發(fā)布日期：9-7                    來源：豆丁網(wǎng)

引言

   磨損材料是三大主要失效形式之一，為了提高材料耐磨性能，各種以增強(qiáng)材料耐磨性為目的的表面涂層技術(shù)受到了研究者的廣泛關(guān)注，包括熱噴涂（焊）、電鍍、氣相沉積、高能束熔覆等，其中高能束熔覆是采用高能束（激光束、離子束等）為移動熱源在金屬材料表面快速熔覆一層耐磨、耐蝕、耐熱合金層的表面改性技術(shù)，熔覆層與基體成冶金結(jié)合，連接強(qiáng)度高，涂層組織均勻細(xì)小，具有良好的綜合性能，因此成為表面改性研究的特點(diǎn)。當(dāng)前熔覆技術(shù)主要包括激光熔覆、等離子熔覆等，其中激光熔覆方面的研究較為成熟，但成本較高，且對工作環(huán)境有特殊要求，工件表面需黑化處理，等離子熔覆工藝過程簡單，污染少，雖然尺寸精度及成形件質(zhì)量稍低于激光熔覆，但設(shè)備成本僅為后者的1/5，有研究表明，等離子熔覆生產(chǎn)效率約為激光熔覆的6~10倍，粉末利用率約為激光熔覆的2~4倍。因此在電力、煤炭、冶金、機(jī)械等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

本文簡要?dú)w納了常用等離子熔覆材料及其引入方式，討論了熔覆層的組織與性能特征，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了等離子熔覆技術(shù)中存在的主要問題及解決途徑，對該技術(shù)的研究前景進(jìn)行了展望。

一、等離子熔覆材料及其引入方式

等離子熔覆材料通常以粉末的形式加入，目前常采用的是耐磨、耐蝕等綜合性能良好，且與基體潤濕性較好的Ni基、Co基、Fe基等自然熔合金粉末。如在不銹鋼表面等離子熔覆Ni46粉末，制備與基體成冶金結(jié)合的高硬度、抗充蝕鎳合金涂層；在AISI304鋼表面熔覆Co基合金粉末，獲得耐高溫性能優(yōu)于激光熔覆層的等離子熔覆層，在低碳鋼表面等離子熔覆Fe基合金粉末，得到樹枝狀γ-FeNi和枝晶間（Fe，Cr），（C2B）3，（Fe，Cr）3C2組織。Ni基和Co基合金粉末自然熔性良好，耐蝕、耐磨、抗氧化性也優(yōu)異，但價格是鐵基合金粉末的10-30倍。而鐵基粉末自熔性、抗氧化性較差，熔層內(nèi)氣孔夾渣較多。

在沖擊和磨粒磨損嚴(yán)重的工況條件下，Ni基、Co基等自融合金已不能勝任，可向其中加入適量wc、TiC、TiB2、TiN、CrB2等陶瓷相及陶瓷相形成元素，制得陶瓷復(fù)合涂層及梯度涂層。如在Q235鋼表面等離子熔覆添加鎳包碳化鎢的Fe2Cr2B2Si合金粉末，制得以Cr23C6、Fe6W6C、WC、W2C、Cr7C3等為強(qiáng)化相的復(fù)合涂層；在碳鋼表面等離子熔覆B粉末，得到Fe2B、FeB等碳化物以針狀晶或共晶形式存在的高硬度耐磨涂層；通過在等離子氣與保護(hù)氣中混入適量氮?dú)?，熔?/span>Ti與B的混合粉末，制得初生TiB2顆粒被Fe、TiB2與Ti（C，N）的共晶包圍的耐磨涂層。

等離子熔覆材料主要有兩種引入方式：預(yù)涂覆、同步送粉。預(yù)涂覆法易于涂覆混合粉末，但難以做到預(yù)置層厚度均勻，粘結(jié)劑揮發(fā)易造成粉末飛濺，形成氣孔，且多道搭接時易發(fā)生翹曲。與預(yù)涂覆法相比，同步送粉要求預(yù)置合金粉，但僅限于符合平衡相圖的合金，若要制得超合金層則需使用混合粉末，這又要求粉末中各成分比重基本一致、固態(tài)流動性好。

