬度值不断提高,Cr质量分数为15.0%时其硬度达到最佳值,合金堆焊层顶端显微硬度平均值最高,达到HV 0.21186.

不同Nb含量对(Nb,Ti)C颗粒强化Fe基复合堆焊层微观组织及耐磨性影响研究

目的颗粒强化金属基复合涂层由于具有优异的力学性能及良好的耐磨性,受到了研究人员的广泛关注,然而,较少有文献报道复合强化相含量与复合涂层力学性能的关系,特别是在电弧堆焊制备的复合涂层中。因此,有必要探明强化颗粒含量对Fe基复合堆焊涂层微观组织及耐磨性的影响规律,为设计新型Fe基复合堆焊材料提供试验依据。方法通过向药芯焊丝中添加不同含量的Nb,以原位合成(Nb,Ti)C强化相,并据此调控电弧堆焊层中原位生成的(Nb,Ti)C数量密度,进而影响堆焊层的微观组织、硬度及耐磨性。结果随着Nb的添加,熔覆过程中Nb与基体中的C、Ti反应,原位生成了立方结构的(Nb,Ti)C相,且(Nb,Ti)C相含量随着Nb含量的增加而逐渐增大。与未添加Nb时相比,含质量分数为6%Nb的堆焊层中(Nb,Ti)C复合颗粒的数量密度增加到0.53个/μm^(2),硬度也由673.08HV0.5增大到734.88HV0.5。摩擦磨损试验结果表明,随着Nb的增加,磨损量呈现出逐渐降低的趋势,其中,Nb含量为6wt.%的堆焊层样品表现出了最浅、最平滑的磨痕,其磨损率仅为1.12×10^(-8)mm^(3)/(N·m),磨损机制为轻微的黏着磨损。结论提高Nb的添加量可以增大(Nb,Ti)C强化相的数量密度,有效提升堆焊层的硬度及耐磨性,并在添加质量分数为6%的Nb时表现出最高的耐磨性能。

原料组份、粒度对Ti-C-Fe体系自蔓延高温合成的影响

本文探讨了Fe含量、碳源及Ti、C颗粒大小对Ti－C－Fe体系自蔓延高温合成过程及产物结构特征的影响．结果表明：Fe含量增高，燃烧温度降低，产物颗粒变细，而燃烧波速度在10wt％Fe时出现极大值，反映了Fe液相的作用．石墨作碳源燃烧合成的TiC更接近于化学计量的TiC，且TiC颗粒较粗，燃烧温度、燃烧波速度均较高，反映了碳源结构差异对燃烧合成的影响．Ti、C颗粒越细，越有利燃烧反应合成．随着Fe含量增高，Ti－C－Fe体系燃烧方式由稳态变为振荡式及螺旋式燃烧．Fe含量＞60wt％；反应则不能自持．

Fe-Ti-C熔体中TiC颗粒的原位合成及长大过程研究

本文研究了Fe－Ti－C合金熔体中原位TiC颗粒的形成过程，结果表明：在合金熔体的等温过程中，Ti和C原子首先不断反应合成TiC颗粒，直至生成的TiC与熔体达到平衡；然后，TiC颗粒按照小颗粒不断溶解、大颗粒相应粗化的模式而长大其中，TiC颗粒的合成过程又可进一步分为TiC晶核的形成和长大两个阶段，形核阶段越长，熔体中TiC颗粒的数目越多．尺寸越小，而当TiC的合成反应平衡后、如继续延长等温时间，则熔体中TiC颗粒的尺寸增加。

Ti-C-xFe体系自蔓延高温合成及机理

采用自蔓延高温合成新技术合成ＴｉＣ／Ｆｅ复合材料，研究了原料组份、粒度对合成过程及产物特征的影响．探讨了燃烧反应及结构形成机理结果表明，随Ｆｅ含量的增大，燃烧合成温度降低，合成ＴｉＣ粒度变细，燃烧波速度在Ｆｅ含量为１０％（质量分数）时出现极大值．与碳黑作碳源对比，细粒石墨在反应合成过程中表现出更大的活性．用钢楔块燃烧波淬息法研究了合成过程，整个合成过程经历了金属的熔融、碳向熔融体中的溶解扩散、大团聚的形成、小的 ＴｉＣ。颗粒生长及ＴｉＣ长大等阶段。

