表面熔融強(qiáng)化

第二章表面熔融強(qiáng)化通過(guò)加熱將工件表面層或涂覆在工件表面上的合金化材料熔化，或?qū)⑷刍说牟牧贤扛苍诠ぜ砻嫔希S后冷卻使其凝固成固態(tài)的強(qiáng)化層。液相固相相變結(jié)晶過(guò)程（晶粒度）非晶態(tài)過(guò)程涂覆性能更優(yōu)異材料

有效手段：①控制冷速；②變質(zhì)處理（孕育處理）非晶態(tài)相特點(diǎn)：沒(méi)有晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，具有高強(qiáng)度、高耐蝕性、各向同性；往往具有特殊的物理特性。1、熔體的結(jié)晶過(guò)程熔體的特點(diǎn)：無(wú)一定形狀；能流動(dòng)；擴(kuò)散快；其結(jié)構(gòu)（原子排列）是長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序（特別是溫度接近熔點(diǎn)時(shí)）；存在著結(jié)構(gòu)起伏。冰花結(jié)晶的動(dòng)力：是相變前后液相與固相的自由能差；結(jié)晶的阻力：液相與新生成固相界面引起的表面能和新相應(yīng)變能增加。結(jié)晶過(guò)程取決于動(dòng)力和阻力兩者隨溫度相對(duì)變化的結(jié)果。形核率的高低決定晶粒的大小2、非晶的形成非晶轉(zhuǎn)變溫度Tg涂層性能的影響因素：

晶粒大小：晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性也愈好（控制晶粒的大小非常重要：控制冷卻速度的方法（過(guò)冷度）；孕育處理（涂層合金中或熔化的合金中加入變質(zhì)劑，促進(jìn)非自發(fā)晶核的形成，抑制晶體長(zhǎng)大）。）

固相成分的均勻性：冷卻時(shí)按相圖規(guī)定進(jìn)行相變，冷速愈快，將造成固相中成分愈不均勻，也會(huì)對(duì)涂層性能產(chǎn)生影響。熔點(diǎn)Tm結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：保留溫度接近熔點(diǎn)附近的短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序。即在長(zhǎng)程無(wú)序的固體中存在短程有序區(qū)，它的大小和位置是固定不變的，不存在結(jié)構(gòu)起伏（與熔體的不同之處）。形成機(jī)制：（熔體結(jié)晶的動(dòng)力是自由能差，過(guò)冷度大自由能差增加，有利于結(jié)晶），但過(guò)冷度大熔體黏度增加，原子移動(dòng)困難，當(dāng)其移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)熵值趨近零時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。堆焊利用火焰、電弧、等離子弧等熱源將堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆成耐磨、耐蝕及耐熱涂層的工藝方法。

堆焊的目的不是為了連接零件，而是為了使零件表面獲得具有耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷金屬，或是為了恢復(fù)或增加零件的尺寸。因此，堆焊有兩方面的應(yīng)用，一方面可以恢復(fù)零件因磨損或加工過(guò)程中的失誤而造成的尺寸不足；另一方面可以對(duì)零件表面進(jìn)行改性，以獲得所需要的特殊性能。

根據(jù)熱源種類，堆焊分為電弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、氧-乙炔焰堆焊堆焊技術(shù)的特點(diǎn)

1、必須盡量控制稀釋率堆焊金屬的稀釋率（以百分比計(jì)）等于熔化的母材量（B）除以堆焊的金屬量（A）和熔化的母材金屬量之和。即

堆焊金屬的稀釋率大小會(huì)直接地影響到堆焊層的成分和性能，因此，它常常成為關(guān)系到堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于具體產(chǎn)品堆焊時(shí)，必須考慮所采用堆焊方法的稀釋率，以便對(duì)堆焊材料和堆焊方法的合理搭配作適當(dāng)?shù)倪x擇，從而保證堆焊層的成分和性能。堆焊金屬稀釋率的概念

