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热等静压Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的组织及其磨损性能研究

傅丽华  
【摘要】:内燃机零部件的主要失效机制是摩擦磨损,而内燃机组件耐磨性能的好坏直接关系到内燃机的使用和运行,因此开发具有优异综合性能的耐磨材料,提高内燃机的使用寿命和工作效率是亟需解决的科学问题。Cr_3C_2增强的Ni_3Al基复合材料,具备优良的高温力学性能和耐磨性能,是一种潜在的新型耐磨材料。因此,本文利用热等静压技术制备了 Cr_3C_2含量不同的Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料,借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕、洛氏硬度仪、拉伸试验机、摩擦磨损实验仪及白光干涉等相关分析手段,对Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的微观组织、力学性能、室温和高温下的摩擦磨损行为及磨损机制进行了研究,以期为Cr_3C_2/Ni_3A1复合材料在内燃机耐磨组件中的应用提供一定的指导意义和参考价值。本论文的主要研究成果如下:(1)通过分析热等静压Ni_3Al合金和Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的微观组织和相组成表明,Ni_3Al合金主要由γ'-Ni_3Al和y-Ni固溶体组成,Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料主要由Ni_3Al基体相、M7C3(M=Cr,Fe或Ni)扩散相及Cr_3C_2硬芯相组成。在热等静压过程中,复合材料中Cr_3C_2颗粒与Ni_3Al粉末之间发生了元素的互扩散作用,且Cr_3C_2颗粒由于剧烈扩散作用发生了部分分解,而碳化物分解的区域在降温过程中再发生反应,形成了稳定的M7C3(M=Cr,Fe或Ni)结构。(2)Cr_3C_2含量对热等静压Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的微观组织组成类别影响不大,但显著影响了材料的硬度:随着Cr_3C_2含量的增加,材料的宏观硬度及基材的纳米硬度都显著提高。另一方面,随Cr_3C_2含量的增加,材料的断裂强度是先增大后减小,断裂形式由韧性断裂转变为脆性断裂,断口形貌由颗粒间剥离断裂转变为脆断特征。(3)Ni_3Al合金和Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的室温磨损机制表明:Ni_3Al合金和Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料在磨损过程中,首先在磨损表面下形成一定厚度的加工硬化层,该加工硬化层断裂、脱落后,作为磨粒对材料进行切削,造成材料的流失。其中,复合材料中的碳化物强化相能起到隔离摩擦副、阻断切削、减小加工硬化层厚度的作用,因此当Cr_3C_2含量在一定范围内时,复合材料的室温耐磨性随Cr_3C_2含量的增多而提高,但当Cr_3C_2含量过量时,复合材料的耐磨性又降低。此外,随着复合材料中Cr_3C_2含量的增多,其对对磨灰铸铁的磨损减弱,使对磨灰铸铁的体积磨损量随着复合材料Cr_3C_2含量的增多而减少。(4)200℃时,Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的磨损机制是磨粒磨损和氧化磨损共存,该条件下复合材料中Cr_3C_2的最佳添加量为12vol.%:当Cr_3C_2添加量不超过12 vol.%时,材料的耐磨性能随Cr_3C_2含量的增多而提高;当Cr_3C_2添加量超过12vol.%时,材料的耐磨性能随Cr_3C_2含量的增多而降低。350℃时,Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的主要磨损机制是氧化磨损机制,该条件下受到对磨灰铸铁高温力学性能的影响,复合材料的体积磨损量随Cr_3C_2含量的增多而增大。200 ℃和350 ℃时,随着复合材料中Cr_3C_2含量的增多,对对磨灰铸铁都有利。另外,当温度从室温升到350 ℃时,Cr_3C_2/Ni_3Al复合材料的耐磨性整体上是提高的,而对磨灰铸铁由于力学性能的降低,其耐磨性能变差。


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