激光等離子束表層合金化技術(shù)研究進(jìn)展

激光等離子束表層合金化技術(shù)研究進(jìn)展

等距離器表面金屬化是一種對(duì)零件表面的綜合集成能力或某些性能的最大改善，并且具有很高的成本效率。這是一種節(jié)省資源配置的制造技術(shù)。其工藝方法是采用高能量密度的等離子束作為工件表層快速冶煉的加熱源,將滿足工件表層綜合性能或某些特定性能要求的預(yù)制合金在工件表面進(jìn)行快速、均勻冶煉,從而在工件表層形成具有特定成分與性能梯度并厚度可控的合金化層。高能量束(激光、電子束、等離子束)表面相變淬火、熔凝淬火的研究相對(duì)充分,其中激光表面淬火強(qiáng)化的研究最為廣泛、深入,其表面強(qiáng)化的效果幾乎達(dá)到了各種材料的極限。為了超越工件基材性能極限,激光科技人員研究開(kāi)發(fā)了激光熔覆、激光合金化工藝技術(shù),并已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。激光熔覆已應(yīng)用于發(fā)電設(shè)備重要零部件的修復(fù)、強(qiáng)化;華工科技激光成套設(shè)備有限公司與十堰納特公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)超微激光合金化涂料及工藝已用于鋼鐵工業(yè)熱軋輥的高溫耐磨、抗氧化、熱疲勞強(qiáng)化,將單次修輥過(guò)鋼量提高一倍等離子束表面強(qiáng)化的研究滯后于激光。目前等離子束表面強(qiáng)化研究的發(fā)展趨勢(shì)幾乎在復(fù)制激光的發(fā)展歷程:淬火、熔覆、合金化,其中等離子束表面淬火、熔覆的技術(shù)成果發(fā)布及文獻(xiàn)日漸增加,T.Miyazaki對(duì)微束等離子弧45鋼表面淬火、低碳鋼AISI10表面合金化強(qiáng)化進(jìn)行了探索性研究與激光合金化相同,等離子束表層合金化可以使工件表層獲得超越工件基體的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、強(qiáng)韌化等性能,且等離子束相比較于激光有如下優(yōu)勢(shì):能量利用效率高、設(shè)備投資小、運(yùn)行成本低、工藝性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、加工效率高(輸出功率絕對(duì)值可遠(yuǎn)大于激光)等,因而具有更為廣泛、深入的工程應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。1等離子束和激光表面活性劑的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效率的比較1.1等離子束與激光束能量密度比較能量密度是高能量束用于表面強(qiáng)化處理最為重要的技術(shù)參數(shù)。目前高能量束能量密度的比較通常只對(duì)最高可達(dá)的能量密度即理論能量密度進(jìn)行比較,忽略了對(duì)高能量束工程應(yīng)用的能量密度比較,因此在滿足工業(yè)加工效率前提下,等離子束與激光束能量密度比較才具有工程應(yīng)用意義。等離子束能量密度僅低于激光束和電子束,等離子束最高能量密度為101.2等離子束和激光束表面活性劑的應(yīng)用技術(shù)的比較1.2.1設(shè)備輸出的比較目前用于表面強(qiáng)化處理的激光器多為CO1.2.2效率低下的原因等離子束能量轉(zhuǎn)換效率非常高約75%1.2.3能量密度轉(zhuǎn)換5kWCO等離子束表面強(qiáng)化處理的工藝參數(shù)是沿用等離子焊接的電流參數(shù),因此需將其轉(zhuǎn)換為能量密度,方能具有可比性。如文獻(xiàn):浙江大學(xué)嚴(yán)密等在45鋼表面熔覆鐵基合金的工藝參數(shù)為弧柱直徑?1.5mm,電源輸出功率108W,掃描速度90mm/min,以75%轉(zhuǎn)換效率計(jì)算其輸入能量密度為0.6W/mm1.2.4凝固結(jié)構(gòu)和碳化物的變化等離子束的電場(chǎng)和產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)熔池的電磁攪拌無(wú)電磁攪拌的凝固組織定向枝晶發(fā)達(dá)共晶碳化物沿枝晶間析出呈連續(xù)網(wǎng)狀分布,電磁攪拌熔凝組織呈細(xì)碎等軸晶的凝固結(jié)構(gòu)和碳化物的粒狀彌散狀態(tài)1.2.5碳化物的燒損等離子束離子氣可降低熔池的氧化、合金元素及碳化物的燒損。激光淬火、熔凝和熔覆也可外加Ar氣保護(hù),但會(huì)干擾熔覆送粉,影響激光熔覆質(zhì)量與效率,降低合金粉的利用率。