预设加热温度对Fe-Ti-C系低温燃烧合成的影响及燃烧合成机理探讨

采用Gleeble-1500D热模拟试验仪,就预设加热温度对55w%(Ti+C)+45w%Fe压坯在大热流密度条件下燃烧合成过程的影响进行了研究。结果表明:在各预设加热温度条件下,体系的反应起始温度均在400℃以下,且随预设加热温度的升高,体系燃烧反应起始温度下降。同时讨论了在电场作用下体系燃烧合成的机理。认为:由于粉末压坯结构的不连续性,外加电场将对其产生能量有特有贡献,导致在低温条件下压坯获得巨大的能量而发生反应。

Al-TiO_2-C-Ti-Fe体系反应过程研究

采用 DSC和 XRD对不同 Fe含量 Al- Ti O2 - C- Ti- Fe体系的燃烧反应过程进行了研究。结果表明 ,Al- Ti O2 - C-Ti- Fe体系的反应是分步进行的。在高温区以金属间化合物的分解及 Ti、C反应为主 ;在低温区则随着 Fe含量的不同存在不同的反应 :Al- Ti O2 - C- Ti以 Al、Ti的反应为主 ,Al- Ti O2 - C- Ti- 2 0 wt% Fe以 Al、Ti及 Al、Fe反应为主 ,同时还存在 Al、 Ti O2 及 Fe、 Ti反应 ,而 Al- Ti O2 - C- Ti- 50 wt% Fe则以 Fe、Al和 Fe、 Ti反应为主。

Fe-Ti-C熔体在大气条件下原位合成TiC_P/Fe复合材料的研究

为了在大气条件下利用 Fe- Ti- C熔体中 Ti C的合成反应制备原位 (in situ) Ti CP/Fe复合材料 ,研究了三种覆盖剂对熔体中 Ti元素氧化烧损率的影响 ,并分析了所得复合材料的组织和性能。结果表明 :采用所开发的混合盐型覆盖剂能在大气条件下制备出原位 Ti CP/Fe复合材料 ,且原位合成的 Ti C颗粒尺寸细小、分布均匀 ,从而使制备的复合材料特别是经淬火处理后的复合材料具有较高的力学性能。

原位TiC_P/Fe复合材料组织中的有害相及其防止措施

研究了原位 (in situ) Ti CP/Fe复合材料组织中有害相 Fe3C和 Fe2 Ti的形成过程及其防止措施。结果表明 :Fe3C和 Fe2 Ti均在 Fe- Ti- C熔体等温反应后的凝固过程中形成 ,且与奥氏体中固溶的 Ti量有关 ;对熔体进行微量Cu、Ni合金化及孕育处理可促进熔体中 Ti C颗粒的形成 ,并有效地防止组织中有害相的产生 ,从而使复合材料的性能得以进一步提高。

电场作用下Fe含量对Fe-Ti-C体系低温燃烧合成的影响

采用Gleeble-1500D热模拟机,对电场作用下Fe含量对Fe-Ti-C体系低温燃烧合成过程和产物显微结构特征的影响进行了研究。结果表明:在电场和大热流密度作用下,体系的点火温度可以大幅降低;Fe含量越高,其对体系低温燃烧合成过程的影响越大。随Fe含量增加,体系点火温度升高,点火延迟时间缩短,所达到的最高温度也升高;与高温燃烧合成类似,低温燃烧合成的产物由TiC,Fe,少量Fe_2Ti组成;当Fe含量为45％时(质量百分数,下同),产物中的TiC量最多,且颗粒细小。

