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等離子束表麵冶金技術研究及其進展(二)

發布日期:05-11                            發布來源:《金屬熱處理2006年第31卷第2期》

  4.等離子束表麵冶金結晶特點

     等離子束表麵冶金熔池結晶過程也是形核和核長大的過程,但是與普通的凝固結晶相比又有它自身的特點。

(1) 熔池在連續冷卻條件下非平衡結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,其質量僅為6 ~100g ,相對而言, 熔池處於無限大的冷態的母材上, 所以熔池的冷卻速度非常大 ,熔池凝固過程是在連續冷卻條件下的非平衡結晶過程。

(2) 熔池金屬處於過熱狀態 等離子束表麵冶金熔池中各點的溫度不同, 等離子束心點處的溫度高 ,熔池邊緣是金屬母材熔點的溫度 。所以,熔池中心部分溫度高 ,過熱度很大 ,熔池平均溫度達到2000 ℃,熔滴的溫度達到 2500 ℃。因此, 熔池金屬處於過熱狀態 ,並且熔池中各點的溫度不同, 中間高, 邊緣低。又由於熔池體積小 ,所以 ,熔池中的溫度梯度很大。

(3) 母材金屬猶如熔池的 “模壁 ” 處於冷態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,熔池在凝固過程中的散熱條件更為有利。

(4) 熔池在運動狀態下凝固 鋼水澆入鑄模後是在靜止狀態下凝固的 ,而在等離子束表麵冶金過程中 ,熔池隨熱源等速移動;在冶金熔池中 ,金屬的熔化和凝固過程是同時進行的, 在熔池的前半部分進行著熔化過程,後半部分進行著凝固過程 。熔池中的溫度分布也不均勻,前部高後部低。這將促使液態金屬從低溫區向高溫區流動,在熔池中造成對流。另外,等離子束流的衝擊力、氣體吹力,熔滴下落、熔池內氣體逸出等都對熔池有攪拌作用。

(5)熔池處於電磁場中等離子炬與熔池之間有高密度直流電流通過,產生局部磁場,這對熔體的反應和凝固過程肯定產生重大影響,該課題尚待探索。熔池的體積小,冷卻速度大能促使冶金後產生馬氏體等淬硬組織;由於熔池金屬處於過熱狀態,合金元素的燒損比較嚴重, 使得熔池中的非自發形核的質點大為減少,因此在冶金層中的柱狀晶比較多,而少量的等軸晶存在於冶金層頂部;熔池在動態下凝固有利於排除氣體和夾雜 ,從而得到致密和性能良好的冶金層。

5.等離子束表麵冶金技術的應用

   日趨成熟的等離子束表麵冶金技術已經應用於采煤機截齒和中部槽的生產。截齒是采煤機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合金刀頭脫落, 其原因是由於齒體的磨損。傳統的熱處理工藝為對齒體進行調質處理, 筆者在傳統熱處理工藝的基礎上,對截齒的齒頭部分進行等離子束表麵冶金, 使齒頭部分獲得一層耐磨抗衝擊塗層, 以提高截齒的壽命, 將經等離子束表麵冶金處理的截齒進行井下試驗 , 發現截齒的使用壽命顯著提高 。由於井下刮板輸送機中部槽長時間在鏈道和煤的磨損下工作 ,很容易將鋼板磨透 ,出現變形或斷裂, 因此在中部槽的鏈道處 ,利用等離子束表麵冶金技術 ,塗覆上平行排列的與中板呈 45 °角的合金塗層條帶,這些合金塗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致的經濟損失。目前經過這種等離子束表麵冶金處理的截齒和中部槽已應用於國內大部分煤礦。

6.展望

   等離子束表麵冶金技術的快速發展和應用需要多種表麵冶金材料體係的建立,常用的 Ni 基、Co 基和 Fe基等粉末體係遠遠不能滿足等離子束表麵冶金技術發展的要求。高溫合金 、梯度塗層材料 、陶瓷合金等粉末體係有待於研究開發 ;鋁合金等低熔點基材表麵的等離子束冶金強化 ,需要建立專門的鋁基低熔點冶金材料體係等,這都是今後要深入研究的課題 。

   等離子束表麵冶金是一個動態熔化和凝固的過程 ,熔池尺寸小, 不僅存在著傳熱現象 , 而且也存在著對流、質量傳遞等 ,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,研究等離子束表麵加熱理論, 搞清等離子束表麵冶金過程中的熱傳導 、對流及質量傳遞等問題 ,對於理論研究和實際工業應用都具有重要的理論價值。因此, 在今後的工作中應開展等離子束表麵冶金物理數學模型的研究及等離子束-材料交互作用的理論和試驗研究,從不同的方麵建立等離子束表麵冶金的熱計算模型,這一工作可以分為兩個方向:一是對等離子束表麵冶金所需的功率參數進行計算預測;二是對等離子束加熱溫度場的計算模擬 ,通過等離子束加熱溫度場來分析等離子束表麵冶金中的溫度場 、流場及傳質等情況 。

   等離子束表麵冶金技術經過近期的發展, 已顯現出了明顯的技術優越性, 並獲得了迅速的推廣應用。隨著等離子束表麵冶金技術工藝的完善和內在機理研究的深入,該技術一定會在更加廣闊的領域內獲得應用。


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