二、等離子熔覆層的組織與性能特征

     等離子熔覆本質(zhì)上是一種快速非平衡冶金反應(yīng)過程；熔池體積小，中間溫度高，邊緣低，溫度梯度很大，垂直于熔池邊界方向溫度梯度最大，有利于晶粒生長；熔池中金屬的熔化與凝固同步進(jìn)行，溫度分布不均勻，形成對流，對熔池起攪拌作用；由于存在高熔點(diǎn)的懸浮雜質(zhì)或經(jīng)理殘骸，以及被加熱到微熔狀態(tài)的基體晶?；蛳嘟绫砻妫鄢胤蔷鶆蛐纬娠@著。這些都使得熔覆層具有組織細(xì)小、結(jié)構(gòu)多樣、固溶度大、晶格畸變、存在亞穩(wěn)相等特點(diǎn)。

Fe基合金的等離子熔覆研究表明，從基體/涂層界面往涂層表面，依次形成平面晶、胞狀/樹枝晶、等軸晶、穗狀晶。在ICrI8Ni9Ti不銹鋼表面等離子熔覆Ni46合金粉末，涂層主要物相是面心立方的γ-Ni、M25C6型碳化物、CrB等硼化物。在Ni76Cr19AITi氣閥上熔覆鎢鉻鈷合金粉末，界面處微觀應(yīng)變最大、亞晶粒最小，離界面越遠(yuǎn)，微觀應(yīng)變越小、亞晶粒

越大。

自熔合金中添加陶瓷相或陶瓷相形成元素后，原有及生成的陶瓷相起非均勻形核核心作用，同時阻礙枝晶長大，改變枝晶生長方向。張麗民在Fe基自熔合金中加入1.5wt%Nb元素，Nb改變了金屬液的凝固速度，最終得到等軸晶組織，未添加Nb元素的涂層得到枝晶組織。添加Nb的涂層存在NbC相，NbC釘扎在γ晶界處，有效抑制晶粒長大，涂層組織得到均勻、細(xì)化。L.Bourithis以TiC為增強(qiáng)相，在碳鋼表面制得等離子熔覆復(fù)合涂層。涂層以M和殘余γ為基體，在γ晶粒邊界處均勻分布眷球狀TiC顆粒。隨著TiC的生成，Ti減少，Mo、Cr、Fe代替部分Ti形成MC型碳化物。M.Darabara在碳化鋼表面等離子熔覆不同質(zhì)量比的B-TiB2混合粉末，自由B的存在縮小了金屬液的凝固溫度區(qū)間，且使得初生TiB2顆粒均勻分布于Fe-TiB2-Fe2B共晶上。隨自由B含量的增加，組織由亞共晶過渡到共晶，隨TiB2含量的增加，熔道搭接處TiB2顆粒聚集。

工件經(jīng)等離子熔覆處理后，表面硬度明顯提高，為熔覆層獲得優(yōu)良的耐磨性提供了保證?，F(xiàn)有研究認(rèn)為熔覆層耐磨主要有四大原因：（1）固溶強(qiáng)化；（2）細(xì)晶強(qiáng)化；（3）彌散強(qiáng)化；（4）沉淀強(qiáng)化。在調(diào)質(zhì)鋼表面等離子熔覆Fe-Cr-C合金粉末制得的涂層在室溫和高溫條件下的磨損表面都比較光滑，耐磨性優(yōu)良。以瀝青為碳的前驅(qū)體等離子熔覆制得的TiC/Fe涂層硬度較高，耐磨性是Ni60涂層的12倍。此外，等離子熔覆Cr7C3/γ-Fe復(fù)合涂層在0.5mol/L的H2SO4及3.5wt%NaCl水溶液中均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。等離子熔覆Ni60/TiC涂層的抗汽蝕性明顯優(yōu)于ZG06Crl3Ni5Mo不銹鋼