2．合理地選擇堆焊層的合金系統(tǒng)堆焊層的合金系統(tǒng)是決定堆焊效果的主要因素，而堆焊層合金系統(tǒng)的確定必須從堆焊零件的具體情況來(lái)確定。堆焊合金的類型和特點(diǎn)所有的堆焊合金可歸納為鐵基、鎳基、鈷基、銅基和碳化鎢堆焊材料等幾種類型。鐵基堆焊合金性能范圍廣，韌性與抗磨性配合好，能滿足許多不同的要求，而且價(jià)格較低，品種也最多，所以應(yīng)用最廣。鐵基堆焊合金由于碳含量、合金元素含量和冷卻速度的不同，堆焊層的組織可以是馬氏體、奧氏體、珠光體和萊氏體碳化物等幾種基本類型。鎳基、鈷基堆焊合金價(jià)格較高，由于高溫性能好、耐腐蝕，主要用于要求耐高溫磨損、耐高溫腐蝕等場(chǎng)合。銅基材料的耐蝕性好，有時(shí)也用于堆焊材料。碳化鎢堆焊合金的耐磨料磨損性能最好，雖然其價(jià)格較貴，但在耐嚴(yán)重磨料磨損部位堆焊和工具堆焊中占重要地位。堆焊合金的選擇原則1、滿足零件堆焊的使用條件零件堆焊的使用條件（包括受力特點(diǎn)、工作介質(zhì)、潤(rùn)滑狀況、運(yùn)行狀況等）是選擇堆焊材料的主要依據(jù)。2、從經(jīng)濟(jì)角度選擇堆焊合金當(dāng)有幾種合金都能滿足零件的使用要求時(shí)，應(yīng)該綜合比較它們的經(jīng)濟(jì)性，以選擇既滿足使用要求，又有良好經(jīng)濟(jì)性的堆焊合金。3、從堆焊合金的工藝性能來(lái)選擇在滿足使用條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡量選用焊接性較好、堆焊工藝簡(jiǎn)單的堆焊材料。焊接性較差的材料容易產(chǎn)生堆焊缺陷，通常對(duì)零件要求預(yù)熱、緩冷。此時(shí)應(yīng)力求選擇抗裂性能好的合金，以使工藝簡(jiǎn)化并提高堆焊質(zhì)量。熱噴涂技術(shù)

技術(shù)原理熱噴涂技術(shù)就是這種表面防護(hù)和強(qiáng)化的技術(shù)之一,是表面工程中一門重要的學(xué)科。利用某種熱源,如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),然后借助焰流本身的動(dòng)力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體材料表面,與基體材料結(jié)合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術(shù)。熱噴涂技術(shù)分類（熱源種類）熱噴涂特點(diǎn)1）工藝靈活，適用范圍廣。熱噴涂施工對(duì)象可大可小，小的可到

10mm內(nèi)孔(線爆噴涂)，大的可到橋梁、鐵塔(火焰線材噴涂或電孤噴涂)，可在室內(nèi)噴涂，也可在野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；可整體噴涂，也可以局部噴涂。2）基體及噴涂材料廣泛?？赏ㄟ^(guò)噴涂不同材料，使工件表面獲得所需的各種物理化學(xué)性能。3）工件應(yīng)力變形小?；w可保持較低的溫度，工件產(chǎn)生的應(yīng)力變形很小。4）生產(chǎn)效率高。每小時(shí)噴涂材料重量從幾千克到幾十千克，沉積效率很高。

熱噴涂涂層噴涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜。

熱噴涂時(shí)，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態(tài)或高塑性狀態(tài)，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發(fā)生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時(shí)急冷而快速凝固，顆粒這樣遂層沉積而堆積成涂層涂層的結(jié)合包括涂層與基體的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。涂層與基體表面的粘結(jié)力稱為結(jié)合力，涂層內(nèi)部的粘結(jié)力稱為內(nèi)聚力。涂層中顆粒與基體之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合機(jī)理有以下幾種方式:（1）機(jī)械結(jié)合碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以顆粒的機(jī)械聯(lián)鎖而形成的結(jié)合（拋錨效應(yīng)），一般來(lái)說(shuō)，涂層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。（2）冶金－化學(xué)結(jié)合這是當(dāng)涂層和基體表面產(chǎn)主冶金反應(yīng)，如出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時(shí)的一種結(jié)合類型。當(dāng)噴涂后進(jìn)行重熔即噴焊時(shí)，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。（3）物理結(jié)合即當(dāng)高速的熔融粒子撞擊到基體表面且緊貼的距離達(dá)到基體原子間晶格常數(shù)范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生范德華力，而由此引起的結(jié)合屬于物理結(jié)合。一般在基材表面十分干凈或進(jìn)行活化后才有產(chǎn)生這種結(jié)合的可能性。

