【正文】 試驗(yàn)內(nèi)容 13 銅合金的熔煉與澆鑄 13 鑄態(tài)組織與性能分析研究 13 鍛態(tài)組織與性能分析研究 14 固溶處理試驗(yàn) 14 14 15 材料的組織形貌分析 18 性能測試 18 硬度 18 導(dǎo)電率 18 拉伸強(qiáng)度 19第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 23 熱處理工藝對CuCo2Be合金組織性能的影響 23 合金的鑄態(tài)組織與性能 23 合金的鍛態(tài)組織與性能 23 合金固溶組織與性能 24 合金時(shí)效組織與性能 26 等離子噴涂工藝參數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 27 Cr3C2NiCr涂層正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 27 Cr3C2NiCr涂層正交試驗(yàn)因素主次分析 30 Cr3C2NiCr涂層和界面微觀組織結(jié)構(gòu) 30 涂層顯微硬度分析 32結(jié) 論 34致 謝 35參考文獻(xiàn) 36第一章 緒 論銅既是一個(gè)古老的金屬，又是一個(gè)具有應(yīng)用前景的現(xiàn)代工程材料。 具有很好的耐蝕性能。因此，銅合金廣泛應(yīng)用于電力、電工、礦山、冶金業(yè)及機(jī)械制造業(yè)等，特別是對同時(shí)要求耐磨性、耐蝕性、導(dǎo)熱或?qū)щ姷牧慵哂胁豢商娲淖饔?。于是人們在生產(chǎn)過程中，在普通基體材料的表面上，制造一個(gè)特殊的工作表面，使其達(dá)到防腐、耐磨、抗氧化等一系列多種功能，使其達(dá)到節(jié)約材料，節(jié)約能源的目的[1]。等離子噴涂工藝是于基體材料基礎(chǔ)上的表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化和密封等性能。銅和銅合金的發(fā)展和應(yīng)用有著悠久的歷史，隨著人們物質(zhì)文化生活的提高和信息時(shí)代的到來，銅及銅合金成為人類工作和生活的中重要的基礎(chǔ)材料。銅及銅合金具有許多優(yōu)良的特性，銅以合金化種類多和化合物的形式多被人們所利用，也被深深地應(yīng)用到了生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，成為人類在21世紀(jì)飛速發(fā)展的一個(gè)不可缺少的重要金屬。在連鑄結(jié)晶器、高爐風(fēng)口、轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭、等離子加熱噴嘴等零部件中經(jīng)常使用，其一面與高溫液體或氣體介質(zhì)直接接觸，另一面與水或氣體等冷卻介質(zhì)直接接觸，是極其惡劣的工作條件。近年來，由于熱噴涂技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使得基體材料在耐磨損、耐腐蝕和絕緣性等方面性能都有了很大的改善。 熱處理強(qiáng)化工藝(1) 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化，即加工硬化，是典型的四種金屬強(qiáng)化方式之一，隨著塑性變形量的增加，金屬流變強(qiáng)度也增加，這種現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化或加工硬化。當(dāng)使材料用溫度過高時(shí)，材料將發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶過程而產(chǎn)生軟化的現(xiàn)象，而且單一的形變強(qiáng)化對合金強(qiáng)度的提高是有限的，所以經(jīng)常和其它強(qiáng)化方式一起使用。室溫下，當(dāng)基體中加入固溶度很低的元素后，經(jīng)高溫固溶后，會(huì)形成過飽和固溶體，晶格嚴(yán)重變形，強(qiáng)度得到明顯改善。時(shí)效處理后，合金元素會(huì)從基體中快速析出，形成彌散細(xì)小的沉淀相，有效阻礙晶界和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，因固溶原子引起的晶格畸變對電子的散射作用比第二相對電子的散射作用大的多，故時(shí)效后強(qiáng)度提高，而導(dǎo)電性又恢復(fù)到較高水平。