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(shù)

  2.2等離子束表面冶金的技術(shù)原理及應(yīng)用

  等離子束表面冶金(plasma jet surface metallurgy)技術(shù)是新近發(fā)展的、具有較大發(fā)展?jié)摿Φ谋砻娓男约夹g(shù),它在本質(zhì)上是一種快速非平衡冶金反應(yīng)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(shù)在形式上相似,但在本質(zhì)上是完全不同的。其技術(shù)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(shí)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(kuò)散反應(yīng), 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(yīng)產(chǎn)生的氣體、熔渣上浮。隨著等離子弧柱的移動(dòng),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(fù)合層。

  等離子束表面冶金技術(shù)在原則上可不受組成物的相溶性、熔點(diǎn)、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(shè)計(jì)原則上是基于 A※A、A+B※A+B, 只有自放熱反應(yīng)是唯一考慮的冶金反應(yīng), 另外還要求預(yù)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(yīng)前后材料的設(shè)計(jì)原則是立足于 A※B, 或A+B※C、A+B ※C +D 等(當(dāng)然也包括 A※A、A+B※A+B), 而不僅限于冶金放熱反應(yīng),也不必考慮其凝固區(qū)間甚至是相溶性。因此,對(duì)于等離子束表面冶金技術(shù)來說,目前已有的、符合平衡冶金學(xué)規(guī)則、適用于等離子噴涂噴焊系統(tǒng)的預(yù)制合金霧化粉的種類,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其研究和應(yīng)用的需求了。另外等離子束表面冶金技術(shù)也可采用預(yù)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(fèi)嚴(yán)重。表面冶金同步送粉專用送粉器可將不同熔點(diǎn)的物理混合粉末與弧引燃嚴(yán)格同步地送入弧柱或熔池,并在滅弧時(shí)嚴(yán)格同步地關(guān)閉。粉末選擇余地大,工藝簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。目前等離子束表面冶金粉末材料還遠(yuǎn)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(yīng)用于等離子束表面束冶金時(shí),涂層氣孔和裂紋傾向較大。所以合理設(shè)計(jì)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(shù)推向更廣闊的工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。    

  等離子束表面冶金合金設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是滿足表面冶金強(qiáng)化零件或用戶提出的各項(xiàng)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(yīng)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(diǎn)、導(dǎo)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(hù)方式及搭接率等。 針對(duì)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(guān)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(xì)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(jìn)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(duì)涂層的耐磨損性能進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(shí)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(fù)雜的化合物(Cr, Fe)7(C , B)3 , Cr3Si, NiB 等;劉邦武等人對(duì)等離子束表面冶金技術(shù)的冶金過程進(jìn)行了研究,分析了冶金過程的特點(diǎn),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(xué)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(fù)壓同步送粉數(shù)控等離子束表面冶金專用設(shè)備,利用該設(shè)備對(duì)煤礦井下刮板中部槽進(jìn)行了等離子束表面冶金耐磨蝕涂層試驗(yàn)和批量生產(chǎn), 獲得了與基材呈冶金結(jié)合、厚度達(dá)到2～ 3mm 的工程用鐵基厚涂層。批量生產(chǎn)的刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽在井下實(shí)用考核, 比未經(jīng)強(qiáng)化前壽命提高 4 倍以上,并降低了頻繁更換的勞動(dòng)強(qiáng)度和煤炭生產(chǎn)中斷損失, 綜合經(jīng)濟(jì)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(jī)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(qiáng)化的中部槽

3.兩種技術(shù)的比較

等離子束表面冶金與激光熔覆技術(shù)相比,對(duì)操作環(huán)境無特殊要求,無需設(shè)備降溫、除塵等輔助要求,操作簡(jiǎn)單,設(shè)備維修容易,占地面積小,設(shè)備造價(jià)可降低2 3, 電熱轉(zhuǎn)換效率高,耗電省,且易實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)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(jī)械零件表面的處理,具有優(yōu)越的性價(jià)比。各項(xiàng)指標(biāo)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(fù)雜,運(yùn)行維護(hù)成本高,生產(chǎn)效率低,因而激光熔覆目前主要處于實(shí)驗(yàn)室研究和航空航天等高科技領(lǐng)域,應(yīng)用到一般工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(jī)械性能可靈活調(diào)整,操作維護(hù)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低。目前已在礦山機(jī)械易損件上逐步推廣應(yīng)用,前景十分廣闊。因此,等離子束表面冶金技術(shù)有望在各機(jī)械制造領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用。