三、等離子熔覆層的質(zhì)量控制

3.1工藝參數(shù)的影響

在材料選定的情況下，等離子熔覆層的組織與性能主要受工藝參數(shù)的影響，包括熔覆功率、掃描速率、等離子炬與工件間距離、氣體流量、搭接率等。

若熔覆功率太小，粉末熔化而基體不熔化，涂層在金屬表面呈“液珠”狀態(tài)，潤濕性差，凝固后將形成“鐵豆”；隨著熔覆功率的增大，熔覆層組織得到細(xì)化，表面平整度降低；若熔覆功率太大，基體融化量增多，稀釋作用增強(qiáng)，熔覆層成分將遠(yuǎn)離涂層設(shè)計成分，同時涂層表面燒損嚴(yán)重，硬度將有所下降，達(dá)不到性能要求。

隨著掃描速率的增大，熔池不斷減小并集中在等離子弧根部，粉末利用率下降，基體熔化量減少，稀釋率降低，同時熔覆層的冷卻速度加快，熱影響區(qū)減小，涂層組織得到細(xì)化，表面硬度增加，表面硬度增加。當(dāng)掃描速率超過一定值時，熔池將無法連續(xù)形成。

若等離子炬與工件距離太小，電離及保護(hù)氣體對涂層吹力將增大，粉末飛濺嚴(yán)重；隨著距離的增大，熔覆電壓將升高，基體融化量增多；若等離子炬與工件間距離太大，將不能順利點(diǎn)火起弧。

 隨著電離氣體流量的增大，粉末飛濺嚴(yán)重，等離子弧柱溫度升高，涂層吸收的熱量增多，這將會改變?nèi)鄢氐男螤睿档腿鄹矊颖砻嫫秸取?/span>

  實(shí)際生產(chǎn)中，為了制得大面積熔覆層，還需考慮涂層搭接率λ0.若λ0太小，兩熔道高度相同，涂層間有明顯的凹陷區(qū)，易形成孔洞、裂紋等缺陷；隨著λ0的增大，熔覆層晶粒粗化，顯微硬度有所降低，涂層中應(yīng)力減小，裂紋不易產(chǎn)生；若λ0太大，后一道涂層高于前一道，將無法保證最終形成表面的尺寸精度。

3.2多道搭接的影響

   多道搭接過程中，等離子束在試樣小面積范圍內(nèi)連續(xù)往復(fù)加熱，基體受到預(yù)熱，溫度高于單道熔覆時，同樣功率下將被較多熔化，稀釋率將增大，且冷卻速度降低，界面非自發(fā)形核率減小，界面附近原子互擴(kuò)散能力加強(qiáng)，涂層組織將發(fā)生變化。有研究表明，多道搭接中非搭接影響區(qū)與單道熔覆層的組織形態(tài)基本相同，而搭接區(qū)組織粗大，顯著的方向性被破壞，表現(xiàn)為獨(dú)立分布。搭接區(qū)硬度與未搭接區(qū)基本一致，只是在熔覆層的近表面部位分布更加均勻；測試多道搭接熔覆層殘余應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，涂層表層為拉應(yīng)力，過渡區(qū)出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。

   若按圖1的方式制備多道搭接激光熔覆層，會發(fā)現(xiàn)涂層第一道裂紋垂直于掃描方向，由于熔覆產(chǎn)生的應(yīng)力在第一道上疊加，其他裂紋多發(fā)源于第一道。因此，袁斌提出新的多道搭接順序，見圖2，先在基體表面熔覆互相平行、有一定間隔的熔道，再在兩互不搭接的熔道之間進(jìn)行一次搭接熔覆，搭接熔道的影響基本只限于與之搭接的兩熔道上，較易獲得大面積無裂紋的熔覆層。

   綜上所述，采用等離子熔覆技術(shù)，控制熔覆層成分，選擇合適的熔覆工藝，可以在金屬基體表面制得高性能涂層，充分發(fā)揮了原材料的潛力。