（材料学专业论文）热喷涂wc复合耐磨涂层制备.pdf

热喷涂w c 复合耐磨涂层制备 摘要 本文采用改进的电弧喷涂技术，以低碳钢为粘结剂，在4 5 群钢表面喷涂w c 钢复合喷涂层，而后又使用氩弧重熔工艺对喷涂层重熔，制备了w c 一钢复合熔 覆层。 利用金相光学显微镜、场发射扫描电镜、能谱仪、x 射线衍射仪等研究手 段分析研究了w c 钢复合喷涂层和w c 一钢复合熔覆层的微观组织、结构以及涂 层结合区的组织特征。利用显微硬度计测量了喷涂层和熔覆层的硬度分析了熔 覆层显微硬度变化。 在m m 2 0 0 型滑动磨损试验机上，对w c 钢复合熔覆层进行室温下的干滑动 摩擦磨损性能测试，借助于扫描电镜观察磨损试样磨面形貌，探讨其摩擦磨损 机理。 试验结果表明：本试验尝试使用的改进的电弧喷涂方法在实验室中使用是 可行的，利用这套改进的设备制备了钢基w c 喷涂涂层，并且得到了不同w c 含量的喷涂层；经氩弧重熔后，层片状组织消失、组织细小致密，缺陷消除， 熔覆层与基体之间过渡区显微硬度梯度较为平缓；喷涂层与基体之间主要是机 械结合，而熔覆层与基体之间为良好的冶金结合；适量w c 的加入可以形成大 量细小的硬质相颗粒，从而提高了熔覆层的硬度与耐磨性；随着w c 含量的增 加，熔覆层的硬度会增加，但磨损性能先变好后变差；材料的耐磨性与w c 的 含量存在一定的对应关系，在提高材料耐磨性时，应考虑加入适量的w c ；随 着w c 加入量的不同，复合涂层的磨损机制也有所不同：含i o w c 的熔覆层磨 损机制主要以粘着磨损带有微切削，含1 5 w c 的熔覆层磨损机制以较为严重的 微切削为主，含2 0 w c 的熔覆层磨损机制主要为微切削和轻微剥落，含2 5 w c 的熔覆层磨损机制主要为剥落。 关键词：电弧喷涂氩弧重熔组织耐磨性能磨损机制 p r e p a r a t i o no fw c c o m p o s i t e d w e a r - r e s i s t a n t c o a t i n gb yt h e r m a ls p r a ym e t h o d s a b s t r a c t s w cc o m p o s i t ew e a r r e s i s t a n tc o a t i n gw e r ec o a t e do nt h es u r f a c eo f4 5 # s t e e l b ym e a n so ft h ei m p r o v e da r cs p r a y i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h e nr e m e l t e db ya r g o n s h i e l d e da r cr e m e l t i n gt e c h n o l o g y t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t ec o a t i n gw a si n v e s t i g a t e db ym e a n so f m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h em i c r o h a r d n e s so f c o m p o s i t ec o a t i n g sw a sm e a s u r e db yt h em i c r o h a r d n e s si n s t r u m e n t a n dc h a n g e si n m i c r o h a r d n e s so ft h ec l a d d i n gl a y e rw e r ea n a l y z e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t ew a st e s t e db ya nm m 一2 0 0f r i c t i o nw e a r t e s t i n gm a c h i n eu n d e ru n l u b r i c a t e dc o n d i t i o n t h ef r i c t i o ns u r f a c em o r p h o l o g yw a s o b s e r v e db ym e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，a n dt h ew e a r m e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o do ft h ei m p r o v e da r cs p r a y i n gt e c h n o l o g y f e a s i b l ei nl a b o r a t o r y s o m ew cc o m p o s i t ec o a t i n gs a m p l e sw i t hd i f f e r e n tw