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等離子束表麵冶金與激光熔覆技術(一)

發布日期:05-17                     發布來源:等離子束表麵冶金與激光熔覆技術


摘要:介紹了等離子束表麵冶金和激光熔覆技術的原理、特點和研究現狀, 分析比較了兩種技術的工藝特點及塗層組織結構特點。由於等離子束表麵冶金技術具有突出的優質高效低成本綜合優勢,且塗層原料來源廣,在市場競爭中具有潛力。

關鍵詞:等離子束表麵冶金;激光熔覆;比較研究

0 引 言

隨著現代工業的迅速發展,對機械產品的性能要求越來越高。很多機械零部件要在高溫、高壓、高速或高度自動化的條件下長期穩定地工作,因而對材料的性能提出很高的要求。許多重要的表麵性能, 如硬度、耐磨性、耐蝕性、耐衝蝕性、抗氧化及耐熱性等都取決於金屬材料表麵的物理和化學性質。傳統表麵改性技術, 如各種噴塗層、滲層、鍍層等,由於較差的層間結合力以及受平衡溶解度小、固態擴散性差的限製,應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、應用方式靈活、可實現其他方法無法獲得的優異性能,近年來得到了快速的發展。目前已獲得工業應用的高能量束流有激光束、電子束、離子束、等離子束等。高能束發生器輸出的能束定向作用於金屬的表麵,使其產生物理、化學或相結構轉變,從而達到金屬表麵改性的目的。激光熔覆是 20 世紀 70 年代隨著激光技術發展起來的一種新工藝,而等離子束表麵冶金技術是新近由我國自主開發的一種表麵處理新技術。它們都是以高能密度束為熱源,在工藝上有相似之處,但實質上有很大區別。筆者介紹了等離子束表麵冶金和激光熔覆技術的原理、特點和研究現狀,分析比較了兩種技術的工藝特點及塗層組織結構特點。

1.激光熔覆的技術原理

激光熔覆一般采用預塗粉方式, 塗敷層經激光束輻照和基體表麵層同時熔化, 光束移開後自激冷卻形成所需性能的熔覆層。目前激光熔覆的主要應用是提高材料的耐磨性和抗高溫氧化性。同其它表麵強化技術相比,激光熔覆具有以下的特點:1)冷卻速度快(高達 106K s), 組織具有快速凝固的典型特征;2)局部表層區域的快速熔覆對基體或被塗工件的熱影響小,易實現選區塗層;3)塗層的稀釋率低, 與基體呈冶金結合。

1.1激光熔覆材料設計的一般原則使用激光熔覆技術能在低級材料上塗覆一種具有某種功能的特殊材料, 已被廣泛地應用來改善基材的表麵性能。 塗層功能已從傳統的耐磨損、抗腐蝕、抗氧化塗層發展到抗衝蝕、抗衝擊、絕熱及其它功能塗層, 例如生物陶瓷塗層和改善電接觸特性塗層。 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龐大的體係。 從最初選用的Ni 基、Co 基和 Fe 基自熔合金逐步發展到在這些自熔合金中加入各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒形成的複合塗層,甚至純陶瓷塗層、各種合金、不鏽鋼、貴金屬等。 基體材料有鐵基、有色合金(如銅、鋁基)等。 熔覆材料的選擇基於服役條件、基體材料、熔覆工藝和成本等諸因素。 熔覆層的性能取決於自身的成分、組織、相結構和熔覆工藝等 。

激光熔覆材料要根據使用要求與基體的狀況來選擇。對於一定工作環境,對於某一基體而言,存在一最佳塗層合金,因此如何去度量塗層材料與基材是否具有良好的匹配關係,成為激光熔覆技術的一個重點另外,在設計時,不能一味地追求塗層材料的使用性能,還要考慮塗層材料是否具有良好的塗覆工藝性和與基體的相容性。激光熔覆層中產生開裂、裂紋的重要原因之一是熔覆合金與基材之間的熱膨脹係數的差異,所以在選擇塗層材料時首先要考慮塗層與基材的熱膨脹係數差異對塗層的結合強度、抗熱層性能,特別是抗開裂性能的影響。目前,大多數研究都是根據激光熔覆層與基材熱膨脹係數的匹配原則來進行熔覆材料的選擇及成分設計的。傳統的觀點認為為防止塗層開裂和剝落,塗層和基材的熱膨脹係數應盡可能地接近,其差別越小,熔覆層對開裂越不敏感。

在激光熔覆技術中,需要對塗層材料關注的另一重要的熱物理性質是熔點。 如果熔覆材料熔點過高,加熱時熔覆材料熔化少,會使得塗層表麵粗糙度高且基體表層過燒, 嚴重汙染熔覆層。反之,熔覆材料熔點過低,則使熔覆層過燒,且與基體間產生孔洞和夾雜。因而,力求采用相對於基體材料具有適宜熔點的塗層材料。除了考慮熔覆材料的熱物理性能外,還應考慮其在激光快速加熱下的流動性、化學穩定性、硬化相質點與粘結相金屬的潤濕性、以及高溫快冷時的相變特性等。

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塗層材料及熔覆工藝參數有很大的關係。 由於熔覆過程為快速凝固,所得到的組織一般都是非常細小的。由於熔池內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為定向生長的複合性凝固組織。通常靠近基體的組織粗大,表麵的組織細微。許萍等人研究了激光熔覆層和基體熱影響區的組織形態和組成及合金層與基體的結合狀況。試驗結果表明, 激光熔覆層的組織形態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界限分明,過渡層很窄,基體的熱影響區為淬火狀態的馬氏體。陳慶華等人運用激光熔覆技術在40Cr鋼上製備了(TiO2 +B2O3+Al2O3 +TiB2) NiCrAl 金屬陶瓷塗層,其中TiB2 和Al2O3 陶瓷顆粒在熔覆過程中為原位反應生成,原位生成的兩個陶瓷相都以彌散的方式存在於 NiCrAl 晶粒內部形成了晶內強化。 董世運等人研究了在ZLlO4 鋁合金表麵激光熔覆銅基混合粉末,結果發現熔覆層的硬度是基體的 4~5 倍,並且塗層與基體間呈良好的冶金結合,但結合界麵比較粗糙。這說明銅基熔覆材料與鋁基體具有良好的相溶性,粗糙的結合麵是由於激光束能量分布不均引起的。李剛等人采用自動送粉法進行寬帶激光熔覆,可在 42CrMo 鋼表麵得到致密無裂紋的 NiCrBSi 塗層。 塗層熔覆區可大致分為三部分:表麵枝晶區、中部細晶區和熔覆結合區。塗層中的主要組成相為 Ni3B 、M7 C3 、M23C6 、Ni4B3 等硬質相,由於 Ni3 B、Ni4 B3 、(Cr, Fe)23 C6 、Fe7C3 等多種硬質相彌散強化及γ-Ni 固溶強化作用,塗層具有較高的硬度和耐磨性。

 2.等離子束表麵冶金技術

 2.1等離子體及工業應用

  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粒子的集合體,它是物質能量較高的一種聚集狀態,稱為第四態。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、亞穩原子)。由於正負帶電粒子在數量上近似相等,等離子體在宏觀上呈電中性凝集狀態。 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105~ 109K,低溫等離子體也在 2 000~ 20 000K。目前可工業應用的是低溫等離子體,其中的等離子束隻有直流壓縮電弧最容易實現,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、弧柱指向性和穩定性等較好, 生產效率高設備造價遠低於激光,因此容易在機械製造業中獲得推廣應用。

 



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