1.3經(jīng)濟(jì)比較經(jīng)濟(jì)性是工程應(yīng)用選擇的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。描述經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)指標(biāo)是性價(jià)比。設(shè)備投資、運(yùn)行成本如表4。1.4等離子束加工激光束和等離子束與物質(zhì)交互作用的機(jī)理不同、設(shè)備特性不同,使其工藝適用性有很大差異。激光束的發(fā)散角為0.5°遠(yuǎn)小于等離子束的發(fā)散角5°。因此激光束聚焦輸出裝置可遠(yuǎn)離工件,聚焦輸出裝置與工件距離一定范圍的變化對(duì)激光束的能量密度影響不大。等離子炬(轉(zhuǎn)移弧)必須與工件保持<20mm的距離,其能量密度與距離為負(fù)相關(guān)。距離過(guò)小會(huì)導(dǎo)致噴嘴早期燒損。因此,等離子束不能用于尺寸較小的復(fù)雜工件的表面強(qiáng)化處理。激光束的光學(xué)性要求激光束必須沿工件法向輸入,否則產(chǎn)生反射降低工件表面輸入能量密度。CO5kWCO2表層合金化強(qiáng)化的表面性能要求本文提出的等離子束表層合金化是通過(guò)對(duì)已加工成型工件表層(精加工之前)進(jìn)行等離子束局部快速熔融冶煉溶入合金元素、陶瓷強(qiáng)化相的一種表面內(nèi)延強(qiáng)化技術(shù)(相對(duì)于表面外延強(qiáng)化技術(shù):熔覆)。表層合金化強(qiáng)化基于工程應(yīng)用中工件表層對(duì)綜合性能或某些特定性能超越基體材料性能極限的迫切需求;基于強(qiáng)化效果好、后續(xù)加工余量小、工件畸變量小的技術(shù)要求;基于工件表層強(qiáng)化工藝操控性強(qiáng)、性價(jià)比高及加工效率高的經(jīng)濟(jì)性要求。本文作者認(rèn)為等離子束表層合金化是一種對(duì)工件表層綜合性能或某些特定性能最大程度強(qiáng)化、性價(jià)比最高的工藝方法,是一種資源節(jié)約型的制造技術(shù)。為機(jī)械制造提供了更為廣泛的工藝路線、材料種類(lèi)的選擇。2.1離子表面冶金技術(shù)等離子表面冶金工藝方法按等離子體稠密程度分為雙輝等離子表面冶金(真空環(huán)境)和等離子束表面冶金(大氣環(huán)境)。1雙輝光離子滲金屬其強(qiáng)化形式是表面內(nèi)延型,即提高基體表層的某些特定合金元素含量以提高其表層特定性能。該技術(shù)在離子滲氮技術(shù)的基礎(chǔ)上,發(fā)展形成雙層輝光離子滲金屬技術(shù)。是在真空、1000～1150℃條件下,利用雙層輝光放電現(xiàn)象及其所產(chǎn)生的低溫等離子體,實(shí)現(xiàn)材料表面合金化的表面工程技術(shù)。該技術(shù)已成功地將固態(tài)合金元素如C、B,Ni、Cr、Mo、W、Ti、Al、Nb、Zr以及它們的組合滲入金屬材料表層,形成一系列高硬度、耐磨、抗腐蝕合金層2等離子束表層合金其強(qiáng)化形式是表面外延型,即基體表面熔覆一層某種性能遠(yuǎn)超過(guò)基體的合金層。A.S.C.M.D’Oliveira在304不銹鋼和20鋼表面用直流脈沖等離子束熔覆Co基合金,其熔覆層硬度高于直流等離子束熔覆本文提出的等離子束表層合金化是以上兩種技術(shù)的結(jié)合體。其強(qiáng)化機(jī)理與雙輝等離子表面冶金相同,工藝方法與等離子束表面冶金相同,是兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的集合體。2.2相含量的提高等離子束表層合金化是通過(guò)對(duì)已加工成型工件表層(精加工之前)進(jìn)行等離子束局部快速熔融冶煉溶入合金元素、陶瓷強(qiáng)化相的一種新型表面強(qiáng)化工藝方法。提高工件表層的合金元素、陶瓷強(qiáng)化相含量,以使工件一定厚度表層獲得超越工件基材性能極限的綜合性能或某些突出性能。等離子束表層合金化屬于等離子表面冶金技術(shù)范疇。為保證工件綜合機(jī)械性能,應(yīng)避免合金化層與基體產(chǎn)生過(guò)高的成分梯度,使表層與基體形成科學(xué)合理的機(jī)械性能梯度。合金化材料體系需遵循以下梯級(jí)原則:碳鋼表層→中低合金鋼表層→高合金鋼表層→高速鋼表層→高速鋼硬質(zhì)合金表層(見(jiàn)圖1);鑄鐵表層→合金冷激鑄鐵表層→合金半鋼表層(脫碳、加鐵稀釋)→高碳高速鋼表層;非不銹鋼表層→不銹鋼表層(脫碳)→耐磨蝕、耐氣蝕Ni基、Co基等合金層。