c c o n t e n tw e r ep r e p a r e d t h em i c r o s t r u c t u r e so fc o m p o s i t ec o a t i n g sa f t e ra r g o n s h i e l d e da r cr e m e l t e da r em o r eh o m o g e n e o u sa n dr e f i n et h a nw c s t e e lc o m p o s i t e c o a t i n g sa f t e ra r cs p r a y e d a n di nt h ec o a t i n g s ，t h el a m e l l a rc h a r a c t e ro ft h e m i c r o s t r u c t u r ed i s a p p e a r e d ，d e f e c t se l i m i n a t e d ，t h ec l a d d i n gl a y e ra n dt h es u b s t r a t e t r a n s i t i o nz o n eb e t w e e nt h er e l a t i v e l yh a sag e n t l em i c r o h a r d n e s sg r a d i e n t t h e c o m p o s i t ec o a t i n g s a r em e c h a n i c a l l yb o n da f t e ra r cs p r a y i n g ，b u tm e t a l l u r g i c a l b o n da f t e ra r g o ns h i e l d e da r cr e m e l t e dt ot h eb a s em e t a l t h eh a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t a n c eo ft h ew cc o m p o s i t ew e a r r e s i s t a n tc o a tc a nb eg r e a t l yi m p r o v e da sa r e s u l to ft h eg e n e r a t i o no fa m o u n t so ff i n e rp a r t i c l e sw i t ha p p r o p r i a t ew c c o n t e n t a st h ew cc o n t e n ti n c r e a s e d ，t h eh a r d n e s so ft h ec o a t i n gw i l li n c r e a s e ，b u tt h e w e a rp r o p e r t i e st od e t e r i o r a t ea f t e rt h ef i r s tc h a n g e df o rt h eb e t t e r t h e r ei sab e s t c o n t e n to fw ci nw c c o m p os i t ec o a t i n gi no r d e rt oi m p r o v ew e a rr e s i s t a n c eo f m a t e r i a l s t h e r ea r ed i f f e r e n tw e a rm e c h a n i s m s ，w i t hd i f f e r e n tw cc o n t e n ti n c o m p o s i t ec o a t i n g t h ed o m i n a n tw e a rm e c h a n i s mi sa d h e s i o n a n ds l i g h tc u t t i n g f o rt h a tw i t h10 w t w cc o n t e n t ，h e a v yc u t t i n gf o rt h ec l a dw i t h15 w t w cc o n t e n t ， 2 s l i g h tc u t t i n ga n ds p a l l i n gw i t h2 0 w t w cc o n t e n t ，a n ds p a l l i n gw i t h2 5 w t w c c o n t e n t k e yw o r d s ：r r cs p r a y ；a r g o ns h i e l d e da r cr e r n e l f i n g ；m i c r o s t m c t u r e ；w e a l r e s i s t a n c e ； w e a l m e e h a n i s m ； 3 插图清单 图1 1 喷涂原理图及喷枪示意图6 图1 2 钨极惰性气体保护重熔示意图8 图2 1 显微硬度测试示意图1 8 图3 1 价键力与作用距离的关系【5 2 1 图4 10 群试样未侵蚀显微照片2 8 图4 2 扩试样的x 射线衍射图谱2 8 图4 3 涂层形成过程2 9 图4 4 缺陷形成示意图2 9 图4 5 涂层缺陷产生示意图2 9 图4 。