等離子熔覆技術的研究現狀及展望 (一)

                                              2017-09-07 09:58:23 admin 1486

                                              發布日期:9-7                    來源:豆丁網

                                              引言

                                                 磨損材料是三大主要失效形式之一,為了提高材料耐磨性能,各種以增強材料耐磨性為目的的表面涂層技術受到了研究者的廣泛關注,包括熱噴涂(焊)、電鍍、氣相沉積、高能束熔覆等,其中高能束熔覆是采用高能束(激光束、離子束等)為移動熱源在金屬材料表面快速熔覆一層耐磨、耐蝕、耐熱合金層的表面改性技術,熔覆層與基體成冶金結合,連接強度高,涂層組織均勻細小,具有良好的綜合性能,因此成為表面改性研究的特點。當前熔覆技術主要包括激光熔覆、等離子熔覆等,其中激光熔覆方面的研究較為成熟,但成本較高,且對工作環境有特殊要求,工件表面需黑化處理,等離子熔覆工藝過程簡單,污染少,雖然尺寸精度及成形件質量稍低于激光熔覆,但設備成本僅為后者的1/5,有研究表明,等離子熔覆生產效率約為激光熔覆的6~10倍,粉末利用率約為激光熔覆的2~4倍。因此在電力、煤炭、冶金、機械等諸多領域有著廣闊的應用前景。

                                              本文簡要歸納了常用等離子熔覆材料及其引入方式,討論了熔覆層的組織與性能特征,在此基礎上總結了等離子熔覆技術中存在的主要問題及解決途徑,對該技術的研究前景進行了展望。

                                              一、等離子熔覆材料及其引入方式

                                              等離子熔覆材料通常以粉末的形式加入,目前常采用的是耐磨、耐蝕等綜合性能良好,且與基體潤濕性較好的Ni基、Co基、Fe基等自然熔合金粉末。如在不銹鋼表面等離子熔覆Ni46粉末,制備與基體成冶金結合的高硬度、抗充蝕鎳合金涂層;在AISI304鋼表面熔覆Co基合金粉末,獲得耐高溫性能優于激光熔覆層的等離子熔覆層,在低碳鋼表面等離子熔覆Fe基合金粉末,得到樹枝狀γ-FeNi和枝晶間(Fe,Cr),(C2B)3,(Fe,Cr)3C2組織。Ni基和Co基合金粉末自然熔性良好,耐蝕、耐磨、抗氧化性也優異,但價格是鐵基合金粉末的10-30倍。而鐵基粉末自熔性、抗氧化性較差,熔層內氣孔夾渣較多。

                                              在沖擊和磨粒磨損嚴重的工況條件下,Ni基、Co基等自融合金已不能勝任,可向其中加入適量wc、TiC、TiB2、TiN、CrB2等陶瓷相及陶瓷相形成元素,制得陶瓷復合涂層及梯度涂層。如在Q235鋼表面等離子熔覆添加鎳包碳化鎢的Fe2Cr2B2Si合金粉末,制得以Cr23C6、Fe6W6C、WC、W2C、Cr7C3等為強化相的復合涂層;在碳鋼表面等離子熔覆B粉末,得到Fe2B、FeB等碳化物以針狀晶或共晶形式存在的高硬度耐磨涂層;通過在等離子氣與保護氣中混入適量氮氣,熔覆TiB的混合粉末,制得初生TiB2顆粒被Fe、TiB2TiC,N)的共晶包圍的耐磨涂層。

                                              等離子熔覆材料主要有兩種引入方式:預涂覆、同步送粉。預涂覆法易于涂覆混合粉末,但難以做到預置層厚度均勻,粘結劑揮發易造成粉末飛濺,形成氣孔,且多道搭接時易發生翹曲。與預涂覆法相比,同步送粉要求預置合金粉,但僅限于符合平衡相圖的合金,若要制得超合金層則需使用混合粉末,這又要求粉末中各成分比重基本一致、固態流動性好。

                                              二、等離子熔覆層的組織與性能特征

                                                   等離子熔覆本質上是一種快速非平衡冶金反應過程;熔池體積小,中間溫度高,邊緣低,溫度梯度很大,垂直于熔池邊界方向溫度梯度最大,有利于晶粒生長;熔池中金屬的熔化與凝固同步進行,溫度分布不均勻,形成對流,對熔池起攪拌作用;由于存在高熔點的懸浮雜質或經理殘骸,以及被加熱到微熔狀態的基體晶?;蛳嘟绫砻?,熔池非均勻形成顯著。這些都使得熔覆層具有組織細小、結構多樣、固溶度大、晶格畸變、存在亞穩相等特點。

                                              Fe基合金的等離子熔覆研究表明,從基體/涂層界面往涂層表面,依次形成平面晶、胞狀/樹枝晶、等軸晶、穗狀晶。在ICrI8Ni9Ti不銹鋼表面等離子熔覆Ni46合金粉末,涂層主要物相是面心立方的γ-Ni、M25C6型碳化物、CrB等硼化物。在Ni76Cr19AITi氣閥上熔覆鎢鉻鈷合金粉末,界面處微觀應變最大、亞晶粒最小,離界面越遠,微觀應變越小、亞晶粒

