發(fā)布日期：05-25           發(fā)布來源：等離子束表面冶金與激光熔覆技術

  2.2等離子束表面冶金的技術原理及應用

  等離子束表面冶金(plasma jet surface metallurgy)技術是新近發(fā)展的、具有較大發(fā)展?jié)摿Φ谋砻娓男约夹g,它在本質(zhì)上是一種快速非平衡冶金反應過程,類似粉末冶金。等離子束表面冶金同等離子噴涂噴焊等技術在形式上相似,但在本質(zhì)上是完全不同的。其技術原理為:在等離子束流的高溫下,零件表面快速形成熔池,同時將合金或陶瓷粉末送入弧柱或熔池中,粉末經(jīng)快速加熱、熔化或呈半熔化狀態(tài)與熔池金屬混合擴散反應, 熔池以“ 液珠” 的形式存在,熔池“液珠” 在表面張力、等離子弧吹力的共同作用下,在金屬表面鋪展開來,合金劇烈反應產(chǎn)生的氣體、熔渣上浮。隨著等離子弧柱的移動,在基材和氣體雙重冷卻作用下, 合金熔池迅速依次凝固結(jié)晶,形成與基材呈冶金結(jié)合、具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱、耐沖擊等性能的表面復合層。

  等離子束表面冶金技術在原則上可不受組成物的相溶性、熔點、密度等性質(zhì)的限制,可利用任意粉末的任意配比同步送入熔池,加之大的穿透加熱和高的冷卻速度,可獲得通常冶金方法不能得到的超合金層。等離子噴涂(焊)前后材料在設計原則上是基于 A※A、A+B※A+B, 只有自放熱反應是唯一考慮的冶金反應, 另外還要求預制合金粉寬的凝固區(qū)間以滿足其工藝性;而等離子束表面冶金反應前后材料的設計原則是立足于 A※B, 或A+B※C、A+B ※C +D 等(當然也包括 A※A、A+B※A+B), 而不僅限于冶金放熱反應,也不必考慮其凝固區(qū)間甚至是相溶性。因此,對于等離子束表面冶金技術來說,目前已有的、符合平衡冶金學規(guī)則、適用于等離子噴涂噴焊系統(tǒng)的預制合金霧化粉的種類,已遠遠不能滿足其研究和應用的需求了。另外等離子束表面冶金技術也可采用預涂粉法,但是粉末種類受限制,基體材料的熔深和稀釋率不易控制,粘接劑揮發(fā)易造成粉末飛濺和形成氣孔,且工序繁雜,生產(chǎn)效率低,粉末浪費嚴重。表面冶金同步送粉專用送粉器可將不同熔點的物理混合粉末與弧引燃嚴格同步地送入弧柱或熔池,并在滅弧時嚴格同步地關閉。粉末選擇余地大,工藝簡單,易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。目前等離子束表面冶金粉末材料還遠未形成系列,主要借用熱噴涂(焊)或激光熔覆類材料, 但是熱噴涂等粉末結(jié)晶溫度區(qū)間大,應用于等離子束表面束冶金時,涂層氣孔和裂紋傾向較大。所以合理設計等離子束表面冶金材料,優(yōu)化工藝以解決常見的冶金層開裂、氣孔等缺陷問題,是把等離子束表面冶金技術推向更廣闊的工業(yè)應用的關鍵。    

  等離子束表面冶金合金設計的根本任務是滿足表面冶金強化零件或用戶提出的各項性能要求。這些性能決定于冶金層與基體的界面特性、冶金層成分、顯微組織、雜質(zhì)、缺陷、應力狀態(tài)等。影響等離子束表面冶金層宏觀質(zhì)量的因素主要包括:基體材料和合金材料的熱物理性質(zhì)(熔點、導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等)、合金材料的供給方式及供給量、等離子束表面冶金工藝參數(shù)(等離子束功率、掃描速度、等離子束尺寸)、保護方式及搭接率等。 針對特定的基體材料,選擇適宜的合金材料和工藝參數(shù)是獲得質(zhì)量良好的冶金層的關鍵環(huán)節(jié)。由于等離子束表面冶金作為一種快凝手段,冶金層組織細小均勻,基體固溶度增大,可以形成亞穩(wěn)相, 甚至非晶, 冶金層耐磨性能、耐磨蝕性能、耐疲勞性能、耐高溫性能等顯著提高, 可以得到常規(guī)熱處理得不到的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能。李敏等人在16Mn 鋼表面用鐵基合金粉末進行等離子束表面冶金處理,利用金相(OM)、掃描電鏡(SEM)、電子探針(EDS)和 X 射線衍射(XRD)等方法研究了冶金涂層的顯微組織及物相組成, 并對涂層的耐磨損性能進行了測試分析。結(jié)果表明, Fe-Cr-Ni-B-Si 系合金粉末的等離子束表面冶金涂層對基材具有良好的潤濕性,基材表面熔化區(qū)的形成使得涂層與基材實現(xiàn)了熔化冶金結(jié)合,且熔合線清晰。冶金層的微觀組織特征為固溶了大量 Cr 及少量Ni 、B、Si、C 的 γ-Fe 固溶體基體上彌散分布著多種復雜的化合物(Cr, Fe)7(C , B)3 , Cr3Si, NiB 等;劉邦武等人對等離子束表面冶金技術的冶金過程進行了研究,分析了冶金過程的特點,總結(jié)了等離子束表面冶金過程的一般規(guī)律。山東科技大學材料工程研究所與科大金納等離子公司共同研制了大功率負壓同步送粉數(shù)控等離子束表面冶金專用設備,利用該設備對煤礦井下刮板中部槽進行了等離子束表面冶金耐磨蝕涂層試驗和批量生產(chǎn), 獲得了與基材呈冶金結(jié)合、厚度達到2～ 3mm 的工程用鐵基厚涂層。批量生產(chǎn)的刮板運輸機中部槽在井下實用考核, 比未經(jīng)強化前壽命提高 4 倍以上,并降低了頻繁更換的勞動強度和煤炭生產(chǎn)中斷損失, 綜合經(jīng)濟效益十分明顯。 圖 1 是等離子束表面冶金處理后的刮板輸送機中部槽, 圖中白色亮帶是等離子束表面冶金帶。

                              圖 1 等離子束表面冶金強化的中部槽

3.兩種技術的比較

等離子束表面冶金與激光熔覆技術相比,對操作環(huán)境無特殊要求,無需設備降溫、除塵等輔助要求,操作簡單,設備維修容易,占地面積小,設備造價可降低2 3, 電熱轉(zhuǎn)換效率高,耗電省,且易實現(xiàn)大功率設備制造。等離子束的熔化熔合效率、熔深及熔化材料范圍很大,特別適用于一般工業(yè)機械零件表面的處理,具有優(yōu)越的性價比。各項指標比較如表 1 所示。

4.結(jié) 語

激光熔覆層的組織致密, 性能優(yōu)良,熔覆過程無大的熱流沖擊,控制精度高。但激光熔覆工藝比較復雜,運行維護成本高,生產(chǎn)效率低,因而激光熔覆目前主要處于實驗室研究和航空航天等高科技領域,應用到一般工業(yè)生產(chǎn)領域還有一定的困難。等離子束能量密度大,效率高,連續(xù)工作穩(wěn)定可靠,粉末選擇范圍寬,涂層厚度及機械性能可靈活調(diào)整,操作維護簡單,生產(chǎn)成本低。目前已在礦山機械易損件上逐步推廣應用,前景十分廣闊。因此,等離子束表面冶金技術有望在各機械制造領域廣泛推廣應用。