發(fā)布日期：05-11                            發(fā)布來(lái)源：《金屬熱處理2006年第31卷第2期》

  4.等離子束表面冶金結(jié)晶特點(diǎn)

     等離子束表面冶金熔池結(jié)晶過(guò)程也是形核和核長(zhǎng)大的過(guò)程,但是與普通的凝固結(jié)晶相比又有它自身的特點(diǎn)。

(1) 熔池在連續(xù)冷卻條件下非平衡結(jié)晶凝固熔池的體積小,在等離子束掃描下,冶金熔池的尺寸約為 10 ～30cm3,其質(zhì)量?jī)H為6 ～100g ,相對(duì)而言, 熔池處于無(wú)限大的冷態(tài)的母材上, 所以熔池的冷卻速度非常大 ,熔池凝固過(guò)程是在連續(xù)冷卻條件下的非平衡結(jié)晶過(guò)程。

(2) 熔池金屬處于過(guò)熱狀態(tài) 等離子束表面冶金熔池中各點(diǎn)的溫度不同, 等離子束心點(diǎn)處的溫度高 ,熔池邊緣是金屬母材熔點(diǎn)的溫度 。所以,熔池中心部分溫度高 ,過(guò)熱度很大 ,熔池平均溫度達(dá)到2000 ℃,熔滴的溫度達(dá)到 2500 ℃。因此, 熔池金屬處于過(guò)熱狀態(tài) ,并且熔池中各點(diǎn)的溫度不同, 中間高, 邊緣低。又由于熔池體積小 ,所以 ,熔池中的溫度梯度很大。

(3) 母材金屬猶如熔池的 “模壁 ” 處于冷態(tài)的母材金屬包圍著冶金熔池 ,猶如熔池金屬的 “模壁 ”,而且, 在“模壁”和熔池金屬之間不存在空氣隙, 因此,熔池在凝固過(guò)程中的散熱條件更為有利。

(4) 熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下凝固 鋼水澆入鑄模后是在靜止?fàn)顟B(tài)下凝固的 ,而在等離子束表面冶金過(guò)程中 ,熔池隨熱源等速移動(dòng);在冶金熔池中 ,金屬的熔化和凝固過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的, 在熔池的前半部分進(jìn)行著熔化過(guò)程,后半部分進(jìn)行著凝固過(guò)程 。熔池中的溫度分布也不均勻,前部高后部低。這將促使液態(tài)金屬?gòu)牡蜏貐^(qū)向高溫區(qū)流動(dòng)，在熔池中造成對(duì)流。另外,等離子束流的沖擊力、氣體吹力,熔滴下落、熔池內(nèi)氣體逸出等都對(duì)熔池有攪拌作用。

(5)熔池處于電磁場(chǎng)中等離子炬與熔池之間有高密度直流電流通過(guò),產(chǎn)生局部磁場(chǎng),這對(duì)熔體的反應(yīng)和凝固過(guò)程肯定產(chǎn)生重大影響,該課題尚待探索。熔池的體積小,冷卻速度大能促使冶金后產(chǎn)生馬氏體等淬硬組織;由于熔池金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，合金元素的燒損比較嚴(yán)重, 使得熔池中的非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)大為減少,因此在冶金層中的柱狀晶比較多,而少量的等軸晶存在于冶金層頂部;熔池在動(dòng)態(tài)下凝固有利于排除氣體和夾雜 ,從而得到致密和性能良好的冶金層。

5.等離子束表面冶金技術(shù)的應(yīng)用

   日趨成熟的等離子束表面冶金技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于采煤機(jī)截齒和中部槽的生產(chǎn)。截齒是采煤機(jī)上最容易損壞和更換量最大的零件, 主要失效形式為截齒硬質(zhì)合金刀頭脫落、齒體折斷和崩刃 ,其中最主要的失效形式為硬質(zhì)合金刀頭脫落, 其原因是由于齒體的磨損。傳統(tǒng)的熱處理工藝為對(duì)齒體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理, 筆者在傳統(tǒng)熱處理工藝的基礎(chǔ)上,對(duì)截齒的齒頭部分進(jìn)行等離子束表面冶金, 使齒頭部分獲得一層耐磨抗沖擊涂層, 以提高截齒的壽命, 將經(jīng)等離子束表面冶金處理的截齒進(jìn)行井下試驗(yàn) , 發(fā)現(xiàn)截齒的使用壽命顯著提高 。由于井下刮板輸送機(jī)中部槽長(zhǎng)時(shí)間在鏈道和煤的磨損下工作 ,很容易將鋼板磨透 ,出現(xiàn)變形或斷裂, 因此在中部槽的鏈道處 ,利用等離子束表面冶金技術(shù) ,涂覆上平行排列的與中板呈 45 °角的合金涂層條帶，這些合金涂層條帶極大地減輕了中部槽的磨損, 減少了因煤礦更換中部槽導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。目前經(jīng)過(guò)這種等離子束表面冶金處理的截齒和中部槽已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大部分煤礦。

6.展望

   等離子束表面冶金技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用需要多種表面冶金材料體系的建立,常用的 Ni 基、Co 基和 Fe基等粉末體系遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足等離子束表面冶金技術(shù)發(fā)展的要求。高溫合金 、梯度涂層材料 、陶瓷合金等粉末體系有待于研究開(kāi)發(fā) ;鋁合金等低熔點(diǎn)基材表面的等離子束冶金強(qiáng)化 ,需要建立專(zhuān)門(mén)的鋁基低熔點(diǎn)冶金材料體系等,這都是今后要深入研究的課題 。

   等離子束表面冶金是一個(gè)動(dòng)態(tài)熔化和凝固的過(guò)程 ,熔池尺寸小, 不僅存在著傳熱現(xiàn)象 , 而且也存在著對(duì)流、質(zhì)量傳遞等 ,它們直接影響熔池的宏觀形貌、偏析 、組織和成分的均勻性及其它物理冶金性能, 因而,研究等離子束表面加熱理論, 搞清等離子束表面冶金過(guò)程中的熱傳導(dǎo) 、對(duì)流及質(zhì)量傳遞等問(wèn)題 ,對(duì)于理論研究和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用都具有重要的理論價(jià)值。因此, 在今后的工作中應(yīng)開(kāi)展等離子束表面冶金物理數(shù)學(xué)模型的研究及等離子束-材料交互作用的理論和試驗(yàn)研究,從不同的方面建立等離子束表面冶金的熱計(jì)算模型,這一工作可以分為兩個(gè)方向:一是對(duì)等離子束表面冶金所需的功率參數(shù)進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè);二是對(duì)等離子束加熱溫度場(chǎng)的計(jì)算模擬 ,通過(guò)等離子束加熱溫度場(chǎng)來(lái)分析等離子束表面冶金中的溫度場(chǎng) 、流場(chǎng)及傳質(zhì)等情況 。

   等離子束表面冶金技術(shù)經(jīng)過(guò)近期的發(fā)展, 已顯現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)越性, 并獲得了迅速的推廣應(yīng)用。隨著等離子束表面冶金技術(shù)工藝的完善和內(nèi)在機(jī)理研究的深入,該技術(shù)一定會(huì)在更加廣闊的領(lǐng)域內(nèi)獲得應(yīng)用。