钢表面TRD处理碳化物耐磨涂层形成机理和生长动力学研究

Thermo-reactive deposition/diffusion (TRD) is a technology to prepare hard, wear-resistant coatings of carbides on steels. The obtained coatings present excellent adhesion with the substrates and can obviously increase the life of die and anti-wear work piece by several times. However, the formation mechanism, growth kinetics, and the influence of substrate composition、treating temperature and treating time on the microstructure are not thoroughly discussed and need further investigation. In this project, the carbide coatings formed on steels with different compositions, such as 45 steel， T10 steel，GCr15 steel， Cr12MoV steel and so on, will be studied and the formation and transformation mechanisms of equiaxed、elongated equiaxed or columnar grains will be clarified. The influence of substrate composition、treating temperature and treating time on the microstructure, phase composition and V/C atoms ratio in the vanadium carbide coating will be investigated. In addition, the diffusion behavior and diffusion mechanism of elements during the TRD process will be discussed and based on the experimental and literature results, a effective mathematical model that treats the influence of the treating temperature, the immersing time, and especially the substrate composition on the growth of coatings in the TRD process will be constructed.

TRD处理可在钢表面原位生长硬度高、结合力强的碳化物涂层，是提高钢耐磨性能的重要表面处理方法。经过TRD处理，模具及耐磨零部件寿命可得到几倍甚至数十倍的提高。目前，对碳化物涂层形成机理、组织演化、生长动力学尚缺乏系统研究；基体成分，处理温度及处理时间对涂层生长、组织结构的影响有待进一步确定。本项目旨在通过对45钢，T10，Cr12MoV等六种不同成分基体上碳化物涂层的研究，阐明等轴晶、柱状晶和板状晶的形成及演化规律，揭示TRD处理中碳化物涂层的形成机理，确定基体成分，处理温度和处理时间对涂层组织、物相组成的影响。明确碳化物/基体界面结构。在实验及文献数据分析的基础上，分析碳化物涂层形成过程中元素的扩散机理，定量确定基体成分与涂层厚度的关系，建立合适的涂层生长动力学模型。本工作将进一步完善对TRD处理碳化物涂层形成机理及生长动力学的理解，为改进TRD工艺，提高涂层性能提供理论和实验依据。

热反应沉积（TRD）处理是提高模具表面耐磨性能的重要表面处理技术。本课题对TRD技术制备碳化物涂层的组织、性能、扩散机理等进行了系统研究，建立了碳化物涂层的生长动力学模型，并在此基础上设计复合工艺，得到了不同结构的复合涂层。本文研究成果有利于全面理解TRD处理技术的过程及原理，为改进工艺，提高涂层性能，有针对性的进行结构设计提供指导。.通过TRD技术制备的碳化钒涂层，其与基体之间界面清晰明显。涂层的晶粒形貌与基体成分有关，不同的基体中由于碳活度不同，将导致不同的形核密度和不同的生长速度，当基体中碳活度很低时，涂层靠近基体部分由板状晶组成，随着基体中碳活度的增加，板状晶逐渐被等轴晶取代。9Cr18钢基体上的碳化钒涂层在靠近基体位置由板状晶组成，AISI H13钢基体上的碳化钒涂层全部由等轴晶组成，且晶粒尺寸随着与基体距离的增加逐渐增大。.TRD处理中，涂层生长过程中碳原子的扩散机制为晶界扩散。采用基体中的碳活度来表征基体成分对碳化物涂层生长的影响，建立了碳化物涂层的生长动力学模型，定量描述了温度，时间和基体成分对涂层厚度的影响。温度对涂层厚度的影响，取决于温度对扩散速率及对碳活度影响的综合效果；碳化物涂层厚度与处理时间、基体碳活度呈抛物线关系，模型与实验数据吻合良好。.复合处理中，由于外层涂层生长所需要的碳原子可直接由基体通过晶界扩散提供，形成涂层顺序与碳化物形成驱动力大小无关，因此可根据性能需求，设计复合工艺，以制备碳化钒+碳化铬+基体、碳化铬+碳化钒+基体、碳化铬+碳化钒+碳化铬+基体等不同结构的多层涂层，提升工件的抗氧化性能或抗热震性能。复合涂层有望拓宽TRD涂层的使用领域。