陶瓷梯度耐磨涂层中残余热应力的有限元分析_曾庆东
第25卷 第1期2003年1月
武 汉 理 工 大 学 学 报
JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
V o l.25 No.1 Jan.2003
文章编号:1671-4431(2003)01-0034-03
陶瓷梯度耐磨涂层中残余热应力的有限元分析*
曾庆东 肖金生 覃 峰 刘春晓
(武汉理工大学)
摘 要: 运用AN SY S 软件,对不同耐磨涂层试样中的残余热应力进行有限元分析,得出梯度过渡越多,涂层内的残余热应力越小。对实际工件耐磨涂层中的残余热应力进行分析,得出残余热应力主要集中在工件形状突变的地方,并对工件的设计生产提出合理建议。
关键词: 耐磨涂层; 残余应力; 有限元分析中图分类号: T B 383
文献标识码: A
收稿日期:2002-07-04.
作者简介:曾庆东(1972-),男,讲师;武汉,武汉理工大学能源与动力工程学院(430063).*武钢矿业公司重点科研项目(2000-30)和交通部重点科技项目资助(95-04-03-32).
随着陶瓷梯度涂层的广泛应用,对涂层的设计要求越来越高[1]。涂层中存在残余应力是热喷涂涂层的特点之一。它影响涂层质量,限制了涂层厚度。因此对它的研究对涂层设计具有指导意义。而所谓的残余应力是当熔融颗粒撞击基材表面,在产生变形的同时受到急冷而凝固,由于粒子冷凝收缩而产生的微观收缩应力,应力积聚造成涂层整体的残余应力。涂层中的残余热应力是由于喷涂热条件及喷涂材料与基材物理性质差异所造成的。用有限元分析法是对多种试样及实际工件中的残余应力进行了有效分析。
1 耐磨涂层试样中残余热应力的有限元分析
试样为轴对称模型[2],半径为10mm 、厚度为22.5m m 的圆柱形金属基体,在基体上喷涂1m m 的陶瓷梯度耐磨涂层。基体为HT200材料,金属组分选择镍铬铝合金(NiCr /Al),陶瓷组分分别为碳化钨(W C)和氧化铝(Al 2O 3)两种方案,每种方案均采用两种涂层结构如表1所示,因此有4种计算方案。各材料的物性参数如表2所示。
AN SY A 计算残余热应力时,采用负热膨胀系数法[1]
,试样的边界条件为涂层表面温度1200℃,基体底部温度200℃。所有涂层试样模型的两端面都是第一类边界条件,圆周侧面绝热。
方案1为陶瓷材料采用氧化铝(Al 2O 3),结构编号为1,方案2为陶瓷材料采用氧化铝(Al 2O 3),结构编号为2,方案3为陶瓷材料采用碳化钨(W C ),结构编号为1,方案4为陶瓷材料采用碳
化钨(W C),结构编号为2。4种表1 耐磨涂层结构方案
结构编号
涂层类型
各组分体积分数/%
NiCr /Al
陶瓷(W C /Al 2O 3)
各层厚度/mm 涂层厚度/mm
1
粘结底层
10000.1过渡层层166.733.30.3层23366.70.3纯陶瓷层01000.3 1.0
2粘结底层
10000.1过
渡
层
层180200.2层260400.2层340600.2层420800.2纯陶瓷层
100
0.1
1.0方案计算结果见图2。由图2可知,在基体内,残余热应力几乎为0,在涂层内梯度过渡越多,残余热应力越
图1 试样网格划分图
小,氧化铝涂层残余热应力比碳化钨涂层的小。
表2 耐磨涂层材料的物性参数
材料k
/[W (m ·℃)-1]
E /G Pa T /10-6℃-1
_灰口铸铁(HT200)
48.1
9511.00.3镍铬铝合金(NiCr /Al )15.018010.70.23氧化铝(Al 2O 3)8.44307.00.23碳化钨(W C)
8.6
600
4.9
0.26
2 耐磨涂层工件中残余热应力的有限元分析
渣浆泵在矿山机械中得到了广泛的应用。由于矿粉颗粒的冲刷、摩擦和腐蚀的作用,渣浆泵的叶轮和壳体等过流部件的磨腐非常严重,造成机械效率下降甚至失效[3]。在渣浆泵过流部件上喷涂碳化钨耐磨涂层,可降低生产成本。对渣浆泵前护板耐磨涂层中残余应力进行有限元分析[4]如下。
由于前护板是轴对称模型,故利用AN SYS 建模时,采用轴对称模型,并以Y 轴为对称轴,Y 轴与前护板
的轴心重合,模型左下角节点的坐标为97;实际运行中,凸台和筋板不受粒子的冲击,故将其简化掉;考虑实际加工过程,将尖角转化成圆角。采用镍铬铝合金为粘结材料,其厚度为0.1mm;碳化钨作为耐磨涂层材料,并用5层梯度过渡,每层厚度依次为0.2mm 、0.2mm 、0.2m m 、0.2mm 、0.1m m 。网格划分如图3所示
。
图2 4种涂层试样中残余热应力比较
图3 前护板网格划分
计算残余热应力时,其边界条件为纯陶瓷层外表面加载温度为1000℃,基体层内表面采用第3类边界条件,即环境温度为20℃,对流换热系数为10W /K 。在工件的不同部位,分别取了5条路径,如图4所示;画出这5条路径上在涂层内节点的应力比较图,如图5所示。
从图6可以看出,在涂层与基体结合处,残余应力较大。比较这4个图可以看出,Pa th 2路径上节点的应力较大,其最大值超过1500M Pa ,这是由于Pa th2处于工件形状变化较大处。受其影响,Path 1和Path 3路径上节点的应
力也相对较大,并且由于Pa th3路径上有拐点,故其最大应力大于Pa th1路径上的最大应力,其最大值分别为48M Pa 和280M Pa 左右。Path5路径上因为有尖角,其应力也较大,最大值约为160M Pa 。从图6可以看
出,在涂层内,Path 1、Path 4路径上节点的应力和应力变化较小,Path 3和Path 5路径上节点的应力和应力变化较大,Path 2路径上节点的应力和应力变化最大,其原因同上分析,也是由于拐点所引起。
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第25卷 第1期 曾庆东等:陶瓷梯度耐磨涂层中残余热应力的有限元分析
图4 计算结果路径分析图 图5 5条路径在涂层内的节点的应力比
较图
图6 各路径上节点的残余热应力
3 结 论
a.通过对同材料、不同梯度过渡的试样进行比较分析可以看出,相同耐磨涂层材料,梯度涂层过渡越多,残余热应力越小,因此,在对工件进行耐磨涂层设计时,采取多层梯度过渡效果更好。
b .渣浆泵前护板耐磨涂层中残余应力,在工件形状突变的地方,残余热应力很集中。在材料物性参数突变的地方残余热应力较大。
参考文献
[1] 肖金生.陶瓷/金属梯度热障涂层的研究[D ].北京:清华大学,1998.
