中文摘要：

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

结论摘要：

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。