61 样试样金相显微组织3 0 图4 71 萍试样的x 射线衍射图谱3 0 图4 81 襻试样的能谱图3 l 图4 。92 挣试样金相显微组织3 2 图4 1o2 并试样的x r d 3 2 图4 1 12 并试样的e d s 3 3 图4 。1 23 # 试样金相显微组织图3 3 图4 1 33 样试样的x r d 3 4 图4 1 43 群试样的e d s 3 4 图4 15 矿试样金相显微组织图3 5 图4 164 萍试样的x r d 3 5 图4 1 74 井试样的e d s 3 6 图4 181 并重熔试样的显微组织3 6 图4 1 91 群重熔试样的x r d 3 7 图4 2 01 并重熔试样的e d s 3 7 图4 。2 11 撑试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度3 8 图4 2 22 徉重熔试样的显微组织3 8 图4 2 32 # 重熔试样的x r d 3 9 图4 2 42 并重熔试样的e d s 3 9 图4 2 52 撑试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度3 9 图4 2 63 并重熔试样的显微组织：4 0 图4 2 73 群重熔试样的x r d 4 1 图4 2 83 群重熔试样的e d s 4 1 图4 2 93 撑重熔试样熔覆层硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度4 1 图4 3 04 并重熔试样的显微组织4 2 图4 3 l4 并重熔试样的x r d 4 2 图4 3 24 并重熔试样的e d s 4 3 图4 3 34 撑试样截面熔覆层显微硬度及其与基体结合界面的显微硬度梯度4 3 4 图5 1 四组试样的显微硬度。4 5 图5 2 熔覆层质量磨损量随磨损时问的变化曲线4 6 图5 3 涂层的摩擦系数随磨损时间变化的关系曲线4 7 图5 41 弹试样磨损表面形貌s e m 照片4 8 图5 52 井试样磨损表面形貌s e m 照片5 0 图5 63 掸试样磨损表面形貌s e m 照片5 1 图5 74 井试样磨损表面形貌s e m 照片5 3 5 表格清单 表2 14 5 撑钢和低碳钢丝的化学成分( w t ) 1 4 表2 2 试样的成分范围1 4 表2 3w c 的物理性能【18 1 1 4 表2 4w c 与f e 、c o 、n i 润湿性【18 1 一1 5 表2 5 氩弧焊热源的主要特性【4 0 1 一1 5 6 独创性声明 一么葡p m 霜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒e 墨王些太 当兰一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者虢从彳， 签字日期，( 7 年肛月f 毛 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：口7 年i f 月，娟 电话： 邮编： 致谢 本研究及学位论文是在我的导师杜晓东副教授的亲切关怀和悉心指导下完 成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感 染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，杜老师都始终给予我细心的 指导和不懈的支持。两年多来，杜老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还 在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向杜老师致以诚挚的谢意和崇 高的敬意。 感谢在开题时对本研究提出宝贵建议和建设性意见的所有老师! 感谢徐道荣、秦琳老师的大力帮助，以及实验中心的郑玉春、汪冬梅、程 娟文等老师在实验过程中给予的帮助、支持和信任! 感谢杨晓娟、沈红雪等同学在实验和本文成文过程中给予的协助和付出的 努力! 感谢师兄王义飞、汪瑞俊和师姐王兰给予的指导与帮助! 感谢师弟王建峰在试验中给予的协助! 最后，向我的父亲、母亲、爱人、女儿致谢，感谢他们对我的理解与支持! 本课题得到安徽省十一五科技攻关重点项目( 0 6 0 2 2 0 0 3 ) 、安徽省教育厅自 然科学重点项目( k j 2 0 0 9 a 0 9 4 ) 的资助。 4 作者：从东锋 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 前言 机械装备运行中的磨损、腐蚀、疲劳、老化等失效现象是缩短装备使用寿 命、消耗维修费用的基础性因素。世界钢产量有十分之一腐蚀损失，机电产品 失效7 0 属于腐蚀和磨损，机电产品制造和使用中大约三分之一的能源消耗于 摩擦磨损。