發(fā)布日期：05-17                     發(fā)布來源：等離子束表面冶金與激光熔覆技術(shù)

摘要：介紹了等離子束表面冶金和激光熔覆技術(shù)的原理、特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀, 分析比較了兩種技術(shù)的工藝特點(diǎn)及涂層組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由于等離子束表面冶金技術(shù)具有突出的優(yōu)質(zhì)高效低成本綜合優(yōu)勢,且涂層原料來源廣,在市場競爭中具有潛力。

關(guān)鍵詞：等離子束表面冶金;激光熔覆;比較研究

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,對機(jī)械產(chǎn)品的性能要求越來越高。很多機(jī)械零部件要在高溫、高壓、高速或高度自動(dòng)化的條件下長期穩(wěn)定地工作,因而對材料的性能提出很高的要求。許多重要的表面性能, 如硬度、耐磨性、耐蝕性、耐沖蝕性、抗氧化及耐熱性等都取決于金屬材料表面的物理和化學(xué)性質(zhì)。傳統(tǒng)表面改性技術(shù), 如各種噴涂層、滲層、鍍層等,由于較差的層間結(jié)合力以及受平衡溶解度小、固態(tài)擴(kuò)散性差的限制,應(yīng)用效果已不能滿足要求。高能量束流能量集中、效率高、無三廢排放、應(yīng)用方式靈活、可實(shí)現(xiàn)其他方法無法獲得的優(yōu)異性能,近年來得到了快速的發(fā)展。目前已獲得工業(yè)應(yīng)用的高能量束流有激光束、電子束、離子束、等離子束等。高能束發(fā)生器輸出的能束定向作用于金屬的表面,使其產(chǎn)生物理、化學(xué)或相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,從而達(dá)到金屬表面改性的目的。激光熔覆是 20 世紀(jì) 70 年代隨著激光技術(shù)發(fā)展起來的一種新工藝,而等離子束表面冶金技術(shù)是新近由我國自主開發(fā)的一種表面處理新技術(shù)。它們都是以高能密度束為熱源，在工藝上有相似之處，但實(shí)質(zhì)上有很大區(qū)別。筆者介紹了等離子束表面冶金和激光熔覆技術(shù)的原理、特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀,分析比較了兩種技術(shù)的工藝特點(diǎn)及涂層組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.激光熔覆的技術(shù)原理

激光熔覆一般采用預(yù)涂粉方式, 涂敷層經(jīng)激光束輻照和基體表面層同時(shí)熔化, 光束移開后自激冷卻形成所需性能的熔覆層。目前激光熔覆的主要應(yīng)用是提高材料的耐磨性和抗高溫氧化性。同其它表面強(qiáng)化技術(shù)相比,激光熔覆具有以下的特點(diǎn):1)冷卻速度快(高達(dá) 106K s), 組織具有快速凝固的典型特征;2)局部表層區(qū)域的快速熔覆對基體或被涂工件的熱影響小,易實(shí)現(xiàn)選區(qū)涂層;3)涂層的稀釋率低, 與基體呈冶金結(jié)合。

1.1激光熔覆材料設(shè)計(jì)的一般原則使用激光熔覆技術(shù)能在低級材料上涂覆一種具有某種功能的特殊材料, 已被廣泛地應(yīng)用來改善基材的表面性能。 涂層功能已從傳統(tǒng)的耐磨損、抗腐蝕、抗氧化涂層發(fā)展到抗沖蝕、抗沖擊、絕熱及其它功能涂層, 例如生物陶瓷涂層和改善電接觸特性涂層。 顯然, 單一的材料不能滿足所有上述的目的和用途。 因此, 可供選用的熔覆材料具有一個(gè)龐大的體系。 從最初選用的Ni 基、Co 基和 Fe 基自熔合金逐步發(fā)展到在這些自熔合金中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒形成的復(fù)合涂層,甚至純陶瓷涂層、各種合金、不銹鋼、貴金屬等。 基體材料有鐵基、有色合金(如銅、鋁基)等。 熔覆材料的選擇基于服役條件、基體材料、熔覆工藝和成本等諸因素。 熔覆層的性能取決于自身的成分、組織、相結(jié)構(gòu)和熔覆工藝等 。

激光熔覆材料要根據(jù)使用要求與基體的狀況來選擇。對于一定工作環(huán)境,對于某一基體而言,存在一最佳涂層合金,因此如何去度量涂層材料與基材是否具有良好的匹配關(guān)系,成為激光熔覆技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)另外,在設(shè)計(jì)時(shí),不能一味地追求涂層材料的使用性能,還要考慮涂層材料是否具有良好的涂覆工藝性和與基體的相容性。激光熔覆層中產(chǎn)生開裂、裂紋的重要原因之一是熔覆合金與基材之間的熱膨脹系數(shù)的差異,所以在選擇涂層材料時(shí)首先要考慮涂層與基材的熱膨脹系數(shù)差異對涂層的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱層性能,特別是抗開裂性能的影響。目前,大多數(shù)研究都是根據(jù)激光熔覆層與基材熱膨脹系數(shù)的匹配原則來進(jìn)行熔覆材料的選擇及成分設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為為防止涂層開裂和剝落,涂層和基材的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能地接近,其差別越小,熔覆層對開裂越不敏感。

