堆焊层表面基于纳米晶的耐磨减摩复合层的制备及其摩擦学行为研究

以提升磨损零件堆焊修复层的有效性和可靠性为目的，利用表面纳米化技术优化堆焊层表面结构，以纳米晶为过渡层复合低温离子渗硫层，形成结构优化、性能提升的基于纳米晶的低温离子渗硫复合层，利用纳米晶与FeS固体润滑层的协同作用提高堆焊零件的摩擦磨损性能。研究在堆焊层表面制备均匀纳米晶的实现工艺，通过观察不同微观区域晶粒细化过程，建立堆焊层晶粒均匀细化机理模型；分析基于纳米晶的低温离子渗硫层微观结构特征，研究纳米晶对FeS固体润滑层形成过程的影响，构建基于纳米晶FeS固体润滑层形成机制；研究基于纳米晶的低温离子渗硫复合层摩擦学行为，通过对磨损表面微观结构、化学成分，以及界面结构和界面反应的分析，研究纳米晶与FeS固体润滑层协同作用下的摩擦磨损机理。.本项目的开展对于改善磨损零件堆焊修复层的综合服役性能，延长这些零件的使用寿命具有重要的工程意义，同时对于熔敷成形零件的质量提高也具有重要的借鉴意义

利用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备均匀细化的纳米晶层，利用低温离子渗硫技术在表面纳米化的堆焊层表面制备硫化物层。通过观察不同微观区域晶粒细化过程，建立了堆焊层晶粒均匀细化机理模型；通过对基于纳米晶的低温离子渗硫层微观结构分析，构建基于纳米晶硫化层形成机制；研究基于纳米晶的低温离子渗硫复合层摩擦学行为，通过对磨损表面微观结构、化学成分分析，研究了纳米晶与硫化层协同作用下的摩擦磨损机理。.预压力滚压加工能够有效地将堆焊层的树枝状晶细化为纳米晶。纳米晶层平均厚度约为10 μm，最表层平均晶粒尺寸约为10 nm。纳米晶粒的尺寸随距表面距离增加而增大。研究显示晶粒细化主要通过位错运动而实现，原始晶粒中形成大量的位错线和位错缠结，位错不断在位错墙处聚集，高能量的位错墙发生结构的动态回复，通过位错的对消和重排形成亚晶界或晶界，实现晶粒细化。.基于纳米晶的渗硫层通过活性Fe原子与离子气氛中的S原子反应并在基体表面沉积而形成。硫化物层由FeS相和FeS2相构成。与未处理试样相比，表面纳米化后形成的渗硫层较为致密，纳米晶试样中的FeS相所占比例和含量高于原始试样。纳米晶层对渗硫早期影响较明显，在渗硫早期硫化物层由等轴致密的颗粒构成，硫化物以FeS相为主。随渗硫时间增加，纳米晶层对渗硫层的影响减弱。分析表明，表面纳米化后，表面活性、吸附性能较高，从而导致表面纳米化试样化学反应能力提高。.基于纳米晶的硫化层耐磨减摩性能明显提高。分析表明耐磨减摩性能提高是纳米晶层与润滑膜联合作用的结果,磨损机制由原始的磨粒磨损和疲劳磨损转化为磨粒磨损。基于纳米晶的硫化层硫化物含量较高，FeS相所占比例较高，对于减摩性能的提高起到积极作用。堆焊层经表面纳米化处理后，表面硬度被提高，表面残余应力由拉应力变为压应力。高硬度的纳米晶层为表面润滑层起到良好的支撑，并对抵抗塑性变形能力起到积极的作用。高活性的纳米晶在磨损过程中更容易形成氧化物，均匀连续氧化物的形成对减摩效果也起到一定积极的作用。