[2] 张 本.陶瓷/金属梯度耐磨涂层的实验研究[D ].武汉:武汉理工大学,2001.
[3] 沈得久,王玉林,于金库等.提高渣浆泵涡壳材料耐磨性的实验研究[J].矿山机械,1997(9):33～34.[4] 曾庆东.陶瓷/金属梯度耐磨涂层中残余热应力的有限元分析[D ].武汉:武汉理工大学,2002.
(下转第55页)
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武 汉 理 工 大 学 学 报 2003年1月
Stress Analysis of Beam Body Structure on Elastic Foundation
X iang Musheng Ke Zunli Fan J ianhai G uan Aijun
Abstract
: The deflectio n curv e differ ential equatio n of beam bo dy structur e o n elastic founda tio n is solv ed,r ela tio nship of va ria bles betw een its inter na l fo rce a nd coefficient of elastic founda tion is fo rmula ted .Creep o f concre te producing effec t on
str ess o f beam bo dy structure is a naly zed .For instance o f the co nstr uc tion o f a concre te beam on ela stic founda tio n ,eno ugh stiffness o f elastic founda tion must be co nst ructed,so that the beam body is ensur ed not to split during the co nstructio n.Thr ough discussion of limit stiffness and flexible fo undatio n,those r esults a re accor ded with primar y str uctur e a na ly sis theo -ries .Acco rding to stress test and so lutio n theo re tica lly ,it is v ery impo r tant to co nstruct ra tional mo del of finite element anal-ysis .
Key words : highw ay bridge ; bea m bo dy str uctur e ; str ess analysis ; elastic fo undatio n
Xiang Musheng : Assoc.Pro f.,Scho ol of Co mmunica tio n,W U T ,W uha n 430063,China.(上接第36页)
Finite Element Analysis of Residual Thermal Stress in Ceramic
Gradient Wear -resistant Coatings
Zeng Qingdong X iao Jinsheng Qin Feng Liu Chunx iao
Abstract
: Residual the rmal str ess of different types o f coa ting s is a nalysed by finite element metho d with AN SYS so ft-wa re,a nd enginee ring w o rk is modeled and calcula ted.The result sho ws that the mo re the tra nsie nt laye r there ar e,the less r esidual therma l stress the co ating has ;and the str ess will be ex tr emely la rg e w here the sha pe of the specime n cha ng es g r ea t-ly .Finally ,sugg estio n is pr oposed for the optima tio n desig n o f eng ineering w o rk .
Key words : wea r -resistant coa ting ; residual th ermal str ess ; finite element ana ly sis
Zeng Qingdong : L ect.,Scho ol of Energ y &Po w er Enginee ring ,W U T,W uhan 430063,China.(上接第45页)
Test of MR Damper and RBF N etwork Model
Tu J ianwei Qu W eilian Zou Chengming
Abstract
: M R da mpe r is a semi-activ e co ntro l device,w hich utilize M R fluid to g ene rate fo rce.Because o f its low energ y r equir ement and la rg e fo rce ,it has been r esea rch ed ex tensiv ely.It is necessar y to desig n a n accurate model o f M R damper be-fo re dev elo p effect co nt rol arithmetic .In this paper ,a self -dev eloped M R damper is tested ,a nd th en ,esta blish the RBF net-wo r k model of the M R damper .Co mpa ring the result o f imita tion a nd tha t o f test ,it ca n demo nstrate that RBF ne two rk mod-el can describe the fo rwa rd and inv erse charac ter o f th e M R damper accurately.
Key words : M R damper ; RBF netw or k ; mo del
Tu Jianwei : Docto r Student ,Schoo l o f Civ il Engineering and Architecture ,W U T ,W uha n 430070,China .
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第25卷 第1期 向木生等:弹性基础上梁体结构的应力分析
不锈钢表面金属陶瓷涂层技术
摘要 近年来，随着现代化工业的不断进步与发展，人们对于材料的性能要求越来越高，其中较为重要的一点便是材料的耐磨性。众所周知，磨损现象不论在科研实践还是日常生活中都是很常见的，并且若不及时更换调整便极有可能造成严重的安全事故。因此，如何提高易磨损材料的耐磨性能便显得尤为重要。 锌锅沉没辊是热浸镀锌设备中一种重要零件，我国锌锅沉没辊的辊轴与辊套需要从国外进口，不仅价格昂贵而且磨损严重，平均一周就需要更换一次设备，导致轧制的成本很高。所以锌锅沉没辊辊轴与辊套的耐磨性是一个越来越受到重视的问题。本设计旨在制备316L不锈钢表面的耐磨陶瓷涂层来缓解锌锅沉没辊的辊轴与辊套过于严重的磨损，以此延长锌锅沉没辊的辊轴与辊套的寿命，提高生产效率。 我们通常用表面合金化、表面形变强化、表面涂层强化等方法来提高材料耐磨性。本设计借助钎涂原理，分别以氧化铝和碳化钨作为陶瓷增强相材料，Ni82CrSiB合金为钎料，利用真空钎涂的方法制作出较为耐磨的陶瓷涂层，从而达到提高不锈钢表面耐磨性的要求。试验结果表明：氧化铝与钎料的润湿效果不够理想，在涂层中没能发现氧化铝相，即以氧化铝作为陶瓷增强相材料无法达到预期目标；而碳化钨颗粒在涂层中分布较均匀，涂层表面光滑，有金属光泽，并且与不锈钢表面冶金结合良好，硬度达到了不锈钢基体的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。 关键词：金属陶瓷涂层；钎涂技术；硬度
