等离子熔覆技术具有高精度、机械化等优点,是机械类零部件表面强化的核心技术之一。Fe-Cr-C系合金熔覆层内含有大量的碳化物强化相,硬度及耐磨性均较高,但高C与Cr含量的过共晶Fe-Cr-C系合金熔覆层内碳化物粗大且分布不均匀,内部切削作用强,脆性较大,在使用过程中易发生裂纹扩展及脆性断裂造成熔覆层失效,限制着该合金在表面强化领域的使用。本文通过等离子熔覆工艺制备不同C与Cr含量的Fe-Cr-C系合金熔覆层,对比分析其性能的差异,通过加入纯Ti粉原位生成TiC对过共晶Fe-Cr-C系合金熔覆层进行改性研究,探索不同Ti含量对于该合金体系性能的影响,结合第一性原理对熔覆层内碳化物硬质相进行弹性常数理论计算,根据Voigt-Reuss-Hill近似计算碳化物弹性模量及泊松比,参考半经验公式对碳化物的微观力学性能进行理论计算分析,为设计合金体系提供理论基础。亚共晶Fe-Cr-C系熔覆层组织以胞状晶为主,表面平均硬度值为42.6HRC,磨损过程中以黏着磨损为主,耐磨性较差;近共晶熔覆层表面平均硬度值为52HRC,熔覆层开始出现长条状亚共晶碳化物,耐磨性有一定的提升;过共晶Fe-Cr-C熔覆层内弥散的分布着六边形及粗条状碳化物硬质相,表面平均硬度值达到62HRC,以磨粒磨损为主,耐磨性最强,但内部存在应力裂纹,需要进一步研究改良。过共晶Fe-Cr-C系熔覆层硬质相主要为正交结构六棱柱形Cr7C3(PNMA),通过对熔覆层冷却过程相变及热力学分析,在1000℃以上时含Ti熔覆层冷却过程中优先生成TiC,降低熔覆层过共晶程度的同时在熔覆层内形成局部成分过冷,碳化物生长具有一定的方向性,且优先形成的TiC作为Cr7C3的异质形核核心,起到细晶强化作用。Cr7C3的均匀分布降低熔覆层内部的微观切削作用及残余应力,减小熔覆层的裂纹产生倾向。过量的Ti导致熔覆层内部出现气孔,Ti含量为0.5%-1.0%时的过共晶Fe-Cr-C系熔覆层呈现出最佳的微观力学性能。结合第一性原理对熔覆层硬质相微观力学性能研究,熔覆层硬质相Cr7C3(PNMA)呈现出金属键特性,而TiC则以共价键为主,价键较强。通过Voigt-Reuss-Hill近似计算,正交结构PNMA型Cr7C3及立方结构TiC晶体均满足结构稳定性,且正交结构PNMA型Cr7C3呈现出一定的塑性,与纳米探针及显微硬度实验结果相一致。结合高硬度材料理论微观硬度值半经验公式计算,PNMA型Cr7C3理论硬度值为13.13GPa,TiC的理论硬度值则为19.73GPa,两种硬质相理论硬度的比值为0.67,与实验中测得两种强化相的比例相对应,说明模拟计算结果的可靠性,此计算方法可以为高硬度材料的开发提供一定的理论参考基础。