2.3合金化涂層的搭接將能滿足工件表層高性能要求、與基體材料相容性好的高合金(基體材料含量很低)、陶瓷強(qiáng)化相超細(xì)粉及高溫粘結(jié)劑均勻分散于溶劑中制成合金化涂料,將涂料均勻涂覆(噴涂、刷涂、流涂、刮涂)于工件需強(qiáng)化的表面,形成一定厚度的合金化涂層,待涂層自然表干后,熱風(fēng)烘干,將工件裝夾于數(shù)控掃描機(jī)床上,輸入工藝參數(shù):維弧電流、轉(zhuǎn)移弧電流、離子氣流量、保護(hù)氣流量、掃描速度和掃描路徑,調(diào)整等離子炬噴嘴端面與工件的距離,啟動(dòng)設(shè)備對(duì)合金化涂層進(jìn)行勻速搭接掃描。合金化涂層和工件一定深度表層被高能量密度轉(zhuǎn)移弧快速加熱至熔化,涂層中的合金元素及陶瓷相在轉(zhuǎn)移弧電磁場(chǎng)和氬氣射流攪拌作用下均勻熔入、分散于工件表層熔池中,熔池凝固后在工件表層形成一定厚度的、滿足工件性能要求的合金化層。經(jīng)去應(yīng)力處理、熱處理、精加工后工件可投入使用。M.Darabara在0.2wt%C、1.4wt%Mn和0.3wt%Si低碳Mn鋼表面上預(yù)置單位面積重量為0.13g/cm華中科技大學(xué)胡樹(shù)兵等在自行研究開(kāi)發(fā)的等離子束表層合金化專(zhuān)用設(shè)備上對(duì)45鋼和QT600表層進(jìn)行了合金化試驗(yàn)。合金化預(yù)涂層0.4mm,合金化層次表層維氏硬度最高達(dá)1200HV0.2,合金化層深最高達(dá)2.5mm2.4等離子束表層合金化層硬度和層深變化華中科技大學(xué)黃齊文、胡樹(shù)兵用0801激光合金化涂料,在QT600和45鋼基材上進(jìn)行了等離子束激光合金化對(duì)比試驗(yàn),初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等離子束表層合金化效果完全達(dá)到了激光表面合金化。合金化表面質(zhì)量形貌和激光表面合金化表面形貌的比較如圖3。等離子束表層合金化表面熔池波紋清晰,表面質(zhì)量?jī)?yōu)于激光,有少數(shù)細(xì)小表面裂紋;激光合金化表面氧化嚴(yán)重,合金化元素中Cr的氧化嚴(yán)重,圖中藍(lán)綠色的氧化物為FeO·Cr硬度分布、層深比較:合金化涂層厚度相同的條件下,等離子束表層合金化硬度和層深明顯高于激光。等離子束表層硬度在次表層呈現(xiàn)為駝峰分布,見(jiàn)圖4。600℃×2h回火硬度比較:將兩種經(jīng)合金化處理的試樣進(jìn)行600℃×2h回火處理,激光合金化硬度下降程度大于等離子束表層合金化,其硬度變化如表5。A.S.C.M.d’Oliveira在激光和等離子束Co基合金熔覆層的高溫加熱后性能的比較研究中發(fā)現(xiàn),等離子束Co基合金熔覆層的硬度穩(wěn)定性高于激光,其硬度變化如表6,激光熔覆層硬度下降的機(jī)理是在基體中析出大量細(xì)小碳化物,導(dǎo)致Co基合金熔覆層高溫耐蝕性能下降QT600激光合金化層SEM照片如圖5所示。合金化層中消除了基體中的疏松、氣孔缺陷,合金化層與基體兩者之間組織為連續(xù)漸變過(guò)渡,無(wú)冶金界面存在。QT600等離子束表層合金化層金相照片如圖6所示。激光合金化的頂部組織為萊氏體和殘留奧氏體,其底部為枝晶結(jié)構(gòu)組織。等離子束合金化層呈枝狀結(jié)晶形態(tài),頂部組織為萊氏體和少量殘留奧氏體,中部為呈胞枝狀結(jié)晶形態(tài)、殘留奧氏體含量高于頂部。等離子束合金化層組織較激光粗大。這是由于冷卻速率造成的。2.5耐水劑及耐蝕力強(qiáng)等離子束表層合金化主要應(yīng)用在:①鋼鐵行業(yè)軋輥表層熱疲勞強(qiáng)韌化、耐磨強(qiáng)化、抗水蒸汽氧化、抗高溫氧化;②汽車(chē)行業(yè)大型覆蓋件球鐵材質(zhì)拉延成型模具局部表層耐磨強(qiáng)化;③高頻焊管軋輥、冷拔管模具表層耐磨強(qiáng)化;④石油鉆桿、抽油桿表層耐磨蝕強(qiáng)化;⑤大型船用柴油機(jī)缸套內(nèi)壁表層高溫耐磨強(qiáng)化、大型油缸耐磨強(qiáng)化;⑥水介質(zhì)液壓缸、閥工作面耐磨蝕、氣蝕強(qiáng)化;⑦大型軸承滾道接觸疲勞強(qiáng)韌化、耐磨強(qiáng)化;⑧火車(chē)輪對(duì)表層強(qiáng)韌化、自動(dòng)車(chē)鉤工作面耐磨強(qiáng)化、強(qiáng)韌化;⑨化工用泵類(lèi)、軸類(lèi)表面耐磨蝕強(qiáng)化、氣蝕強(qiáng)化;⑩煤電鍋爐盤(pán)管高溫耐磨蝕強(qiáng)化,PengFan