Brazing Process of Metal-ceramic Coating on Stainless Steel Abstract In recent years, with the continuous progress and modernization of industrial development, people are increasingly demanding high-performance materials, one of the important points is the wear resistance. As we all know, the wear phenomena both in research and practice is still very common in daily life, and if not timely replacement of adjustments it is very likely result in serious accidents. Therefore, how to improve the wear resistance of the material is particularly important. The zinc pot sink roll is one of the important parts of hot dip galvanizing equipments. The bush of zinc pot sink rolls needs to be imported from abroad, and it is not only expensive but also badly worn., it needs to be replaced once per week, and that would lead to the high cost of rolling. Therefore, the wear resistance of the zinc pot sink roller bearing is a question with more and more attention. This design is in order to prepare the surface of 316L stainless steel wear-resistant ceramic coating to solve the zinc pot sink roll shaft and insert wear too serious problem to extend the life of the equipment and The main methods of improving the wear resistance for material are surface strain hardening, surface alloying, surface coating strengthened and so on. In this design, we use the braze coating principle, and make the Al2O3 and WC as ceramic reinforcement materials, Ni82CrSiB as the brazing. The method of using the vacuum braze coating to produce more wear-resistant ceramic coating, so as to improve wear resistance of the stainless steel surface requirements. The results showed that: The wetting effect of Al2O3 and brazing filler is not satisfactory, and we could not find alumina phase in the coating, that is to say, Al2O3 as the ceramic reinforcement materials can not achieve the desired goal. However, WC particles in the coating are distributed more evenly. The coating surface is smooth, with a metallic luster, and it is a good metallurgical bond with the stainless steel surface. Its hardness is more than 6 times the stainless steel substrate, and it can be required to improve the wear resistance. Key Words：metal-ceramic coating; braze coating process; hardness
耐磨陶瓷涂料施工方案(1)
耐磨陶瓷涂料施工方案 1、工程概况 本工程为防磨工程。本项目要求采购143平米的耐磨陶瓷涂料及工程施工，要求20年月15日前完成全部工作。 2、施工前准备 合同签订后，公司采购部立即组织材料进场，要求7天内全部材料采购齐全并运至项目现场，生产部于合同签订的同时安排项目经理进入现场，解决施工人员的吃住问题，并组织人员根据合同进度进入现场，项目经理亦同时组织施工工器具、脚手杆、脚手板进场，现场要建立简易仓库，存放工器具材料，同时组织人员会同业主、监理单位接货、验货。 3、施工程序及方法 3.1开工应具备的条件 3.1.1本项目需要的材料全部进场并验收合格 3.1.2本工程需要的工器具及脚手架已经到现场，焊机及搅拌机能够投入使用 3.1.3本工程需要的人员全部到达现场，预计5人 3.1.4编制技术方案，并对参加施工的人员进行技术交底 3.2施工方法 3.2.1检查环境温度 施工期间，施工地点的气温须控制在5℃至40℃之间，如气温过低时，材料本身及施工区域则须加温至5℃，直到耐磨涂料涂抹完毕为止。但应避免在直接日晒或强风状况下施工，以防止耐磨涂料表面的迅速干裂。 3.2.2进行表面处理 a.将要进行的防磨设备表面清理干净，采用钢刷反复擦磨至底层的骨材结构暴露形成板结 体。 b.将表面松动的物质及杂质完全清除。 3.2.3焊接钢筋(也可以不适用钢筋) 先在施工面上每间隔200mm－300mm横向焊接8＃钢筋，形成骨架，焊接钢筋时的焊点距离为200mm，对称双面焊接、焊缝长度5mm。采用J422焊条（焊后除渣）。其焊点抗拉强度平均值为：420Mpa抗压强度平均值为：550Mpa。
金属陶瓷
金 属 陶 瓷 材 料 2014级材料一班 王倩文 1430140512
