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《大连理工大学》 2009年
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强流脉冲离子束辐照的冲击加工与强化作用研究

刘臣  
【摘要】: 利用强流脉冲离子束(HIPIB)辐照的冲击加工与强化作用,在TEMP-6型HIPIB装置上开展了HIPIB辐照电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层(TBC)和WC-Co硬质合金的实验研究,提供了一种适合于EB-PVD TBC的表面封顶工艺,揭示了HIPIB辐照的冲击加工与强化作用对WC-Co硬质合金成分、结构和性能的影响规律,阐明了HIPIB辐照EB-PVD TBC和WC-Co硬质合金的改性机理。 采用束流密度100-300A/cm~2,辐照次数1-10次的HIPIB辐照EB-PVD工艺制备的ZrO_2-7wt.%Y_2O_3 TBC,表层相结构未发生变化,仍为单一的四方ZrO_2相。1次辐照条件下,TBC表面存在的微凸和晶粒间隙等发生选择性烧蚀。束流密度为100 A/cm~2时,辐照表面残留部分未封闭的晶粒间隙,形成了不连续的封顶层;束流密度增加到200A/cm~2,微凸和晶粒间隙等的熔化和烧蚀区域随之扩展,熔融的ZrO_2陶瓷在HIPIB的冲击加工作用下克服表面张力的作用,填充到晶粒间隙,形成了微米量级的连续致密封顶层;束流密度达到300 A/cm~2,过高的辐照强度导致表面烧蚀剧烈,晶粒间隙的封闭效果变差。多次辐照条件下,TBC表面以均匀熔化和烧蚀为主,熔化的陶瓷对晶粒间隙的不断填充形成了2-3μm的封顶层,但大面积的熔化和烧蚀使表面产生较大热应力,晶粒搭接区域产生微裂纹。 1050℃×1 h条件下的循环氧化实验表明,HIPIB辐照EB-PVD TBC的抗氧化性能显著提高。原始TBC 15次循环后的氧化增重约为0.8 mg/cm~2,HIPIB 200 A/cm~2,1次辐照TBC的氧化增重较原始降低了约60%。循环氧化后生成的热生长氧化物(TGO)厚度仅约为1μm,显著低于原始的3μm,而且未出现原始TBC粘结层/陶瓷层界面处发生的严重局部氧化。原始TBC经循环氧化后TGO中氧的含量达40wt.%,而200A/cm~21次辐照TBC氧含量仅为30wt.%。TBC表面形成微米量级的致密封顶层后,氧向粘结层的扩散被限制,减轻了粘结层的氧化。1次辐照形成的封顶层厚度仅约为1μm,高温条件下封项层能够部分匹配柱状晶的扩张和收缩,缓解部分热应力,同时,连续致密的封顶层具有一定的阻碍氧向粘结层扩散的能力。多次辐照条件下,TBC表面形成了数μm厚的封顶层,但过于致密的封顶层使柱状晶组织的释放应变能力受到限制,导致循环氧化过程中表面开裂,限制了封顶层对氧的屏障作用。 采用束流密度300 A/cm~2,辐照次数1-10次的HIPIB辐照WC-Co硬质合金,表层析出Co_3W_9C_4相,且出现Co的过饱和固溶体。辐照表面产生Co粘结相的择优烧蚀现象,择优烧蚀区经反复重熔烧蚀后形成硬质相凸起。辐照次数达到10次时,硬质相凸起相互搭接成网状。硬质相凸起的形成导致被辐照表面呈现粗糙化趋势,10次辐照条件下的表面粗糙度R_a由原始的0.29μm显著增加到1.72μm。在HIPIB辐照的冲击加工作用下,硬质合金表面产生强化现象,随辐照次数的增加表面的显微硬度呈现递增趋势,且在远大于离子射程的深度内形成硬化层。10次辐照条件下,表面显微硬度由原始的17.4GPa增加到20.22GPa,硬化层厚度达到了120μm。 在载荷40kg,滑动速度0.42m/s条件下进行的干摩擦磨损实验表明,辐照硬质合金的耐磨性能显著提高。磨损30 min后,原始硬质合金样品磨损率约为5.77×10~(-7)mm~3/N·m。2次和5次辐照硬质合金的磨损率较原始硬质合金降低了约50%,10次辐照条件下硬质合金的磨损率最低,较原始降低了约65%。原始硬质合金与对磨材料摩擦过程中,硬度相对较低的Co粘结相与对磨材料产生粘着,产生塑性变形而被优先去除。当Co粘结相的去除量增加到无法支撑WC硬质相时,硬质相颗粒在摩擦力的作用下被移除,造成硬质合金的磨损。HIPIB强烈非平衡作用下的重熔和再结晶使WC晶粒细化且分布更均匀,同时,表层析出弥散分布的Co_3w_9C_4相,使Co粘结相产生强化,导致Co粘结相的平均自由程降低,从而增强了Co粘结相抵抗塑性变形的能力,提高了辐照硬质合金的耐磨性能。HIPIB辐照形成的强烈反冲应力波导致远大于离子射程深度内的材料发生屈服,通过加工硬化机制使近百μm的表层产生强化,进一步提高了辐照硬质合金的大范围表层的耐磨损性能。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG664

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