發(fā)布日期：9-14          來(lái)源：豆丁網(wǎng)

一、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(rùn)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(jì)成分，同時(shí)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(shí)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(guò)一定值時(shí)，熔池將無(wú)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(duì)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(huì)改變?nèi)鄢氐男螤?，降低熔覆層表面平整度?/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(wú)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(guò)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(shí)，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(cè)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(guò)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(huì)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(jiàn)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(wú)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。

四、前驅(qū)體碳化復(fù)合技術(shù)的引入

   傳統(tǒng)等離子熔覆技術(shù)中，熔覆材料常采用的外加復(fù)合的方式預(yù)涂覆在基體表面，涂層中陶瓷相分布不均勻，且與金屬結(jié)合界面易受污染；或是利用同步送粉，但粉末粘接強(qiáng)度較低，熔覆過(guò)程中易被等離子氣流吹散，反應(yīng)不完全，進(jìn)而導(dǎo)致涂層成分不均勻，質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來(lái)，一些研究者選擇合適的有機(jī)物為碳的前驅(qū)體，將其與金屬合金粉末均勻混合后置入碳化爐，惰性氣氛保護(hù)下，有機(jī)物在一定溫度碳化。碳既是反應(yīng)組元，又是復(fù)合粉末的黏結(jié)劑，每個(gè)團(tuán)粒內(nèi)部形成細(xì)小的原料粉末被碳包覆黏結(jié)的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，有很高的結(jié)合強(qiáng)度，碳化后復(fù)合粉末的密度、顆粒大小、流動(dòng)性幾乎一致。

   目前常用碳的前驅(qū)體有以下三類：一類是樹(shù)脂，經(jīng)高溫?zé)峤夂筇蓟纬蓸?shù)脂碳，碳化率可達(dá)50-70%，但部分價(jià)格昂貴；一類是瀝青，成本相對(duì)較低，但碳化溫度較高，在500-700℃，易在碳化過(guò)程中生成碳化物，且會(huì)使一些在高溫下易氧化的合金元素較難加入，限制了涂層基本成分設(shè)計(jì)上的拓寬；另一類是蔗糖，碳化溫度較低（250-350℃），碳化率為31%，在隔絕空氣條件下熱分解得到的糖碳是一種最純凈的無(wú)定型碳。

   鐵鈦合金與瀝青混合粉末在氬氣氣氛中600℃碳化2h，可制得無(wú)定形碳包裹TiFe顆粒的熔覆粉末，將粉末直接噴射入淬火介質(zhì)中，原始不規(guī)則粉末變成均勻球形顆粒，說(shuō)明在等離子束河反應(yīng)熱作用下，粉末能有效溶解。熔滴表面接觸空氣，形成氧化物，四價(jià)鈦的氧化物可作為TiC非均勻形核的核心，同時(shí)，熔滴表面冷速較大，氧化物周圍的TiC迅速長(zhǎng)大，最后形成TiC與Ti2O3的共晶層；熔滴內(nèi)部，無(wú)非均勻形成核心，TiC均勻形核，長(zhǎng)大方式是小顆粒熔解，大顆粒長(zhǎng)大，最后形成TiC彌散分布于Fe基體上的復(fù)合層。這與在鋼基體表面等離子熔覆該粉末的結(jié)果一致，且該涂層耐磨性是Ni60涂層的12倍。不同C/Ti原子比較小時(shí)，Ti相對(duì)較多，TiC形核率高，尺寸較小且彌散分布，它與基體結(jié)合良好，不易脫落；隨著C/Ti原子比增大，涂層中TiC團(tuán)聚富集區(qū)變大，細(xì)小TiC的量減少，涂層孔隙率明顯增大，且多出現(xiàn)在TiC富集區(qū)處，TiC與基體的結(jié)合變差，易發(fā)生脫落。

   蔗糖的低成本、低碳化溫度等優(yōu)點(diǎn)使它成為了等離子熔覆中碳的主要前驅(qū)體。鋼基體表

面等離子熔覆前驅(qū)體碳化的高鉻鐵基粉末，所得涂層具有優(yōu)異的抗氧化性。以16Mn鋼為標(biāo)樣測(cè)試涂層耐磨粒磨損性能，當(dāng)截荷為40N時(shí)，涂層相對(duì)耐磨性是16mn鋼的12倍；截荷增加到140N時(shí)，相對(duì)涂層耐磨性是16Mn鋼的34倍。劉鈞波測(cè)試了該涂層的耐空耐蝕性，當(dāng)空泡在涂層表面潰滅時(shí)，產(chǎn)生的高壓震蕩波和高速微射流誘發(fā)部分γ轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，同時(shí)硬質(zhì)相晶界對(duì)γ相的塑性變形有一定的阻礙作用，因此涂層耐空蝕性較好。在Fe-Cr-C系合金中加入適量TiC顆粒，其形成溫度高于初生碳化物的析出溫度，可能作為非均勻形核核心而細(xì)化或消除鉻的初生碳化物；其余TiC顆粒阻礙鉻的初生碳化物的自由生長(zhǎng)，從而細(xì)化初生碳化物；同時(shí)，TiC的生成消耗大量C元素，減少了塊狀（Cr,Fe）7C3,增加了大量奧氏體組織，涂層抗開(kāi)裂性得到增強(qiáng)。

