發(fā)布日期：8-23               來源：道客巴巴

三、等離子熔覆工藝

   等離子熔覆是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的快速加熱、快速冷卻的復(fù)雜物理、化學(xué)冶金過程。等離子熔覆工藝在熔覆處理前供給添加材料，主要采用粉末預(yù)置法（圖1）。

粉末預(yù)置法是先將粉末與粘結(jié)劑混合后涂在基體表面，干燥后進(jìn)行等離子加熱，冷卻后得到熔覆層。按等離子熔覆涂層的功能分，涂層可包括耐磨涂層、耐蝕涂層、熱障涂層、抗氧化涂層等。在等離子熔覆技術(shù)中，最先選用且研究最廣的涂層材料是Ni基、Co基、Fe基自融合金，基底材料有各種碳鋼、不銹鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。這幾種自熔合金與上述基底材料具有良好的潤濕性，易獲得稀釋度低、與基體成為冶金結(jié)合的致密涂層。在此基礎(chǔ)上，在自熔合金中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物（TiC、SiC、B4C、WC）、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆，形成了復(fù)合涂層甚至純陶瓷涂層，進(jìn)行復(fù)合涂層或純陶瓷涂層的等離子熔覆，可獲得各種優(yōu)異的表面性能。

  熔覆過程中的工藝參數(shù)對熔覆件的質(zhì)量有很大的影響，這些參數(shù)主要為：產(chǎn)生等離子弧光的電流和電壓、弧光掃描速度、預(yù)置厚度、保護(hù)氣體流量、噴槍口與基體間距等，這些參數(shù)對熔覆層的稀釋、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。不同的基底材料、涂敷材料及處理要求都對應(yīng)一定的工藝參數(shù)，已獲得理想的涂層性能。一個(gè)良好的熔覆層應(yīng)該具有較低的稀釋率、無開裂、無氣孔、無夾渣、使用時(shí)無脫落，熔覆層與基體呈冶金結(jié)合，性能均勻，外觀平整，能滿足預(yù)定的使用性能要求。

四、等離子熔覆層組織性能的研究

   等離子熔覆層工藝決定了熔覆層分為3個(gè)區(qū)域；熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)。在等離子弧的輻照下，熔覆區(qū)的溫度呈徑向分布，使得熔覆區(qū)組織呈現(xiàn)為定向生長的組織形態(tài)。但在不同的材料體系和工藝參數(shù)條件下，熔池結(jié)晶的形態(tài)是各不相同的，如平面晶、胞狀樹枝晶、柱狀晶、樹枝晶和等軸晶等。隨著離熔覆層與基體結(jié)合界面距離的增加，熔覆層枝晶特征尺寸隨之減小，即組織不均勻；距涂層和基體的界面相同距離處，不同部位的特征尺寸變化不大，即組織均勻。隨著工藝研究的深入和拓展，特別是現(xiàn)今高精密分析測試技術(shù)的成熟，可以測出涂層的精細(xì)結(jié)構(gòu)及性能的有關(guān)信息，為熔覆層組織的觀察，擴(kuò)展固溶體、非晶相及亞穩(wěn)相的鑒定、位錯(cuò)等亞結(jié)構(gòu)的觀察與識別提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

熔覆層組織性能的優(yōu)劣有著多方面的因素：

合理設(shè)計(jì)熔覆材料的成分和組織。由于不同的熔覆材料具有不同的熱物理參數(shù)（彈性模量、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等），它們與基體材料在熱物性上的差異，將導(dǎo)致熔覆層內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力。熔覆材料體系的選擇，必須根據(jù)熔覆要求的使用性能和工藝條件，遵循著改善熔覆合金對基材潤濕能力，降低覆層的熱脹系數(shù)，減少熔覆層的熔化溫度區(qū)間，控制結(jié)晶方向，提高韌性相含量的原則。采用中間過渡層，也是提高熔覆性能的有效方法。

    合理地選擇工藝方法和參數(shù)。由于影響因素很復(fù)雜，在實(shí)際選取工藝參數(shù)時(shí)，根據(jù)熔覆層的幾何尺寸和使用性能的要求，通過調(diào)整產(chǎn)生等離子弧光的電流和電壓、光斑直徑、弧光掃描速度、預(yù)置厚度、保護(hù)氣體流量、噴槍口與基體間距等來控制等離子弧能量密度和作用時(shí)間，已達(dá)到最佳的熔覆層質(zhì)量。