Fe-Ti-C系燃烧合成反应的热力学分析

利用相图计算技术（ＣＡＬＰＨＡＤ）对Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ燃烧合成反应体系进行热力学分析，着重研究Ｆｅ含量和Ｃ／Ｔｉ原子比对体系绝热燃烧温度Ｔａｄ和平衡相组成的影响．研究结果表明，Ｆｅ含量对 Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ三元系的平衡相组成影响不大，但对绝热燃烧温度的影响非常大．当保持Ｃ／Ｔｉ原子比接近１．０时，不管Ｆｅ含量如何变化；在２９８Ｋ下均会得到理想的平衡相组织ＴｉＣ＋Ｆｅ 随Ｆｅ含量增加，体系的绝热燃烧温度大致呈线性降低．Ｆｅ－Ｔｉ－Ｃ体系发生ＳＨＳ反应的热力学条件之一（Ｔａｄ＞１８００Ｋ）是Ｆｅ＜５５ｗｔ％．而 Ｃ／Ｔｉ原子比对绝热燃烧温度的影响比较小，但对平衡相组成影响非常大，主要表现在两个方面：①石墨相的析出温度不同．随Ｃ／Ｔｉ原子比降低，析出温度也随之降低．②在各温区石墨相的含量不同．当 Ｃ／Ｔｉ在１．０～１．４变化时，石墨相含量在低温区由１％提高到１６％．

(Ti,Fe)-Al-C体系钢铁基复合材料的热力学计算与分析

利用溶液热力学理论,研究了(Ti,Fe)AlC体系钢铁基复合材料可能的反应产物的吉布斯自由能变化。热力学实验模型是在FeC熔液中加入钛铁合金(Ti,Fe)和纯铝块,继续加热到1600℃,熔液经过充分混合、反应后随炉冷却到常温。计算结果表明,TiC先于Fe2Ti、Fe3C等相生成,但始终没有Al4C3和TiAl3相产生;体系中TiC的热力学稳定性最高;在凝固过程中,TiC相优先析出,随后可能有Fe2Ti、Fe3C等相析出;铝含量的增加能够促进TiC、Fe2Ti、Fe3C等相的生成。

过程控制剂对Fe-C-Ti粉末机械合金化的影响

研究了过程控制剂对Ｆｅ－Ｃ－Ｔｉ合金粉末的出粉率、粉末形态及机械合金化过程的影响。结果指出，添加过程控制剂可明显提高出粉率，且合金粉末大小均匀，但降低了碳和钛向铁中的固溶速率，使机械合金化过程滞后。

Fe-Ti-C-Al体系中二元相的原位生成热力学计算

用溶液热力学方法研究了在1 400～1 600℃温度范围内,Ti、C、Al等元素对Fe-Ti-C-Al体系的影响。计算结果表明,在1 600℃时,TiC能在Fe溶液中直接反应生成,并且Al能促进各反应生成吉布斯自由能变的降低。在1 400～1 600℃温度范围内,Ti含量的增加能促进Ti Al3和Fe2Ti的降低,Fe3C的升高;C含量的增加能够促进Fe3C、TiC和Ti Al3的降低;此外,过量的C能促进Fe2Ti的升高。

(Ti,Me)C-Fe金属陶瓷界面电子结构与性能的关系

根据固体与分子经验电子理论(EET)以及异相界面电子结构模型,系统计算了(Ti,Me)C/Fe系列金属陶瓷界面电子结构(Me=Mo、W、V、Nb、Ta),初步分析了其界面电子结构与界面润湿、金属陶瓷力学性能之间的关系,结果表明:Me的添加使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度增大,界面润湿改善,改善界面润湿的能力从大到小排列为:Mo、W>Nb、Ta>V;另外,Me的加入使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度差增大,界面应力增大,有利于陶瓷晶粒的细化和提高界面结合强度,Mo、W添加剂能有效提高TiC/Fe金属陶瓷界面强韧性。

电场作用下75wt%Fe-25wt%(Ti+C)体系燃烧合成的探讨

采用Gleeble热模拟机对75Fe-25(Ti+C)体系在电场作用下的燃烧合成进行探讨,结果表明:这种不能采用普通SHS技术进行燃烧合成的体系,当预设升温速度为600℃/s时,在电场作用下仍不能实现燃烧合成;而当预设升温速度提高到1 000℃/s时,在电场作用下该体系能在743℃发生燃烧合成反应,合成产物由TiC和Fe组成,其中细小的TiC颗粒有一定程度的团聚现象。