目录 一、金属陶瓷的定义 (3) 二、金属陶瓷的特点 (4) 1.金属对陶瓷相的润湿性好。 (4) 2.金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应 (4) 3.金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不会过大 (4) 三、金属陶瓷的行业现状 (5) 1.中国硬质合金工业产业分布、生产企业和研发机构 (5) 2.碳化钛基金属陶瓷 (5) 2.1 切削加工领域的应用 (6) 2.2 航天航空工业方面的应用 (6) 2.3 其他方面的应用 (7) 3.碳氮化钛基金属陶瓷 (8) 3.1 Ti(C,N)基金属陶瓷组分和成分设 (8) 3.2 晶粒细化 (9) 3.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的应用 (9) 4.三元硼化物金属陶瓷 (10) 四、金属陶瓷的发展趋势 (11) 1.新材料的研究与开发。 (11) 2.超细晶粒和纳米级金属陶瓷。 (12) 3.梯度金属陶瓷的应用开发。 (12) 4.金属陶瓷回收再利用问题。 (12) 5.基础研究的发展。 (13)
材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和得以发展的重要物质基础。正是材料的使用、发现和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。当今世界，能源、信息、材料已成为人类现代文明进步的标志，继金属、有机高分子材料以后，金属陶瓷材料正以其卓越的性能、繁多的品种和广泛的用途进入各行各业，其发展之快，作用之大，令世人瞩目。金属陶瓷材料具有比强度高、比模量高、耐磨损、耐高温等优良性能，在众多场合已被作为新材料的代名词，成为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的物质基础，也是发展现代国防所不可缺少的重要部分，引起了世界各国尤其是发达国家的高度重视，纷纷投入巨资进行研究开发，把金属陶瓷材料作为本国高技术发展的一个重要领域。 一、金属陶瓷的定义 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词Cermets来，是由Ceramic（陶瓷）和Metal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。由于“金属陶瓷”和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线，从材料的组元看，“硬质合金”应该
耐磨陶瓷涂料在水泥设备上的应用
耐磨陶瓷涂料在水泥设备上的应用 摘要:耐磨陶瓷涂料在水泥设备上的应用 在水泥厂中，有很多设备和管道要受到有腐蚀作用的散状物料的冲刷而引起磨损。据统计，水泥行业因磨损而引起的停机时间占总停机时间的50%～55％。设备磨损问题已经成为决定一个水泥企业高效运营的至关重要的因素之一。目前，我国的耐磨材料整体消耗平均约为500g/t水泥，与发达国家整体<200g/t水泥相比还有较大差距。因此，提高水泥设备相关零件的耐磨性，降低耐磨材料的消耗，大幅度提高耐磨件的使用寿命，对提高设备运转效率，降低生产成本，节约资源和能源具有重大的意义。当前，一种命名为耐磨陶瓷涂料的新型材料应用于水泥设备的维护中，取得了较好的使用效果。 一、耐磨陶瓷涂料的特点 耐磨陶瓷涂料是一种非金属胶凝材料，它是采用耐酸和耐碱的人工合成原料，经严格的工艺配比和先进的无机聚合技术制成的一种粉状陶瓷材料。在施工现场，将特制液体无机胶水加入这种材料，采用人工或机械方式涂抹在设备内衬或表面，经过一系列的化学反应，在常温下3天后达到陶瓷的结合强度和硬度，故命名为耐磨陶瓷涂料。其特点是： （1）具有极高的机械强度和刚度。陶瓷耐磨涂料主要由耐磨骨料和结合系统组成，密度非常大，无大的宏观缺陷，强度可达130MPa，是一般混凝土和耐火浇注料无法企及的，主要是采用了离子化合物和部分人工合成共价化合物，其离子键结合牢固，所以强度和刚度很大，可有效抵御物料的冲击力和剪切应力。而结合系统由于采取复合强化措施和特殊处理，形成化学结合，致使其强度很高。 （2）具有优良的韧性和抗震性。由于陶瓷耐磨涂料采用无定向钢纤维和定向网状增强措施，通过耦合进一步改善韧性，所以断裂韧性强，可有效防止冲击力造成的破损和剥落。另一方面，由于离子键和其共价键为强结合键，键能比较高，低温对其影响很小，而且它的振动频率极高，常温难以对其构成威胁，不会产生热震损毁。 （3）整体性好。由于耐磨陶瓷涂料采取了双重补强措施，有的甚至采取了多种补强措施，有效地改善了材料性能，而且陶瓷材料低的膨胀系数，使其体积稳定，不可能产生裂缝，因而整体性好，另外施工为整体施工，无接缝出现，因而整体性进一步提高。 （4）环境相容性好。由于采用了耐酸和耐碱的人工合成原料，不会和矿渣发生反应，同时由于这种材料多为高温合成原料，晶体发育好，结构完整，环境温度不会对它造成大的影响，属环境惰性材料，因而对环境敏感性差。 （5）无环境污染。耐磨陶瓷涂料为无机非金属材料，主要成分为硅酸盐，和地球岩石圈成分相近，不会造成土质恶化和重金属离子污染，不会影响生态环境，是
MOCVD法制备金属陶瓷功能梯度材料的研究
第30卷 第4期西南师范大学学报(自然科学版)2005年8月Vol.30 No.4Journal of S outhwest China Normal University(Natural Science)Aug.2005 文章编号:10005471(2005)04068205 MOCV D法制备金属陶瓷功能梯度材料的研究① 章娴君1, 郑慧雯1,2, 张庆熙1, 王显祥3 11西南师范大学化学化工学院,重庆400715;21巴蜀中学,重庆400013; 31四川农业大学生命科学与理学院,四川雅安625014 摘要:利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法,以Mo(CO)6,Si(OC2H5)4为物源,在Al2O3陶瓷基片上制备了金属陶瓷功能梯度材料,并用XPS,XRD,SEM等技术对其成分分布,物相组成和表面形貌进行测试和表征.结果表明:材料的组成沿厚度方向呈连续梯度变化,符合功能梯度材料的变化规律. 关 键 词:功能梯度材料(F GM);金属有机化学气相沉积(MOCVD);X射线光电子能谱(XPS);表面形貌 中图分类号:TB34文献标识码:A 金属陶瓷功能梯度材料(F GM)是针对高温、热循环和大温度落差的工作条件而开发的一类新型超耐热材料[14].材料一侧为耐高温、耐热冲刷特性的陶瓷材料,另一侧为具有高强度、高韧性的金属材料,其间为金属/陶瓷过渡层.由于材料微观结构沿某一个或某几个特定的方向呈连续变化,从而消除了由于金属和陶瓷物性参数的巨大差异而在材料内部产生的热应力界面,达到缓和热应力和耐热隔热的目的.因而,金属陶瓷功能梯度材料(F GM)是一类很有希望用于宇航、核能等高技术领域的新型复合材料[5].目前国内外已制备出的金属/陶瓷F GM有TiN2TiC,ZrO22Ni,TiAl2Cu,ZrO22Ti6Al4,SiC2Al,TiC2Ni,YSZ2 Ni,YSZ2Ni2Nb等[6].但还未见用化学气相沉积的方法制备Mo/SiO2功能梯度材料的相关报道. 本文以Mo(CO)6,Si(OC2H5)4为物源,采用功能梯度材料(F GM)的设计思想,利用MOCVD技术,通过改变沉积温度,沉积气压和反应气源中各组分的成份比来调节和控制薄膜的组织和成份,使之发生连续变化来制备Mo/SiO2功能梯度材料,并以XPS,XRD,SEM等技术研究该材料的成分分布,物相组成和表面形貌. 1 实 验 111 材料的成分设计 SiO2和Mo的热学和物理性能如表1.由表1可见,SiO2和Mo物理性质相差很大,尤其是热性能不匹配,会使不连续的梯度层间产生很大热应力.采用功能梯度材料(F GM)的逆设计思想,能获得合理组分构成的梯度层设计,有利于材料结构性能的平缓过渡,即可解决上述难题.设计中,假定Mo/SiO2功能梯度材料由5层组成,每层梯度材料是由均匀的SiO2和Mo构成,表面层为纯金属Mo,最底层为纯陶瓷SiO2,中间为过渡层.采用公式C=(x/d)p计算不同梯度层各成分的含量[7],其中:C为体积分数,x为各梯度层与表面层之间的距离,d为样品的厚度,p为成分分布指数.在本实验中,经理论分析p=1为最佳取值,计算所得各梯度层的最佳成份分布如图1所示. ①收稿日期:20040725 基金项目:重庆市攻关资助项目. 作者简介:章娴君(1944),女,四川成都人,教授,主要从事有机新材料研究.