   前驅(qū)體技術(shù)的引入改善了等離子熔覆中粉末黏結(jié)強(qiáng)度低，易被氣流吹散，反應(yīng)不完全，陶瓷相分布不均勻，涂層質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，消除了長(zhǎng)期以來(lái)碳以鑄鐵等含碳鐵粉形式加入，無(wú)法制備高碳含量涂層的狀況，具有廣闊的應(yīng)用前景。

五、總結(jié)與展望

河海大學(xué)金屬與防護(hù)研究所對(duì)等離子熔覆技術(shù)進(jìn)行了多年研究。研究團(tuán)隊(duì)在低碳馬氏體鑄鋼表面等離子熔覆鎳鉻碳合金粉末，制得由初生板條或塊狀硬質(zhì)耐磨相（CrFe）7C3，γ-Fe與（Cr2Fe）7C5的共晶組成的合金涂層，顯微硬度最高可達(dá)HV011053。吳玉萍在45#鋼表面制備了Fe-Cr保持共格關(guān)系，F(xiàn)與M23C6保持向平行關(guān)系，以降低相界面的比界面功能；非晶相中含有較多Si、Cr等元素，Si、Cr的偏聚是形成非晶的主要原因。陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基合金涂層結(jié)合了陶瓷與金屬的優(yōu)異性能，所以多年來(lái)一直是本所得一個(gè)重要研究方向。吳玉萍利用等離子熔覆技術(shù)，在碳鋼表面原位合成了TiC/Ni基合金涂層，除了顆粒狀TiC,熔覆層中主要物相有γ-Ni枝晶、CrB和M23C60從界面到表層，TiC尺寸和含量都有所增加，表層硬度最高可達(dá)HV011000，是基體的4倍。鑒于等離子熔覆技術(shù)多方面的優(yōu)點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)應(yīng)用到了礦山機(jī)械中，在刮板輸送機(jī)中部槽16Mn鋼基體上等離子熔覆添加（20-30）%WC的NiCrSiB粉末，制得的金屬基復(fù)合涂層平均硬度可達(dá)HV011100.且無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，中部槽使用壽命提高了3-5倍。

等離子熔覆技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展已逐漸成熟，且在煤礦、機(jī)械等領(lǐng)域已取得廣泛應(yīng)用。如上文所述，利用前驅(qū)體碳化復(fù)合技術(shù)制備熔覆材料具有廣闊的應(yīng)用前景，但如何應(yīng)用該技術(shù)制備不含碳元素的混合粉末，作者認(rèn)為它將是未來(lái)重要研究方向之一。此外，等離子熔覆是急劇升溫、快速冷卻的過(guò)程，等離子弧具有極高的熱流密度，會(huì)導(dǎo)致金屬的熔化與凝固伴隨著相變、導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射等現(xiàn)象，這一過(guò)程中熔池溫度的變化是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量的，而它對(duì)建立工藝參數(shù)與組織、性能之間的關(guān)系又有很大影響，因此作者認(rèn)為，等離子弧加熱溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬也是該技術(shù)急需攻克的難題之一。同時(shí)，金屬受熱和冷卻的速度非?？?，溫度變化不均勻，將產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致工件的扭曲與開(kāi)裂，嚴(yán)重影響熔覆層質(zhì)量，且多道搭接時(shí)涂層的變形與開(kāi)裂更加復(fù)雜。目前有關(guān)這一方面的報(bào)道較少，涂層的開(kāi)裂問(wèn)題尚未得到很好解決，這成為了影響等離子熔覆技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的最大障礙。因此，模擬等離子熔覆的應(yīng)力場(chǎng)，研究熔覆過(guò)程殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，從而找到消除或減少裂紋的方法，對(duì)等離子熔覆技術(shù)的完善和推廣有著重要的實(shí)際意義。

   隨著等離子熔覆機(jī)理研究的深入，等離子弧加熱溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的建立、自動(dòng)化生產(chǎn)工藝的成熟，等離子熔覆技術(shù)一定會(huì)在更加廣闊的領(lǐng)域里獲得推廣，將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。