反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层的反应机理

利用差热分析（DTA）、X－射线分析（XRD）等测试手段，研究了反应火焰喷涂过程中喷涂粉末（Fe－Ti－C体系）的反应机理．研究结果表明，在反应火焰喷涂合成TiC-Fe涂层中，喷涂粉末在飞行过程中的反应是逐步进行的．喷涂距离为125～170mm是发生反应的主要区域．在到达工件表面时，反应已基本结束．因此，与传统热喷涂相比，反应火焰喷涂的优势在于，利用廉价原料一步合成、沉积比较昂贵的涂层材料．

Fe添加量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响

采用低压烧结工艺制备出Ti(C_(0.7)N_(0.3))-WC-Mo_2C-TaC-Fe/Co/Ni体系金属陶瓷,研究了Fe含量对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织、相组成及力学性能的影响。结果表明,随着Fe含量的增加,组织中白芯-灰环结构的硬质相体积分数显著增大,且在固相烧结阶段,大量M_(12)C型η相转化为M_6N型脆性相;高Fe含量的金属陶瓷体系有利于脆性相的生成。力学性能测试结果表明,适量Fe置换Ni可显著提高Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度和断裂韧性,并随Fe含量增加呈先升高后降低的变化趋势。当Fe含量为2%时,金属陶瓷的硬度和断裂韧性均达到最大值1 642 MPa和10.63 MPa·m^(1/2),与不含Fe的金属陶瓷相比,分别提高了96 MPa和11.3%。但添加过量Fe反而会极大地恶化金属陶瓷的力学性能,这主要归因于高Fe含量金属陶瓷组织中M_6N型脆性相含量的增加。

Fe-C-Ti-Mn合金系中TiC原位生成反应的热力学分析

根据溶液热力学理论对Fe C Ti Mn体系中TiC增强体的原位合成进行了热力学分析。计算表明,体系中TiC优先于Fe3C和Fe2Ti形成,且在热力学上比Fe3C和Fe2Ti稳定。多数情况下,TiC基体合金在液态未凝固时即可形成,而Fe3C和Fe2Ti则是在合金凝固和冷却过程中才有可能析出。随C含量增加,形成TiC和Fe3C的可能性增大;随Ti含量增加,形成Fe2Ti的可能性增大,而形成Fe3C的可能性减小;高Ti高C时,有利于形成TiC,高Ti低C时有利于形成Fe2Ti;高C低Ti时有利于形成Fe3C;添加适量的Mn既可有效抑制Fe3C的形成,又明显降低TiC的合成温度,使大多数TiC的合成反应发生在合金熔体充满铸型后的冷却、凝固过程中,可能解决TiC过早析出、熔体粘度增大、充型困难等问题。

激光熔覆Fe-Ti-V-C合金微观组织与磨损性能

采用激光熔覆技术在20G基体上制备五组不同Ti质量分数的Fe-Ti-V-C系合金,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计和磨料磨损试验机等仪器对各熔覆层的显微组织、硬度和耐磨性进行测试和分析。试验结果表明:五组合金熔覆层基体组织均由铁素体和马氏体构成;随着熔覆层中Ti质量分数的增加,针状马氏体基体组织转变为板条马氏体;初生(Ti,V)C的形态由树枝状和花瓣状向颗粒状转变,同时碳化物(Ti,V)C的数量逐渐增多,当Ti质量分数为14.7%时,碳化物的数量达到最高值。熔覆层截面显微硬度梯度分布合理,表层硬度达到700~950 HV0.2。湿砂磨粒磨损试验表明:适量Ti显著提高了熔覆层的耐磨性,熔覆层中随着Ti质量分数的提高,耐磨性先降低后提高,当Ti质量分数为14.7%时,大量颗粒状(Ti,V)C均匀弥散分布在铁素体及板条马氏体基体上,使得熔覆层具有最佳的耐磨性。