梯度功能材料讲稿
梯度功能材料 一、引言 许多结构件会遇到各种服役条件，因此，要求材料的性能应随构件中的位置而不同。例如，民用或军用刀具都只需其刃部坚硬，其它部位需要具有高强度和韧性；一个齿轮轮体必须有好的韧性，而其表面则必须坚硬和耐磨；涡轮叶片的主体必须高强度、高韧性和抗蠕变，而它的外表面必须耐热和抗氧化。诸如此类，可以发现现在应用的许多材料都是属于这个范畴。众所周知，构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中，无论该应力是内部的还是外加的。但人们同样知道，如果从一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大地降低。为了减少材料的应力集中，提高材料的性能，人们发展了一种新型的功能梯度材料(Functionaily Gradient Materials，简称FGM)。虽然FGM 产生的时间不长，但很快引起世界各国科学家的极大兴趣和关注。日本、美国、德国、俄罗斯、英国、法国、瑞士等许多国家相继开展FGM的研究。其应用已扩展到宇航．核能源、电工材料、光学工程、化学工业、生物医学工程等各个领域中。 二、梯度功能材料的发展 梯度功能材料(FGM)是一种集各种组分(如金属、陶瓷、纤维、聚合物等)一体的新型材料，其结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能。 梯度功能材料其实早就出现在自然界中。神奇的大自然早制造出多种梯度材料。例如，竹子是一种典型的梯度功能材料，人类和动物身体中的骨骼也是一种梯度材料，其特点是结构中的最强单元承受最高的应力。但是，在生命体中的梯度结构与人造梯度结构之间存在很大的差异。有生命的“FGMs”也是“有智能的”，它们能够感受所处环境的变化(包括局部的应力集中)，产生相应的结构修改，而人造梯度材料至少在目前还缺乏这种功能。 人造梯度功能材料并不是新的事物，只不过人们没有意识到而已。人类制造的钢制器件实质就是一种功能梯度材料。1900年，美国的伍德用明胶作成了光折射率沿径向连续变化的圆柱棒，称之为梯度折射材料。由于制作工艺没有解决，未能得到实际应用，没有引起人们的注意。1969年，日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制成玻璃梯度折射棒材和光纤，达到了实用水平，梯度折射率材料的研究才迅速发展起来，研究的国家也从美国和日本扩展到二十几个国家。 1972年，Bever和Duwez提出了功能梯度这个概念。功能梯度材料作为一个规范化正式概念于1984由日本国力宇航实验室提出。由于航天飞机中，燃烧室内外表面的温差达到1000K以上，普通的金属材料难以满足这种苛刻的使用环境。一系列政府报告论述了日本在以太空飞机为重点的航天研究中所预计的材料需求，结论是鉴于对高温结构件的许多严格要求，需要在结构中仔细地引入成分和微观结构梯度，不但能最全面地利用已有材料去生产所需要的构件，还能避免由于外加应力或温度变化而在不同材料的锐利界面上引起的应力和(或)应变集中。1987年，日本平井敏雄、新野正之和渡边龙三人提出使金属和陶瓷复合材料的组分、结构和性能呈连续性变化的热防护梯度功能材料的概念。同年，日本科技厅制定了有关FGMs的一项庞大计划，主要研究一边处于冷却而另一边处于炙热环境下的部件的特殊要求。1990
陶瓷_金属梯度热障涂层圆筒的传热与热应力有限差分分析
第26卷 第3期2002年6月 武汉理工大学学报(交通科学 与工程版 ) Journal of Wuhan University of Technolo gy (T r anspo rtat ion Science&Engineer ing) V ol.26 N o.3 June2002 陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的传热 与热应力有限差分分析* 刘 杰 肖金生 覃 峰 崔东周 (武汉理工大学能源与动力工程学院 武汉 430063) 摘要:推导了多层陶瓷梯度涂层圆筒模型的温度和热应力分布,对变物性材料的差分解法进行了 分析,并与实际的工程模型进行了对比计算,有限差分解和有限元解能够很好地吻合. 关键词:热障涂层;功能梯度材料;有限差分;热应力 中图法分类号:U664.12;O241.84 基于提高内燃机的经济性和可靠性的考虑, 近年来陶瓷/金属梯度热障涂层及其在内燃机中 的应用研究受到了广泛的重视[1,2].梯度热障涂层 可充分利用两种材料的优良特性,提高内燃机性 能.但涂层在交变热应力作用下仍易脱落破坏,所 以研究涂层工作条件下不同时刻不同涂层材料的 热应力分布有重要的意义[3],文中着重对热应力 的差分解与解析解、有限元解进行比较研究. 1 陶瓷/金属梯度热障涂层圆筒的 传热分析 1.1 陶瓷/金属梯度热障涂层的多层圆筒模型 图1所示为涂层在内的四层圆筒模型,层1 为纯陶瓷层,层2为陶瓷/金属梯度层,层3为过 渡金属层,层4为基体金属层.采用柱坐标系,r 为径向,z为轴向. 1.2 陶瓷/金属梯度圆筒传热分析的解析解 对图1所示的四层圆筒模型,假设圆筒为无 限长,两端绝热,且处于稳态温度场中.所以圆筒 内各点的温度T与z及时间t无关.由傅里叶热 传导方程写出多层圆筒模型的稳态热传导方程为 d d r [r i(r) d T i(r) d r ]=0 R i-1≤r≤R i,i=1,2,3,4( 1) 图1 陶瓷梯度涂层的多层圆筒模型 将圆筒沿半径方向分成n个薄层,各层厚度 任意,但要求每层内的物性可近似取为常数.假设 内边界的表面传热系数为h a,流体的温度为T f a; 外边界的换热系数为h b,流体的温度为T f b.如果 是第一类边界条件,可将相应的换热系数取为近 似无限大即可.因为每层可以认为是均质的,所以 导热系数在每一层内是常数.设第i层的导热系 数为 i,则由各层界面间的热流连续条件,可导出 圆筒模型内的温度分布为 T(r)=T f a+A(T f b-T f a)( 1 R0h a + ∑s i=1 ln(r i/r i-1) i+ ln(r/r s) s+1)(2)式中 A=[ 1 R0h a+ ∑n i=1 ln(r i/r i-1) i+ 1 R4h b] -1 收稿日期:20020401 刘 杰:男,25岁,硕士,主要研究领域为陶瓷/金属梯度热障涂层、轮机工程仿真与CAD *交通部重点科技项目资助(批准号:95040332)
耐磨陶瓷涂料施工技术方案--中英版
V ALOR耐磨料施工技术方案 V ALOR Wear-resistant Material Construction Technology Program 编制原则 Construction Principles 本施工设计编制的原则是本着从工程的实际情况和具体条件出发，在过程中合理的组织施工，科学的进行管理来完成耐磨陶瓷涂料的工程项目的施工作业。为了确保施工质量和施工周期及安全，本施工方案严格要求施工现场做到工序、质量、安全严格把关。优化管理，组织安全文明施工. 我们相信，只要精心组织、严格管理、周密安排，一定能短时间内保质保量完valor耐磨陶瓷涂料的施工任务，确保做到优异的耐磨陶瓷涂料安装工程。 The construction design is in line with the principles of the actual situation from the project and specific conditions, to complete the resistant ceramic coating projects construction work by the reasonable organization and scientific management. In order to ensure construction quality, cycle and safety, this construction program requires the construction site for the strict process, quality, safety, the optimal management, organization safe and civilized construction. We believe that the good organization, strict management and well-arranged will ensure to complete valor resistant ceramic coating of construction tasks with quality and quantity within a short time, to ensure that the wear-resistant ceramic coating to achieve excellent installation. 安全文明施工管理 Safe and Civilized Construction Management 一、安全管理总则General Principles of safety management 1、贯彻执行“安全第一，预防为主”的生产方针，提高安全施工管理水平，保证职工及valor产品 在作业过程中安全和健康。 According to "safety first, prevention first" production principle and improve construction safety management, so as to ensure staff and Valor products safety and health in operation. 2、完善安全管理体制，建立健全安全管理机构，安全管理制度和安全施工制度。 Improve the safety management system, establish a sound security management institutions, construction safety management system and security system. 3、本措施依据工程现场及valor产品安全生产管理条例。 The measures are based on the site situations and Valor product safety regulations.