                                              越大。

                                              自熔合金中添加陶瓷相或陶瓷相形成元素后,原有及生成的陶瓷相起非均勻形核核心作用,同時阻礙枝晶長大,改變枝晶生長方向。張麗民在Fe基自熔合金中加入1.5wt%Nb元素,Nb改變了金屬液的凝固速度,最終得到等軸晶組織,未添加Nb元素的涂層得到枝晶組織。添加Nb的涂層存在NbC相,NbC釘扎在γ晶界處,有效抑制晶粒長大,涂層組織得到均勻、細化。L.Bourithis以TiC為增強相,在碳鋼表面制得等離子熔覆復合涂層。涂層以M和殘余γ為基體,在γ晶粒邊界處均勻分布眷球狀TiC顆粒。隨著TiC的生成,Ti減少,Mo、Cr、Fe代替部分Ti形成MC型碳化物。M.Darabara在碳化鋼表面等離子熔覆不同質量比的B-TiB2混合粉末,自由B的存在縮小了金屬液的凝固溫度區間,且使得初生TiB2顆粒均勻分布于Fe-TiB2-Fe2B共晶上。隨自由B含量的增加,組織由亞共晶過渡到共晶,隨TiB2含量的增加,熔道搭接處TiB2顆粒聚集。

                                              工件經等離子熔覆處理后,表面硬度明顯提高,為熔覆層獲得優良的耐磨性提供了保證?,F有研究認為熔覆層耐磨主要有四大原因:(1)固溶強化;(2)細晶強化;(3)彌散強化;(4)沉淀強化。在調質鋼表面等離子熔覆Fe-Cr-C合金粉末制得的涂層在室溫和高溫條件下的磨損表面都比較光滑,耐磨性優良。以瀝青為碳的前驅體等離子熔覆制得的TiC/Fe涂層硬度較高,耐磨性是Ni60涂層的12倍。此外,等離子熔覆Cr7C3/γ-Fe復合涂層在0.5mol/L的H2SO4及3.5wt%NaCl水溶液中均表現出優異的耐腐蝕性能。等離子熔覆Ni60/TiC涂層的抗汽蝕性明顯優于ZG06Crl3Ni5Mo不銹鋼

                                              三、等離子熔覆層的質量控制

                                              3.1工藝參數的影響

                                              在材料選定的情況下,等離子熔覆層的組織與性能主要受工藝參數的影響,包括熔覆功率、掃描速率、等離子炬與工件間距離、氣體流量、搭接率等。

                                              若熔覆功率太小,粉末熔化而基體不熔化,涂層在金屬表面呈“液珠”狀態,潤濕性差,凝固后將形成“鐵豆”;隨著熔覆功率的增大,熔覆層組織得到細化,表面平整度降低;若熔覆功率太大,基體融化量增多,稀釋作用增強,熔覆層成分將遠離涂層設計成分,同時涂層表面燒損嚴重,硬度將有所下降,達不到性能要求。

                                              隨著掃描速率的增大,熔池不斷減小并集中在等離子弧根部,粉末利用率下降,基體熔化量減少,稀釋率降低,同時熔覆層的冷卻速度加快,熱影響區減小,涂層組織得到細化,表面硬度增加,表面硬度增加。當掃描速率超過一定值時,熔池將無法連續形成。

                                              若等離子炬與工件距離太小,電離及保護氣體對涂層吹力將增大,粉末飛濺嚴重;隨著距離的增大,熔覆電壓將升高,基體融化量增多;若等離子炬與工件間距離太大,將不能順利點火起弧。

                                                                                圖片1.png

                                               隨著電離氣體流量的增大,粉末飛濺嚴重,等離子弧柱溫度升高,涂層吸收的熱量增多,這將會改變熔池的形狀,降低熔覆層表面平整度。

                                                實際生產中,為了制得大面積熔覆層,還需考慮涂層搭接率λ0.若λ0太小,兩熔道高度相同,涂層間有明顯的凹陷區,易形成孔洞、裂紋等缺陷;隨著λ0的增大,熔覆層晶粒粗化,顯微硬度有所降低,涂層中應力減小,裂紋不易產生;若λ0太大,后一道涂層高于前一道,將無法保證最終形成表面的尺寸精度。

                                              3.2多道搭接的影響

                                                 多道搭接過程中,等離子束在試樣小面積范圍內連續往復加熱,基體受到預熱,溫度高于單道熔覆時,同樣功率下將被較多熔化,稀釋率將增大,且冷卻速度降低,界面非自發形核率減小,界面附近原子互擴散能力加強,涂層組織將發生變化。有研究表明,多道搭接中非搭接影響區與單道熔覆層的組織形態基本相同,而搭接區組織粗大,顯著的方向性被破壞,表現為獨立分布。搭接區硬度與未搭接區基本一致,只是在熔覆層的近表面部位分布更加均勻;測試多道搭接熔覆層殘余應力發現,涂層表層為拉應力,過渡區出現殘余壓應力。

                                                 若按圖1的方式制備多道搭接激光熔覆層,會發現涂層第一道裂紋垂直于掃描方向,由于熔覆產生的應力在第一道上疊加,其他裂紋多發源于第一道。因此,袁斌提出新的多道搭接順序,見圖2,先在基體表面熔覆互相平行、有一定間隔的熔道,再在兩互不搭接的熔道之間進行一次搭接熔覆,搭接熔道的影響基本只限于與之搭接的兩熔道上,較易獲得大面積無裂紋的熔覆層。

                                                 綜上所述,采用等離子熔覆技術,控制熔覆層成分,選擇合適的熔覆工藝,可以在金屬基體表面制得高性能涂層,充分發揮了原材料的潛力。


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