合金元素對銅合金的強(qiáng)化作用主要取決于溶質(zhì)原子與銅原子的尺寸差別以及溶質(zhì)元素在銅中的濃度，而對導(dǎo)電率的影響則與固溶元素的種類和數(shù)量有關(guān)[4]。(4) 冷變形+時(shí)效強(qiáng)化冷變形+時(shí)效強(qiáng)化是目前對高強(qiáng)度高導(dǎo)電性銅的研究與開發(fā)合金較為常用的方法。在受到外力作用時(shí)，晶粒形狀的變化會(huì)隨著工件形狀的變化而變化。鑄錠熱機(jī)械處理法對時(shí)效強(qiáng)化型銅合金能對合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率能產(chǎn)生較好的效果。銅合金固溶處理后經(jīng)過冷變形+時(shí)效處理后的強(qiáng)化效果好，主要是由于合金經(jīng)過強(qiáng)烈地冷變形后晶體內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)、層錯(cuò)、空位，晶界、亞晶界等晶體缺陷增多，合金內(nèi)能增高。（5）細(xì)晶強(qiáng)化通過細(xì)化晶粒方法改善金屬材料力學(xué)性能的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，工業(yè)上常通過細(xì)化晶粒的方法來提高材料的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫條件下，細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有更高的強(qiáng)度和硬度以及塑韌性。所以工業(yè)上常通過細(xì)化晶粒的方法用來提高材料強(qiáng)度。從式中可以看出，晶粒尺寸減小的同時(shí)合金的強(qiáng)度提高。由于晶界及相鄰晶粒取向不同，這就阻礙了位錯(cuò)從一個(gè)晶粒向另一個(gè)晶粒的運(yùn)動(dòng)，晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界體積就越大，對位錯(cuò)的阻力作用就越大，材料的強(qiáng)度就越高。此外細(xì)晶強(qiáng)化在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)還可以提高材料的塑性。合金元素可以以多種形式存在于才材料基體中：在固溶體中以溶質(zhì)原子方式無序分布，與溶劑原子組成有序結(jié)構(gòu)，形成與基體不同的彌散質(zhì)點(diǎn)，并形成尺寸相當(dāng)大的復(fù)相混合物等；阻礙作用對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響是合金獲得高強(qiáng)度的直接原因。有文獻(xiàn)報(bào)道，在CuBe，CuNiBe合金中加入微量Ti可細(xì)化組織，提高銅合金的強(qiáng)度[8,9]，在CuCr、%～%的稀土銥、鑭、鈰等元素可以顯著提高銅合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電率[1012]。它是以火焰、電弧或等離子體等作為熱源，將線狀材料或粉末狀材料加熱至熔融或半融化狀態(tài)，加速形成熔滴并高速打在基體材料上形成涂層。熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用主要包括：長效防腐、機(jī)械修理及先進(jìn)制造技術(shù)、模具制作和修復(fù)、制造特殊的功能涂層等四個(gè)方面。熱噴涂技術(shù)是材料表面強(qiáng)化與保護(hù)的重要技術(shù)，利用熱噴涂技術(shù)制備耐磨涂層已經(jīng)成為主要的研究方向，以防止機(jī)械和設(shè)備零部件等發(fā)生故障，并提高其使用壽命。 （1）火焰噴涂火焰噴涂技術(shù)可以分為粉末火焰噴涂技術(shù)和絲材火焰噴涂技術(shù)兩種，其中在制備隔熱涂層的研究中多以粉末噴涂為主?；鹧鎳娮焱ㄟ^引入乙炔和氧氣，二者混合后產(chǎn)生燃燒火焰。（2）電弧噴涂電弧噴涂是通過金屬絲之間的兩根連續(xù)送進(jìn)的電弧的燃燒來熔化金屬，利用高速氣流把熔化的金屬霧化，并對霧化的金屬粒子加速使它們噴到工件表面形成涂層的技術(shù)。電弧噴涂系統(tǒng)一般是由噴涂專用電源、控制裝置、電弧噴槍、送絲機(jī)及壓縮空氣供給系統(tǒng)等組成。噴涂粉末被加熱熔化后，從而形成涂層。等離子噴涂是目前所有的熱噴涂工藝中最為方便靈活的一個(gè)，它可以產(chǎn)生足夠的能量熔化任何材料。②噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高。 等離子噴涂強(qiáng)化 熱噴涂技術(shù)是通過某種特定熱源將某些材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后在基體表面上噴上涂層，形成一層性能優(yōu)越的涂層，從而使原工件具有更加優(yōu)異的表面性能，或者是使工件獲得一種或幾種原來基體材料不具備的表面性能膜狀組織[1314]。下面我們來著重討論等離子噴涂工藝。圖 l1為等離子噴涂工作原理圖[2] 。噴槍的鎢電極 (陰極)和噴嘴 (陽極)分別接電源負(fù)極和正極 ，由高頻振蕩器引燃電弧激發(fā)，使工作氣體 (Ar或 N2)在電弧的作用下電離成等離子體。送粉流輸送粉末噴涂材料進(jìn)入等離子弧 ，并被迅速加熱至熔融或半熔融狀態(tài) ，隨等離子流高速撞擊經(jīng)預(yù)處理的基材表面 ，并在基材表面形成牢固的覆蓋層——噴涂層。根據(jù)等離子噴涂的工作原理，等離子噴涂的成套設(shè)備需由電源 、高頻振蕩器 (引弧裝置)、控制系統(tǒng) 、送粉裝置 、噴槍 、水冷系統(tǒng) 、氣路等部分組成 。 圖11 等離子工作原理圖 圖12 等離子噴涂設(shè)備組成示意 (1) 等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)[16~18]由于熱收縮效應(yīng) 、自磁收縮效應(yīng)和機(jī)械收縮效應(yīng)的綜合影響，所形成的非轉(zhuǎn)移型等離子弧通常可以獲得10000℃以上的高溫，并且熱量集中，因此可以熔化各種高熔點(diǎn)、高硬度的粉末材料；并且等離子焰流速度高達(dá)1000m/s，噴出的粉粒速度可達(dá) 180～600m/s，因此可以獲得組織致密、氣孔率低 、與基材結(jié)合強(qiáng)高、涂層厚度易于控制的噴涂層。由于等離子焰流的溫度高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂的材料非常廣泛。等離子噴涂涂層傳統(tǒng)應(yīng)用于耐磨、耐蝕（氧化）、耐高溫等領(lǐng)域，這些涂層的制備技術(shù)已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，使用熱噴涂技術(shù)可以收到很好的應(yīng)用效果[19]。為了改善界面應(yīng)力狀況， 提高涂層結(jié)合強(qiáng)度，打底層+工作層是最常用的涂層結(jié)構(gòu)。階梯涂層能使整個(gè)涂層結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)呈階梯狀， 變化趨于平緩， 能減小涂層間特別是涂層與基體間的內(nèi)應(yīng)力， 提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，涂層耐高溫、抗熱沖刷等性能大幅提高[23 ] 。如燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室等均處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕的惡劣工作環(huán)境中，承受溫度高達(dá)1100 ℃ [24]。等離子噴涂技術(shù)是制備醫(yī)用生物涂層材料的一種有效方法。輕基磷灰石的化學(xué)式為Ca (PO4)6(OH)2，簡稱H V，其化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)與人體骨骼和牙釉質(zhì)的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)相似，能與骨組織產(chǎn)生骨性結(jié)合。但多孔經(jīng)基磷灰石是脆性材料, 韌性差, 強(qiáng)度低, 難以在生物體的承載部位使用。通過摸擬體液和體液中的培養(yǎng)試驗(yàn), 證明等離子噴涂Hv / Ti 合金復(fù)合材料是一種理想的骨替代材料[27] 。Pavel Ctibor 等人[28]對熱噴涂涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量的分析，根據(jù)涂層中缺陷的特征，可以分為圓柱形的孔，片層之間的孔和垂直缺陷。描述涂層孔隙結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要參數(shù)是涂層的總體孔隙率。機(jī)械性能與孔隙率之間有一定的聯(lián)系，涂層的熱導(dǎo)率一般隨涂層孔隙率的增加而下降。