功能梯度材料分层法研究
功能梯度材料分层法研究 摘要 功能梯度材料具有随空间位置呈梯度变化的材料属性，这一性能引起了材料科学家和工程师研究的兴趣。基于分层法，将功能梯度材料平面结构划分成若干层，每层的材料参数按函数形式变化。在此分层模型基础上得到同一层的材料参数为常数，然后各层按照常规的有限元方法进行网格划分，建立有限元模型进行功能梯度材料平面结构的力学分析。通过设计组分材料弹性模量的三种工况，讨论了弹性模量梯度系数对有限元计算结果的影响，有一定的误差。 于是引入线性分层法，该模型基于任意一条连续曲线可用一系列的分片连续直线段来逼近的事实，将梯度材料层分成若干子层，在各子层界面处材料参数连续并且等于实际值。将此模型应用于实际问题推导，我们发现与指数模型结果吻合的很好。 关键词：功能梯度材料；分层法；梯度系数；线性分层法 1 FGM研究背景 FGM概念是在1984年前后，由在日本仙台地区的二位材料科学家，日本航天技术研究所的新野正之博士、东北大学的平井敏雄教授和渡边龙三教授首先提出的。当初提出FGM概念的目的是为了解决在设计制造新一代航天飞机的热保护系统中出现的许多问题。据估计，航天飞机工作时，机体外部有些部位最高温度将达1800℃，因此对航天飞机表面的材料要求是要能耐高达1800℃的温度和1600℃的温度落差。已知的工业材料没有能忍受如此苛刻的热机负载的，能用于这种环境条件的材料必须具备以下三个特征:材料的高温表面层能耐热和抗氧化,低温侧具有力学韧性及整个材料中能有效地缓和热应力。面对这种材料要求,FGM这一新概念被提了出来。 这种新材料的高温侧是能耐热的陶瓷,低温侧是具有高热导率的韧性金属,并具有从陶瓷到金属的梯度成分变化。这种FGM的特征其热膨胀系数可以通过控制两个表面之间的成分、微结构、微孔的比率来加以调节。FGM概念一提出就受到日本和世界材料界的高度重视。日本科技厅授予此概念的发明者特别奖。FGM也被列入各种国际国内会议的报告范围。 1.1 FGM定义及原理
龟甲网结合耐磨陶瓷涂料应用
龟甲网结合耐磨陶瓷涂 料应用 Revised as of 23 November 2020
龟甲网结合耐磨陶瓷涂料应用 耐磨陶瓷涂料，主要运用于水泥行业的立磨选粉机及立磨出口至收尘器管道、四列收 尘器、下料漏斗、下料溜槽、篦冷机及点收尘器钢管，c1旋风简出风风管及弯道，窑 头及窑尾煤粉输送耐磨直管及弯头，高温风机机壳及进出风管，循环风机机壳及进出 风管。该产品还可以用于国防、石油、化工行业等各种高、低温设备的关键耐磨防腐 处理层，是替代现有的耐磨陶瓷片、耐磨钢的新一代理想材料，解决了各行业因风选 磨蚀、冲击磨蚀、部件频繁停工检修。 JINCHENG系列耐磨陶瓷涂料是一种胶凝材料，由于原料采用特殊的处理方法和严格控制组成，通过一系列的化学反应，使其能在常温下形成极高的强度及硬度，达到陶瓷的结合强度标准，故称陶瓷耐磨涂料。耐磨陶瓷涂料主要由骨料和超细结合粉两种相组合，颗粒紧密堆积没有较大的宏观缺陷，其常温强度可达150MPa以上，特殊产品更可达280MPa。原料采用强结合键的离子化合物和人工合成共价化合物，兼之复合强化措施和特殊的化学结合，所以强度和刚度很大，可有效抵御物料的高速冲击力和剪切应力。 耐磨陶瓷涂料采用纤维增韧和颗粒增强的复合强化措施，并加入金属钢网，形成网状长纤维增强，进一步耦合强化整体韧性和抗震性，从而增强使用可靠性，有效防止冲击力造成的破损和剥落。另外，多重的补强措施也有效地改善了力学性能，材料的低膨胀系数使其体积稳定，极少产生裂纹，因而整体性能优异。加上无接缝的施工方法，使其整体性进一步提高。由于采用耐酸和耐碱的人工合成原料，性能稳定，不会和介质发生反应，同时原料多为高温合成材料，晶体发育好，结构完整，不受环境因素的影响，是最好的惰性材料之一，因而可有效抵御环境介质作用和各种化学腐蚀。耐磨陶瓷涂料为无机非金属材料，主要成分为硅酸盐，和土壤组成相近，不会造成土质水劣化和重金属离子污染，从而影响生态环境，因此属于绿色环保产品。 耐磨陶瓷涂料在各行业中的使用部位水泥行业 序号具体应用部位备注 1 立磨出风口至旋风筒或收尘器风管 2 立磨上、中、下壳体及底板 3 立磨上锥体、下锥斗及入料溜槽 4 立磨选粉机壳体 5 立磨密封风管 6 生料组合选粉机进风管道及旋风筒壳体 7 所有旋风分离器壳体及进出风管包括旋风简
梯度功能材料
题目：梯度功能材料 报告人: 朱景川教授 时间：2006年5月13日 8：30-11：30 近年来,材料科学获得了突飞猛进的发展。究其原因,一方面是因为各个学科的交叉渗透,引入了新理论方法及实验技术;另一方面是因为实际应用的迫切需要而对材料提出了新的要求。功能梯度材料(functionally gradient material ,FGM) 即是这方面一个很好的事例。它是近年来在材料科学中涌现出的研究热点之一。下面综述了这方面的研究现状,同时对其将来可能的发展趋势进行了讨论。 梯度功能材料是一种新型的功能复合材料它的两侧由不同性能的材料组成中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化从而使材料的性质和功能也沿厚度方向呈梯度变化克服了不同材料结合的性能不匹配因素使两种材料的优势都得到充分发挥。 1 功能梯度材料的设计 复合材料已在工程中得到广泛应用,然而传统的复合材料,由于由两种或以上的不同均匀材料结合在一起而存在明显的界面,因此材料的物性参数如弹性模量、热膨胀系数在该处不匹配,从而使得界面容易成为失效的源泉,界面设计也就成为复合材料设计的重要课题。另一方面随着现代科学技术的进步,超音速航天飞机、超音速民用交通、现代航天飞行器以及下一代电力系统装置都对材料的设计与应用提出了新的要求。