    改善熔覆層的冶金質(zhì)量。對于熔覆層與基體間的氣孔和夾雜物，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，適當(dāng)增加能量密度，改善熔體的流動性來凈化熔覆材料，消除氣孔和夾雜，另外，添加稀土元素是細(xì)化熔覆層組織、減少應(yīng)力、降低夾雜的有效方法。稀土元素的加入可以提高熔體的流動性，降低熔池的表面張力，使熔渣迅速上升，覆蓋在高溫熔體表面，隔絕其與大氣的接觸，防止氧化。稀土元素有利于提高合金結(jié)晶的形核率，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性。另一方面，可使組織內(nèi)的微小孔洞減少，提高合金組織的致密性，改變共晶產(chǎn)物和化合物的形態(tài)。在熔池凝固初期就會沉淀出高熔點(diǎn)的稀土化合物，消除易產(chǎn)生熱裂紋的低熔點(diǎn)共晶產(chǎn)物。

    熔覆層的界面問題。熔覆層與基體的結(jié)合狀態(tài)、稀釋程度、應(yīng)力分布、開裂傾向、組織和性能的關(guān)系等都與界面行為有關(guān)。目前，對熔覆界面的主要研究方向：?從固/液界面角度出發(fā)，要求熔覆材料對基體具有良好的潤濕性和輔展性。由于熔覆過程中，覆層和基體界面往往具有反應(yīng)界面的特征，因此，界面的化學(xué)相容性成為熔覆研究的重點(diǎn)。?從固/液界面角度出發(fā)，研究每一個(gè)亞層的性質(zhì)與熔覆材料、基體材料的性質(zhì)和熔覆工藝的關(guān)系。隨著高精度儀器的開發(fā)與應(yīng)用，人們必能直接觀察界面的微觀、介觀層次，結(jié)合計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模擬分析和變化。實(shí)現(xiàn)界面的相容性設(shè)計(jì)，熔覆金體系的設(shè)計(jì)，促進(jìn)等離子熔覆技術(shù)的發(fā)展。

五、熔覆過程溫度場數(shù)值模擬

等離子熔覆過程是快速熔化和凝固的冶金過程，在材料改性方面具有很大的優(yōu)勢。熔池中的傳質(zhì)、傳熱及流動對熔覆層的組織和性能起決定性作用，此外熔覆層的表面質(zhì)量也和熔池中流動方式密切相關(guān)。溫度場和流場是基礎(chǔ)，如圖2所示。但是，等離子熔覆熔池中存在復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)、對流、擴(kuò)散、相變等物理和化學(xué)現(xiàn)象，因此，給工藝參數(shù)的確定和數(shù)學(xué)模型的建立帶來很大的困難。目前等離子熔覆工藝參數(shù)的選取主要是依據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來確定，但用試驗(yàn)的方法測量熔池中液體的溫度分布有一定的困難，不利于該技術(shù)的推廣和應(yīng)用、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及大型、通用有限元軟件的成熟和完善，數(shù)值模擬技術(shù)用于等離子改性溫度場的計(jì)算越來越顯示出其優(yōu)越性。

 熔覆溫度場的計(jì)算模擬主要須考慮兩個(gè)方面的特殊性：一是加熱熱源的特殊性；二是被加熱工件的材料特殊性。從熱源方面看，加熱熔池體積小、加熱冷卻快、溫度梯度大、作用力復(fù)雜等特點(diǎn)；從加熱材料方面看，加熱試件（涂層+基體）為多層異質(zhì)材料，預(yù)置涂層為多孔非密實(shí)層。目前，等離子熔覆溫度場的模擬計(jì)算較少，而且這些模型都存在對實(shí)際問題的簡化，如不考慮材料物性參數(shù)隨溫度的變化、相變潛熱和復(fù)合材料的影響，鑒于計(jì)算機(jī)性能的考慮，網(wǎng)格尺寸加大，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際溫度場偏差較大。