因此，通過提高涂層表面的孔隙含量，以達(dá)到降低涂層熱傳導(dǎo)率的目的。在等離子噴涂過程中，由于快速淬火的影響，在涂層中會(huì)產(chǎn)生高密度的微觀裂紋。在熱循環(huán)載荷下，這些裂紋會(huì)生長，最終引起涂層分離。），并且冷卻速率較高時(shí)，與基體成30（186。Bin Zhou 和Klod Kokini[31]認(rèn)為涂層的厚度，最短的預(yù)裂紋和最長的預(yù)裂紋導(dǎo)致形成了很長的界面裂紋，預(yù)裂紋存在時(shí)的最佳狀態(tài)是使得涂層的斷裂強(qiáng)度最小。隨著新材料、新設(shè)備和新工藝的出現(xiàn)和發(fā)展， 銅及銅合金表面等離子噴涂涂層性能將會(huì)進(jìn)一步提高。研究解決涂層與銅合金基體熱膨脹系數(shù)失配以及物理性能差異過大的問題，從而提高涂層與基體的結(jié)合力和熱疲勞壽命。(2) 開發(fā)應(yīng)用的新領(lǐng)域，發(fā)展復(fù)合工藝。例如， 與熱處理工藝相結(jié)合出現(xiàn)了真空擴(kuò)散重熔和高頻感應(yīng)重熔涂滲工藝；與電鍍工藝相結(jié)合產(chǎn)生了鍍涂工藝和涂鍍工藝；采用新的能源，出現(xiàn)了激光重熔和電子束重熔等。等離子噴涂的新技術(shù)、新工藝還有待于進(jìn)一步探索和開發(fā)， 其應(yīng)用的領(lǐng)域包括在銅及銅合銅表面強(qiáng)化、改性等方面必將得到進(jìn)一步拓展。操作簡便、成本低、生產(chǎn)效率高及涂層質(zhì)量好的工藝無疑是發(fā)展的方向。目前這方面的研究相對很少，這也是今后進(jìn)行深入研究的重要方向。在使用過程中由于銅套表面直接與1475～1570℃的高溫鋼液接觸，內(nèi)表面工作條件極其惡劣，易產(chǎn)生多種形式的失效，失效的主要形式是產(chǎn)生熱裂紋、磨損、剝落、劃傷和腐蝕等。自上世紀(jì)八十年代水平連鑄技術(shù)快速發(fā)展以來，國內(nèi)外一些鋼鐵企業(yè)及研究單位，為了提高結(jié)晶器銅合金內(nèi)套的使用壽命，主要從提高銅合金內(nèi)套的材料質(zhì)量及其表面強(qiáng)化、表面改性二個(gè)方面進(jìn)行了大量研究工作。 論文研究內(nèi)容本論文主要研究內(nèi)容如下： (1) 對合金進(jìn)行熔煉、澆注、鑄造、鍛造及熱處理工藝研究。 (2) 對CuCo2Be合金進(jìn)行熱處理工藝研究，測量鑄態(tài)、鍛態(tài)試樣的硬度及導(dǎo)電率，試樣進(jìn)行固溶時(shí)效處理后，測量硬度及導(dǎo)電率，確定最佳的固溶、時(shí)效溫度和時(shí)間。 (4) 通過掃描電鏡觀察不同參數(shù)條件下涂層的形貌，并通過EDS及SEM分析涂層與基體的結(jié)合方式。本試驗(yàn)采用時(shí)效硬化態(tài)的CuCo2Be合金，成分性能如表21 所示。采用相同工藝，不同涂層材料，所得到的涂層性能也不同；同一種涂層材料，采用不同噴涂工藝，得到的涂層性能也不相同。Cr3C230NiCr復(fù)合粉末涂層堅(jiān)硬致密，是中高溫下理想的抗氧化、耐磨、耐蝕涂層，常于中高溫下的燃?xì)鉀_蝕磨損、微動(dòng)磨損、磨粒磨損、硬表面磨損等條件下使用。表22 工作涂層材料牌號名稱成分/wt%硬度粒度KF71碳化鉻鎳鉻80%Cr3C2，20%NiCr325+500目 試驗(yàn)藥品及設(shè)備 試驗(yàn)藥品氯化鐵鹽酸溶液、無水乙醇、金剛石研磨膏、燒結(jié)型復(fù)合粉、NiCrCr3C2（Cr3C2 75%、NiCr 25%）粉末、高純N高純Ar等。本試驗(yàn)使用的等離子噴涂系統(tǒng)為3710型等離子噴涂系統(tǒng)，主要設(shè)備包括HF2210型等離子噴涂專用電源，3710型控制柜，SG100型等離子噴槍，1264型送粉器，AMS3265型制冷熱交換器，螺旋空氣壓縮機(jī)等。SG100型等離子噴槍是一把可適用于許多應(yīng)用的多態(tài)噴槍。3710型控制柜可以控制兩個(gè)送粉器和用于工件冷卻等用途的輔助電路。（2）其他主要設(shè)備 本實(shí)驗(yàn)其他主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表22。將金屬材料及其它輔助材料投入加熱爐溶化并調(diào)質(zhì)，使其符合澆注鑄件要求。銅合金的熔煉與澆鑄工藝過程如下：①合金的熔煉過程合金的熔煉過程一般如下：升溫預(yù)熱坩堝→加入爐料→爐體抽真空→升溫→熔化→攪拌→保溫→放氣→打開爐蓋→撒入集渣劑→扒渣→測銅液溫