例如航天飞机的发展就面临许多技术问题,特别在先进隔热材料方面,通常使用的陶瓷复合材料弥散强化陶瓷,已经无法承受由于航天飞行环境中极端的温度梯度引起的高热应力。 FGM 的设计一般采用逆设计系统即根据使用条件和性能要求对材料的组成和结构的梯度分布进行设计。以热应力缓和型耐热材料为例根据指定的材料结构、形状及受热环境得出热力学边界条件从已有材料合成及性能的知识库中选择有可能合成的材料组合体系及制备方法再用热弹性理论及计算数学方法对选定材料体系组成的梯度分布函数进行温度分布模拟和热应力模拟寻求达到最大功能的组成分布指数。 为了解决这类问题,日本材料学家新野正之(MasyuhiNINO) 、平井敏雄( ToshioHIRA)和渡边龙三(RyuzoWATANBE)等在20世纪80年代中后期提出了功能梯度材料的概念。功能梯度材料的研究开发最早始于1987年日本科学技术厅的一项“关于开发缓和热应力的功能梯度材料的基础技术研究”计划。所谓功能梯度材料是根据使用要求,选择使用两种不同性能的材料,采用先进的材料复合技术,使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。也就是材料组分在一定的空间方向上连续变化的一种复合材料。由于功能梯度材料的这种特点,因此它能有效地克服传统复合材料的不足。
陶瓷涂层技术知识
陶瓷涂层技术知识 一、金属基陶瓷涂层简介 金属基陶瓷涂层是指涂在金属表面上的耐热无机保护层或表面膜的总称。他能改变金属底材料外表面的形貌、结构及化学组成，并赋予底材料新的性能。涂层的种类很多；按其组成可分为硅酸盐系涂层、氧化物涂层、非氧化物涂层及复合陶瓷涂层等，按工艺方法可分为熔烧涂层、喷涂涂层、气相沉积及扩散涂层、低温烘烤涂层、电化学工艺涂层、溶胶-凝胶涂层及原位原位反应涂层等；按其性能与用途可分为温控涂层（包括温控、隔热、红外辐射涂层等）、耐热涂层（包括抗高温氧化、抗腐蚀、热处理保护涂层等）、摩擦涂层（包括减磨、耐磨润滑涂层）、电性能涂层（包括导电、绝缘涂层等）、特种性能涂层（包括电磁波吸收、防原子辐射涂层等）及工艺性能涂层等。 二、金属基陶瓷涂层制备技术 1．喷涂法（等离子喷涂法） 2．化学气相沉积法（CVD）：在相当高的温度下，混合气体与基体的表面相互作用，使混合气体的某些成分分解，并在基体表面形成一种金属或化合物的固态薄膜镀层。 3．物理气相沉积法（PVD）：离子镀法、溅射法、蒸镀法、离子注入等，离子化使镀层更致密。目前CVD和PVD的界限已不明显，两者相互渗透，CVD技术引入等离子活化等物理过程，出现了PACVD技术，PVD技术也引入反应气体产生化学过程。 4．复合镀层 5．溶胶-凝胶法 6．原位反应法 三、应用 航天航空工业：航天飞机机身外皮发动机涡轮叶片燃烧室内壁齿轮箱传送装置 电力电子工业：增加介电常数 汽车工业：为了减轻重量而开发新一代汽车发动机，欧洲、日本的汽车制造厂已经采用了合金上电解沉积Ni-SiC复合镀层，这种镀层还能大大提高耐膜性能、润滑性能和耐高温氧化性能。将氧化锆陶瓷粉末喷涂在内燃机的燃烧室内壁，可提高内燃机的工作温度、节省燃料和简化结构。 切削刀具上的应用：硬度高、耐热粘结性强、化学稳定性高、切削韧性好、切削性能优良等特点。单双三层刀具，陶瓷镀层刀具寿命是原来的1-2倍，多镀层刀具是陶瓷镀层刀具寿命的0.5-1倍， 冶金和机械工业：金属的冶炼热加工和热处理都要在高温下进行，防止金属的高温氧化、渗氮、渗氧，往往在金属表面涂热处理保护涂层。 生物医学的应用：改善人体与金属的生物相容性。 石油化工：防腐 陶瓷、玻璃生产：增加强度和寿命 食品包装：耐热、高阻隔、透明度 四、发展方向 1．发展新涂层：研究解决陶瓷涂层与金属基体的热膨胀系数匹配问题，从而提高涂层与金属的结合力。 2．发展新工艺：简便、成本低、生产效率高以及产生无缺陷涂层的工艺 3．无损探伤方法，韧性、粘结强度等。 五、金属陶瓷镀膜技术在车用内燃机上的应用 为降低内燃机活塞环与气缸套表面的摩擦因数，提高发动机的机械效率，进而提高内燃机的性能，在内燃机活塞环上应用了金属陶瓷镀膜技术。采用此项技术后，发动机成本仅增加3%-5%，而整机动力性和经济性得到了明显改善，实用价值很高。
功能梯度材料
用于新一代航天飞机的热防护系统,即在与高温气体接触侧采用陶瓷耐高温材料,在液氢冷却侧采用金属材料保证其力学强度和热传导性，继日本之后,美国、德国、俄罗斯、瑞士等国家也纷纷关注并开始了这一新兴的研究领域。 梯度材料成形方法及性能优势 梯度材料复合成型分析（参考）
Ti64和NiCr梯度材料能谱分析照片 (源于DOI：10.1016/j.addma.2014.10.002) SS304L和In625梯度材料成型组织金相分析照片
（源于DOI：10.1016/j.actamat.2016.02.019)激光3D打印技术的一个重要发展方向就是制备功能梯度材料,激光3D打印制备梯度材料适应面较广，既可以制备 FGM 涂层也可以制 备 FGM 体材，而且其生产周期短、加工速度快、设计灵活、材料利用率高，其成形件尺寸精度高、组织致密、晶粒细化、具有优良的使用性能。利用LDM4030同轴送粉系统，通过调整粉末的输送量和输送比例使两种或两种以上材料含量实现层与层之间连续变化，成分设计更加灵活，过渡更加均匀，能制备出成分比例连续变化的梯度功能材料。 LDM4030助力梯度材料开发 新款LDM4030同轴送粉设备，是基于高校和科研院所等研究型单位的需求特点，针对新材料开发过程中材料种类繁多、材料间切换频繁等问题，在保证基本功能前提下，对设备进行了进一步的优化升级。
LDM4030同轴送粉3D打印机外观 LDM4030同轴送粉3D打印机设备参数
