模板法纳米碳化钨粉体的合成及其在WC/Ni复合涂层中的应用研究

论文摘要

本文探索了制备纳米WC粉体的方法,以多孔碳质材料为模板,钨酸和氨水为原料,原位合成纳米WC粉体。采用非均相沉淀法对纳米WC颗粒进行Ni包裹,制成包裹粉。将不同含量的纳米包裹粉和微米级WC粉与F102粉混合,用火焰喷焊加激光重熔的工艺制备WC/Ni复合涂层,并研究了涂层的耐磨性能。研究了不同碳质材料、W/C配比、保温时间对WC粉体形貌和粒径的影响。研究结果表明:采用膨胀石墨做碳源,反应的时间比较长,且粉体中除WC外还有少量W2C的存在,而用活性炭做碳源制备的WC粉体成份比较纯,粒径比较小,大约几十纳米;当W/C摩尔比为1:2时,产物均为WC。当保温时间为90min时产物的成份比较单一（活性炭模板）,且粉体的分散性好,粒径比较小,BET分析表明粒径大小为92nm。并对实验过程进行理论分析,根据传统热力学理论,由Gibbs计算可得,在大于1200K时,该反应能自发进行,且该反应为吸热反应。通过动力学分析表明该反应主要是扩散反应。讨论了不同制备工艺对涂层组织和形貌的影响。结果表明:火焰喷焊微米WC涂层的气孔等缺陷比纳米WC涂层的少,且颗粒分布均匀;经激光重熔后涂层变得致密,但微米WC/Ni涂层表面有少量裂纹。火焰喷焊制备的纳米级WC/Ni涂层与两种工艺制备的微米级WC/Ni涂层的成份相似,主要是由γ-Ni,BNi3,WC,W2C,M6C,M23C6等相组成;但是激光重熔后的纳米级WC/Ni涂层中除了以上组成相外,还有Cr4Ni15W存在。研究了WC粒径、添加量等对复合涂层的硬度及耐磨性的影响。结果表明,当微米WC的添加量为4vol.%时,复合涂层的硬度和耐磨性能较好,激光重熔可提高微米强化涂层的硬度和耐磨性,且可将微米WC的添加量提高到6vol.%;当纳米WC的添加量为6vol.%时,涂层耐磨性较好,激光重熔可有效减少纳米WC/Ni涂层中的气孔,从而提高耐磨性能。相同的WC添加量条件下,激光重熔处理后的纳米WC/Ni复合涂层耐磨性能优于微米WC/Ni复合涂层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 WC粉体制备国内外研究现状
• 1.3 纳米WC的制备工艺
• 1.3.1 机械合金法（MA）
• 1.3.2 气流粉碎法
• 1.3.3 还原/碳化法
• 1.3.4 等离子体加热法
• 1.3.5 喷雾干燥-流化床法
• 1.3.6 其他反应方法
• 1.4 Ni包裹型复合粉末的制备及应用
• 1.4.1 Ni包裹粉的制备方法
• 1.4.2 包裹粉的应用
• 1.5 热喷涂纳米结构涂层的制备方法
• 1.5.1 高速火焰喷涂制备纳米涂层
• 1.5.2 等离子喷涂纳米结构涂层
• 1.5.3 电弧喷涂纳米结构涂层
• 1.5.4 感应加热熔覆微米和纳米结构复合涂层
• 1.5.5 热喷涂与激光重熔技术相结合制备纳米涂层
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 Ni包纳米WC粉体的制备
• 2.1 纳米WC粉体的制备
• 2.1.1 实验原理
• 2.1.2 实验原料和实验设备
• 2.1.3 实验条件及工艺流程
• 2.2
• 2.2.1 不同的碳源对WC的影响
• 2.2.2 不同的W/C比对WC粉体成份的影响
• 2.2.3 不同保温时间对纳米WC粉体的影响
• 2.3 WC粉体原位合成化学反应热力学与动力学机制
• 2.3.1 反应热力学计算
• 2.3.2 反应动力学分析
• 2.3.3 WC反应过程的动态分析
• 2.4 Ni包裹超细WC粉体的制备
• 2.4.1 实验原理
• 2.4.2 实验原料及包裹反应装置
• 2.4.3 实验条件及工艺流程
• 2.4.4 包裹粉体的性能测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 WC/Ni复合涂层的制备与组织分析
• 3.1 WC/Ni涂层的制备与试验方法
• 3.1.1 复合涂层的制备
• 3.1.2 涂层成份选择与激光重熔工艺方案
• 3.1.3 涂层组织分析
• 3.1.4 性能测试
• 3.2 镍基WC复合涂层的组织分析
• 3.2.1 纳米级WC粉体制备复合涂层的微观组织
• 3.2.2 纳米级WC/Ni涂层的成份分析
• 3.2.3 纳米级WC涂层的界面结合形貌
• 3.2.4 微米级WC/Ni涂层的组织分析
• 3.2.5 微米级WC/Ni涂层的成分分析
• 3.2.6 微米级WC涂层的界面结合形貌
• 3.3 本章小结
• 第四章 镍基WC颗粒复合涂层的磨损性能研究
• 4.1 前言
• 4.2 纳米WC颗粒体积分数对WC/Ni涂层耐磨性的影响
• 4.2.1 火焰喷焊纳米WC涂层的耐磨性能
• 4.2.2 激光重熔对纳米WC涂层耐磨性的影响
• 4.2.3 纳米WC涂层的磨损形貌分析
• 4.3 微米级WC颗粒体积分数对WC/Ni涂层耐磨性的影响
• 4.4 不同粒径WC对耐磨性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间论文发表情况
• 申请专利情况