基于液相脉冲放电的热作模具多元金属陶瓷涂层制备及其高温磨损特性研究

针对热作模具服役条件苛刻，使用寿命偏短的问题，本项目提出一种反应型液相脉冲放电表面多元金属陶瓷涂层制备新方法，拟将高熔点金属Ti与一种或多种合金元素Me（Me为W、Zr、V、Al、Nb等）的粉体所制成的模压粉体电极置入含碳的特殊液相介质中，利用脉冲放电所产生的低温高能等离子体在模具材料表面沉积TiC基多元金属陶瓷涂层，研究多元金属陶瓷涂层在液相脉冲放电条件下的形成机制；探索模压粉体电极中各种金属元素的比例、脉冲放电参数（脉宽、脉冲间隔、峰值电流、电极间距）等因素对多元金属陶瓷涂层形成机制与组织结构的影响；研究所制备的多元金属陶瓷涂层的高温摩擦磨损特性，建立电极成分-放电参数-涂层性能之间的关系，寻找一条全新的高性能热作模具多元金属陶瓷涂层的低成本制备方法。

1．探索了等离子通道中粒子迁移的行为规律. 建立了适用于脉冲放电的热源模型，数值模拟了不同放电参数对于工件放电反应区的影响状况与规律；采用粒子模拟的方法描述了放电通道中粒子的运动及分布状态。发现电子运动过程中遵循等离子体的集体运动特性; 金属离子的运动比电子缓慢，提示放电镀膜时极间距应大于成形加工时的极间距，据此优化了放电工艺参数。.2．提出了TiC基多元金属陶瓷涂层的形成机制，探索了不同掺Al量对涂层形成的影响规律. 对电极的成分，成型压力，以及烧结工艺等进行了研究；利用脉冲放电技术在45钢表面制备出(Ti, Al)C 多元陶瓷涂层，提出了液相脉冲放电条件下（Ti，Me）C多元涂层的形成机理；采用XRD分析了涂层的相组成，利用SEM及EDS分析了涂层的界面组织及元素分布，测试了涂层的硬度，发现涂层主相为（Ti,Al）C，硬度呈梯度分布，探索了Al元素掺杂对TiC基多元陶瓷涂层形成的影响规律。.3.提出了（Ti，Al）C涂层的高温磨损机制. 试验温度为400℃～500℃时，涂层中氧化膜能阻止两接触表面微凸体接触点的扩大，同时氧化膜本身具有很好减摩性能，从而导致摩擦系数明显减小。当试验温度为400℃时，磨损机制为轻微的磨粒磨损。试验温度为500℃时，所产生的氧化物粘附在摩擦面起到了减少摩擦面与摩擦副之间直接接触的作用，此时涂层的主要磨损机理为氧化磨损和轻微的磨粒磨损。.4.揭示了（Ti，Al）C涂层的高温氧化规律. 在600℃恒温下，涂层的氧化分为两个阶段，在初始阶段（80h以前）的氧化速度很快，曲线斜率较大。此后，由于氧化膜对氧向内扩散起到了阻止作用，涂层进入到慢速氧化阶段。涂层总的氧化动力学规律并不符合抛物线，但局部快速氧化和慢速氧化阶段符合抛物线规律，应用最小二乘法对氧化动力学曲线进行分段线性拟合，求出了不同阶段的氧化速率常数Kp(氧化动力学抛物线常数)。.5.制备出Ti（C，N）新型多元陶瓷涂层，并研究了涂层的组织与性能。. 在乙醇胺液相介质中,采用本技术制备出Ti(C,N)陶瓷多元涂层。用TEM、XRD对涂层组织形貌、物相结构等进行了分析。结果表明,所制备的陶瓷涂层厚度约为20μm,主要物相为Ti(C0.3,N0.7)。在高载荷条件下,耐磨性能优于PVD制备的同类涂层.