在激光熔覆技術(shù)中,需要對涂層材料關(guān)注的另一重要的熱物理性質(zhì)是熔點(diǎn)。 如果熔覆材料熔點(diǎn)過高,加熱時(shí)熔覆材料熔化少,會(huì)使得涂層表面粗糙度高且基體表層過燒, 嚴(yán)重污染熔覆層。反之,熔覆材料熔點(diǎn)過低,則使熔覆層過燒,且與基體間產(chǎn)生孔洞和夾雜。因而,力求采用相對于基體材料具有適宜熔點(diǎn)的涂層材料。除了考慮熔覆材料的熱物理性能外,還應(yīng)考慮其在激光快速加熱下的流動(dòng)性、化學(xué)穩(wěn)定性、硬化相質(zhì)點(diǎn)與粘結(jié)相金屬的潤濕性、以及高溫快冷時(shí)的相變特性等。

1.2激光熔覆層組織特征及性能

  激光熔覆層的組織性能與選用的涂層材料及熔覆工藝參數(shù)有很大的關(guān)系。 由于熔覆過程為快速凝固,所得到的組織一般都是非常細(xì)小的。由于熔池內(nèi)的巨大溫度梯度和晶體長大速度的變化,使最終的凝固組織呈現(xiàn)為定向生長的復(fù)合性凝固組織。通?？拷w的組織粗大,表面的組織細(xì)微。許萍等人研究了激光熔覆層和基體熱影響區(qū)的組織形態(tài)和組成及合金層與基體的結(jié)合狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明, 激光熔覆層的組織形態(tài)是以等軸晶狀和樹枝狀為主的共晶組織,熔覆層和基體的熱影響區(qū)界限分明,過渡層很窄,基體的熱影響區(qū)為淬火狀態(tài)的馬氏體。陳慶華等人運(yùn)用激光熔覆技術(shù)在40Cr鋼上制備了(TiO2 +B2O3+Al2O3 +TiB2) NiCrAl 金屬陶瓷涂層,其中TiB2 和Al2O3 陶瓷顆粒在熔覆過程中為原位反應(yīng)生成,原位生成的兩個(gè)陶瓷相都以彌散的方式存在于 NiCrAl 晶粒內(nèi)部形成了晶內(nèi)強(qiáng)化。 董世運(yùn)等人研究了在ZLlO4 鋁合金表面激光熔覆銅基混合粉末,結(jié)果發(fā)現(xiàn)熔覆層的硬度是基體的 4～5 倍,并且涂層與基體間呈良好的冶金結(jié)合,但結(jié)合界面比較粗糙。這說明銅基熔覆材料與鋁基體具有良好的相溶性,粗糙的結(jié)合面是由于激光束能量分布不均引起的。李剛等人采用自動(dòng)送粉法進(jìn)行寬帶激光熔覆,可在 42CrMo 鋼表面得到致密無裂紋的 NiCrBSi 涂層。 涂層熔覆區(qū)可大致分為三部分:表面枝晶區(qū)、中部細(xì)晶區(qū)和熔覆結(jié)合區(qū)。涂層中的主要組成相為 Ni3B 、M7 C3 、M23C6 、Ni4B3 等硬質(zhì)相,由于 Ni3 B、Ni4 B3 、(Cr, Fe)23 C6 、Fe7C3 等多種硬質(zhì)相彌散強(qiáng)化及γ-Ni 固溶強(qiáng)化作用,涂層具有較高的硬度和耐磨性。

 2.等離子束表面冶金技術(shù)

 2.1等離子體及工業(yè)應(yīng)用

  等離子束所謂等離子體可理解為氣體放電過程中所形成的有關(guān)粒子的集合體,它是物質(zhì)能量較高的一種聚集狀態(tài),稱為第四態(tài)。在等離子體中有帶電粒子(電子、正離子)和不帶電粒子(氣體原子、受激原子、亞穩(wěn)原子)。由于正負(fù)帶電粒子在數(shù)量上近似相等,等離子體在宏觀上呈電中性凝集狀態(tài)。 等離子體的分類方法很多,按溫度可分為熱等離子體(包括高溫和低溫兩種)和冷等離子體。熱等離子體中的高溫等離子體溫度可達(dá)105～ 109K,低溫等離子體也在 2 000～ 20 000K。目前可工業(yè)應(yīng)用的是低溫等離子體,其中的等離子束只有直流壓縮電弧最容易實(shí)現(xiàn),全稱為直流壓縮電弧等離子束流(DC-Plasma-Jet), 簡稱為等離子束,它的能量密度、熱量穿透性、弧柱指向性和穩(wěn)定性等較好, 生產(chǎn)效率高。設(shè)備造價(jià)遠(yuǎn)低于激光,因此容易在機(jī)械制造業(yè)中獲得推廣應(yīng)用。