熱噴涂涂層的結(jié)合機(jī)理⑴.化學(xué)成分氧化物、氮化物，以及在高溫下會(huì)發(fā)生分解產(chǎn)生的分解物⑵.孔隙度熱噴涂涂層中不可避免地存在著孔隙，孔隙度的大小與顆粒的溫度和速度以及噴涂距離和噴涂角度等噴涂參數(shù)有關(guān)。⑶.硬度由于熱噴涂涂層在形成時(shí)的激冷和高速撞擊，涂層晶粒細(xì)化以及晶格產(chǎn)生畸變使涂層得到強(qiáng)化，因而熱噴涂涂層的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也會(huì)因噴涂方法的不同而有所差異。⑷.結(jié)合強(qiáng)度熱噴涂涂層與基體的結(jié)合主要依靠與基體粗糙表面的機(jī)械咬合（拋描效應(yīng)）?；谋砻娴那鍧嵆潭?、涂層材料的顆粒溫度和顆粒撞擊基體的速度以及涂層中殘余應(yīng)力的大小均會(huì)影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。⑸.冷熱疲勞性能涂層抗熱震性能的好壞主要取決于涂層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)差異的大小和涂層與基體材料結(jié)合的強(qiáng)弱。熱噴涂涂層的性能

當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時(shí)，在產(chǎn)生變形的同時(shí)受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。涂層的外層受拉應(yīng)力，基體有時(shí)也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應(yīng)力。涂層中的這種殘余應(yīng)力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質(zhì)的差異所造成的。

設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見(jiàn)效快可制備各種金屬、合金、陶瓷及塑料涂層

涂層孔隙度較大,與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度也較低低速火焰噴涂

噴槍主要由兩部份組成：產(chǎn)生火焰的氧、乙炔供給裝置和噴涂粉末供給系統(tǒng)。進(jìn)行噴涂時(shí)，氧氣和乙炔在噴嘴燃燒，同時(shí)粉末隨氧氣輸送至噴嘴，粉末被噴嘴的高溫火焰加熱熔化或半熔化后噴射到工件表面形成涂層。設(shè)備一次投資少，使用方便、效率高

噴涂材料必須是導(dǎo)電的金屬及合金絲電弧噴涂1、可以在冷工件表面噴涂，噴涂過(guò)程中工件受熱不大。2、在特殊的情況下工件表面可以不先進(jìn)行噴砂處理，而直接噴涂。3、結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，涂層致密度好。4、可以用多種粉末材料進(jìn)行噴涂，包括各種單一金屬、合金、單一氧化物或混合氧化物、硬質(zhì)合金、以碳化鎢或碳化鈦為基體的金屬陶瓷，以及各種復(fù)合材料等等，因而可以根據(jù)實(shí)際需要選擇適當(dāng)涂層材料，賦予工件表面特定的性能。例如耐磨、耐熱、抗蝕、抗沖擊載荷、導(dǎo)電、絕緣、增摩、減摩等。5、爆炸噴涂過(guò)程是在常壓空氣中完成的，工件周圍不需要真空或其它保護(hù)氣體，因而適于對(duì)大尺寸工件進(jìn)行噴涂。爆炸噴涂首先將一定比例的氧氣和燃?xì)馑偷角惑w中的燃燒室，然后從另一入口將氮?dú)馀c噴涂材料粉末混合送入，火花塞點(diǎn)火，使得氧氣—燃?xì)饣旌蠚怏w產(chǎn)生爆炸，產(chǎn)生熱及壓力波，將粉末熔融，隨爆燃?xì)怏w一起射向被噴涂的工件表面涂層孔隙度低（<1%），與基體結(jié)合牢固，結(jié)合強(qiáng)度100～160MPa，最高可達(dá)250MPa。超音速噴涂Laval管獲得超音速的方法：1、Laval管；2、爆震產(chǎn)生的波

氣體經(jīng)過(guò)足夠壓縮、速度可在管道某一截面達(dá)到聲速，則經(jīng)過(guò)此截面后，將獲得超音速。這種將亞音速流變?yōu)槌羲倭鞯墓艿婪Q之為laval管。由流體力學(xué)知，對(duì)一維定常流動(dòng)，考慮可壓縮流體，則有：由上面三個(gè)公式可求得：式中：S：管道截面積；ρ：氣體密度；K：氣體常數(shù)P：氣體壓力；v：流體速度

產(chǎn)生爆震