双筒双控式（左）和三桶三控式（右）
可实现加工设备（激光器）控制主机的集成控制； 送粉器连续稳定，送粉量和载粉气流量精确可控； 多个料仓可单独送粉，也可同时送粉； 有机玻璃可视粉桶； 触摸屏和PLC控制，性能稳定、安全可靠。 双桶、三桶送粉器参数 利用LDM4030实验平台，开展了对In718(镍基合金) + Fe313（铁基）、In718(镍基合金）和316L（不锈钢）等梯度材料的成形工艺及组织进行了相关的研究分析，在梯度材料研究方面做了一定的技术探索。
TiCN基梯度功能金属陶瓷的制备及其切削性能
文章编号:１００１-９７３１(２０１４)１３-１３１２６-０５ TiCN基梯度功能金属陶瓷的制备及其切削性能? 唐思文１,２,刘德顺２,李鹏南３,唐文波３,唐一德３ (１．中南大学机电工程学院,长沙４１００８３; ２．湖南科技大学机械设备健康维护省重点实验室,湖南湘潭４１１２０１; ３．湖南科技大学机电工程学院,湖南湘潭４１１２０１) 摘一要:一以TiCN-WC-Mo２C-TaC-Co-Ni为原料,通过成分和气氛控制,获得了功能梯度TiCN基金属陶瓷材料.采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X 射线衍射仪观察和分析了材料的微观组织和物相组成,通过车削实验考察了所制备的刀具的切削性能.结果表明,WC含量较低时,通过气氛控制可以获得表面富Ti层二中间富W层和基体的３层TiCN基金属陶瓷梯度层,烧结温度的提高有利于梯度层的厚度的增加;WC含量较高时,烧结后WC在表面富集.１５％WC含量的TiCN基金属陶瓷在１４６０?氮气气氛中烧结１h时,富Ti层的厚度约为１５~２０μm,富W层厚度约为１５~２０μm.经氮化烧结后材料表面的(Ti, W,Mo)(C,N)衍射峰相对材料内部向右偏移.真空烧结时,当WC含量较低时,Ti和W元素分布比较均匀;随着WC含量的升高,表面出现了贫Ti富W层,且随着WC含量增加,表面富W层增厚,WC含量为２４％时,富W层厚度＞２５μm.切削实验表明表面富Ti的金属陶瓷的切削性能优于表面富W的金属陶瓷材料. 关键词:一TiCN;金属陶瓷;梯度;微观组织;切削性能中图分类号:一TG７;TH１４;TG１５文献标识码:A DOI:１０．３９６９/j．issn．１００１-９７３１．２０１４．１３．０２７ １一引一言 碳氮化钛(TiCN)基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷基础上添加TiN发展而来的新型刀具材料[１].由于具有高硬度二高热稳定性二极好的抗蠕变和耐磨性能,TiCN基金属陶瓷已在半精和精加工领域成功替代WC基硬质合金[２-４].均质的TiCN基金属陶瓷,以TiCN为主要硬质相,Co二Ni等为粘结相,并添加其它碳化物二氮化物经粉末冶金方法制备而成.切削加工的发展,特别是高速切削加工的发展,刀具所处的环境更复杂,对切削刀具的耐磨性提出了更高的要求[５].２０世纪９０年代中期,日本学者T．Nomura等[６-７]采用原位扩散工艺制备了表面富N的梯度结构合金,极大地提高刀具的耐磨性和断裂韧性.随后,奥地利学者W．Len g auer等[８－１１]对原位扩散制备功能梯度硬质材料的相形成二冶金反应二液相形成温度二脱气温度和微观结构等进行了较系统的研究,张武装等[１２]研究了TiCN含量对WC基硬质合金梯度涂层的影响.大量的研究结果表明[１１,１３-１６],通过真空烧结可以在刀具材料表面形成富W的韧性层,为制备高性能涂层打下基础,通过控制气氛烧结可以在刀具表面形成富Ti的立方相碳化物和氮化物层,其切削性能优于均质的金属陶瓷和涂层硬质合金.但以TiCN为主要硬质相,制备梯度金属陶瓷的研究甚少.本文以高耐磨的TiCN 基金属陶瓷为研究对象,研究烧结温度二烧结气氛和WC含量对TiCN基金属陶瓷梯度结构形成及其显微结构的影响. ２一实一验 以TiCN二WC二Mo２C二TaC二Co二Ni为实验原料,按表１所示的比例配制好后,装入高能球磨机中球磨和混合,球料比为８?１,球磨介质为无水乙醇,球磨时间为９６h,干燥后得到成分均匀的原料粉末,将原料粉末在３００MPa下冷压成型,放入真空炉中进行烧结,烧结温度为１４３０和１４６０?,保温１h.为获得表面富N的梯度TiCN基金属陶瓷,在保温阶段通入１０４Pa 的氮气进行渗氮处理.采用带有能谱分析仪的扫描电子显微镜和X射线衍射仪观察和分析材料的微观组织和物相组成.将烧结好的材料在工具磨床上加工成刀片,在北一大隈LBJ-３７０型高速车床上进行干切削实验,工件材料为４５钢,硬度HB１９０.在切削速度为２２０,３００m/min,进给量f＝０．１５mm/r,切削深度为a p＝０．５mm的切削条件下,分别对真空烧结的３号成分刀片和氮化烧结的１号成分刀片进行切削实验,在超景深显微镜下测量刀具的后刀面磨损. ６２１３ １２０１４年第１３期(４５)卷 ?基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１３０５１３４,５１２７５１６８);湖南省科技计划资助项目(２０１３GK３０９２);湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目(湘财教指[２０１０]７０号) 收到初稿日期:２０１３-１０-１７收到修改稿日期:２０１４-０３-２５通讯作者:刘德顺,E-mail:deshunliu＠hotmail．com 作者简介:唐思文一(１９８０－),男,湖南长沙人,讲师,在读博士,师承刘德顺教授,从事金属陶瓷刀具制备及其高速切削加工机理研究.