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等離子束表麵冶金與激光熔覆技術(二)

發布日期:05-25           發布來源:等離子束表麵冶金與激光熔覆技術

 

  2.2等離子束表麵冶金的技術原理及應用

  等離子束表麵冶金(plasma jet surface metallurgy)技術是新近發展的、具有較大發展潛力的表麵改性技術,它在本質上是一種快速非平衡冶金反應過程,類似粉末冶金。等離子束表麵冶金同等離子噴塗噴焊等技術在形式上相似,但在本質上是完全不同的。其技術原理為:在等離子束流的高溫下,零件表麵快速形成熔池,同時將合金或陶瓷粉末送入弧柱或熔池中,粉末經快速加熱、熔化或呈半熔化狀態與熔池金屬混合擴散反應, 熔池以“ 液珠” 的形式存在,熔池“液珠” 在表麵張力、等離子弧吹力的共同作用下,在金屬表麵鋪展開來,合金劇烈反應產生的氣體、熔渣上浮。隨著等離子弧柱的移動,在基材和氣體雙重冷卻作用下, 合金熔池迅速依次凝固結晶,形成與基材呈冶金結合、具有優異的耐磨、耐蝕、耐熱、耐衝擊等性能的表麵複合層。

  等離子束表麵冶金技術在原則上可不受組成物的相溶性、熔點、密度等性質的限製,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。等離子噴塗(焊)前後材料在設計原則上是基於 A※A、A+B※A+B, 隻有自放熱反應是唯一考慮的冶金反應, 另外還要求預製合金粉寬的凝固區間以滿足其工藝性;而等離子束表麵冶金反應前後材料的設計原則是立足於 A※B, 或A+B※C、A+B ※C +D 等(當然也包括 A※A、A+B※A+B), 而不僅限於冶金放熱反應,也不必考慮其凝固區間甚至是相溶性。因此,對於等離子束表麵冶金技術來說,目前已有的、符合平衡冶金學規則、適用於等離子噴塗噴焊係統的預製合金霧化粉的種類,已遠遠不能滿足其研究和應用的需求了。另外等離子束表麵冶金技術也可采用預塗粉法,但是粉末種類受限製,基體材料的熔深和稀釋率不易控製,粘接劑揮發易造成粉末飛濺和形成氣孔,且工序繁雜,生產效率低,粉末浪費嚴重。表麵冶金同步送粉專用送粉器可將不同熔點的物理混合粉末與弧引燃嚴格同步地送入弧柱或熔池,並在滅弧時嚴格同步地關閉。粉末選擇餘地大,工藝簡單,易實現自動化生產。目前等離子束表麵冶金粉末材料還遠未形成係列,主要借用熱噴塗(焊)或激光熔覆類材料, 但是熱噴塗等粉末結晶溫度區間大,應用於等離子束表麵束冶金時,塗層氣孔和裂紋傾向較大。所以合理設計等離子束表麵冶金材料,優化工藝以解決常見的冶金層開裂、氣孔等缺陷問題,是把等離子束表麵冶金技術推向更廣闊的工業應用的關鍵。    

  等離子束表麵冶金合金設計的根本任務是滿足表麵冶金強化零件或用戶提出的各項性能要求。這些性能決定於冶金層與基體的界麵特性、冶金層成分、顯微組織、雜質、缺陷、應力狀態等。影響等離子束表麵冶金層宏觀質量的因素主要包括:基體材料和合金材料的熱物理性質(熔點、導熱係數和熱膨脹係數等)、合金材料的供給方式及供給量、等離子束表麵冶金工藝參數(等離子束功率、掃描速度、等離子束尺寸)、保護方式及搭接率等。 針對特定的基體材料,選擇適宜的合金材料和工藝參數是獲得質量良好的冶金層的關鍵環節。由於等離子束表麵冶金作為一種快凝手段,冶金層組織細小均勻,基體固溶度增大,可以形成亞穩相, 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, 可以得到常規熱處理得不到的微觀組織結構和性能。李敏等人在16Mn 鋼表麵用鐵基合金粉末進行等離子束表麵冶金處理,利用金相(OM)、掃描電鏡(SEM)、電子探針(EDS)和 X 射線衍射(XRD)等方法研究了冶金塗層的顯微組織及物相組成, 並對塗層的耐磨損性能進行了測試分析。結果表明, Fe-Cr-Ni-B-Si 係合金粉末的等離子束表麵冶金塗層對基材具有良好的潤濕性,基材表麵熔化區的形成使得塗層與基材實現了熔化冶金結合,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複雜的化合物(Cr, Fe)7(C , B)3 , Cr3Si, NiB 等;劉邦武等人對等離子束表麵冶金技術的冶金過程進行了研究,分析了冶金過程的特點,總結了等離子束表麵冶金過程的一般規律。山東科技大學材料工程研究所與科大金納等離子公司共同研製了大功率負壓同步送粉數控等離子束表麵冶金專用設備,利用該設備對煤礦井下刮板中部槽進行了等離子束表麵冶金耐磨蝕塗層試驗和批量生產, 獲得了與基材呈冶金結合、厚度達到2~ 3mm 的工程用鐵基厚塗層。批量生產的刮板運輸機中部槽在井下實用考核, 比未經強化前壽命提高 4 倍以上,並降低了頻繁更換的勞動強度和煤炭生產中斷損失, 綜合經濟效益十分明顯。 圖 1 是等離子束表麵冶金處理後的刮板輸送機中部槽, 圖中白色亮帶是等離子束表麵冶金帶。

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                              圖 1 等離子束表麵冶金強化的中部槽

 

3.兩種技術的比較

等離子束表麵冶金與激光熔覆技術相比,對操作環境無特殊要求,無需設備降溫、除塵等輔助要求,操作簡單,設備維修容易,占地麵積小,設備造價可降低2 3, 電熱轉換效率高,耗電省,且易實現大功率設備製造。等離子束的熔化熔合效率、熔深及熔化材料範圍很大,特別適用於一般工業機械零件表麵的處理,具有優越的性價比。各項指標比較如表 1 所示。

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4.結 語

激光熔覆層的組織致密, 性能優良,熔覆過程無大的熱流衝擊,控製精度高。但激光熔覆工藝比較複雜,運行維護成本高,生產效率低,因而激光熔覆目前主要處於實驗室研究和航空航天等高科技領域,應用到一般工業生產領域還有一定的困難。等離子束能量密度大,效率高,連續工作穩定可靠,粉末選擇範圍寬,塗層厚度及機械性能可靈活調整,操作維護簡單,生產成本低。目前已在礦山機械易損件上逐步推廣應用,前景十分廣闊。因此,等離子束表麵冶金技術有望在各機械製造領域廣泛推廣應用。

 










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點擊次數:  更新時間:2018-05-25 14:01:17  【打印此頁】  【關閉