2 0 0 3 年中国工程院组织了一个专题调查，调查显示2 0 0 2 年我国由 于腐蚀造成的损失接近6 0 0 0 亿元，占国家g d p 的5 。2 0 0 7 年又做了一个摩 擦学的调查，报告显示2 0 0 6 年八个主要工业行业因摩擦磨损造成的损失达到 9 5 0 0 亿元，相当于g d p 的4 5 。和工业发达国家相比，由于我国相同工业产 值的能耗高，造成我国资源浪费很大，节能降耗一直是我国工业发展中努力追 求的目标。而节能降耗，减少摩损、腐蚀是个很重大的问题，而腐蚀、磨损主 要都是从表面开始。d - 5 】 表面科学作为一门科学来讲，在世界范围内也就是上世纪八十年代才形成 的。我国的表面工程重要标志是中国工程机械协会1 9 8 7 年1 2 月建立了第一个 学会性质的表面工程研究所，徐滨士担任所长。 表面工程是改善机械零件、电子电器元件基质材料表面性能的一门科学和 技术。对于机械零件，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐热性、抗 疲劳强度等力学性能，以保证现代机械在高速、高温、重载以及强腐蚀介质工 况下可靠而持续地运行；对于电子电器元件，表面工程主要用于提高元器件表 面的电、磁、声、光等特殊物理性能，以保证现代电子产品容量大、传输快、 体积小、高转换率、高可靠性；对于机电产品的包装及工艺品，表面工程主要 用于提高表面的耐蚀性和美观性，以实现机电产品优异性能、艺术造型与绚丽 外表的完美结合；对生物医学材料，表面工程主要用于提高人造骨骼等人体植 入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性，以保证患者的健康并提高生活质 量。表面工程中的各项表面技术已应用于各类机电产品中，可以说，没有表面 工程就没有现代机电产品。表面工程是现代制造技术的重要组成部分，是维修 与再制造的基本手段。表面工程对节能、节材、保护环境、支持社会可持续发 展发挥着重要作用。专家们预言，表面工程将成为2 1 世纪工业发展的关键技术 之一。表面工程已成为从事机电产品设计、制造、维修、再制造工程技术人员 必备的知识，成为机电产品不断创新的知识源泉。1 6 - 1 2 j 表面工程是将工件经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面 技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构 和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程【6 】。由此看出，表面工程的处 理对象是金属或非金属的固态表面，获得所需表面性能的基本途径是改变固态 表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况。表面工程包括表面改性、表面 处理、表面涂覆、复合表面工程技术以及纳米表面工程技术。表面改性是指通 过改变材料表面的化学成分以达到改善表面结构和性能的目的i l3 。这一类表面 工程技术包括化学热处理、离子注入等。表面处理是不改变基质材料的化学成 分，只通过表面的组织结构达到改善表面性能的目的。这一类表面工程技术包 括表面淬火热处理、喷丸以及表面纳米化加工技术等。表面涂覆是在基质表面 上形成一种膜层。涂覆层的化学成分、组织结构可以和基质材料完全不同，它 以满足表面性能、涂覆层与基质材料的结合强度以适应工况要求、经济性好、 环保性好为准则。涂覆层的厚度可以是几毫米，也可以是几微米。通常在基质 零件表面预留加工余量，以实现表面具有工况需要的涂覆层厚度。表面涂覆和 前两类表面改性和表面处理相比，由于它的约束条件少，而且技术类型和材料 的选择空间很大，因而，属于表面涂覆类的表面工程技术非常多，而且应用最 为广泛。这一类表面工程技术包括电镀、电刷镀、化学镀、物理气相沉积、化 学气相沉积、热喷涂、堆焊、激光束或电子束表面熔覆、热浸镀、粘涂、涂装 等。复合表面工程技术是对上述三类表面工程技术的综合运用。复合表面工程 技术是在一种基质材料表面上采用了两种或多种表面工程技术，用以克服单一 表面工程技术的局限性，发挥多种表面工程技术间的协同效应，从而表面性能、 质量、经济性达到优化【l4 1 。纳米表面工程技术充分利用纳米材料的优异性能， 将传统表面工程技术与纳米材料、纳米技术交叉、综合、融合，制备出含纳米 颗粒的复合覆层或纳米结构的表层【l 川。 1 1 复合表面工程技术 科技的进步和设备的发展对各种机械设备零件性能的要求越来越高，对一 些在高速、重载、高温和严重腐蚀介质等条件下工作的零件表面性能要求尤为 苛刻。原来单一的表面技术往往不能满足这些苛刻的要求，因而出现了将两种 或多种表面技术以适当的顺序和方法加以组合，或以某种表面技术为基础制造 复合涂层、复合改性层或表面复合材料的一些技术。实践证明，复合表面技术 能够发挥不同表面技术或不同涂层材料的各自优势，可以得到最优的表面性能 和最佳的使用效果。 1 1 1复合表面技术设计与选择原则 在进行复合表面技术设计与选择时，主要考虑以下原则： ( 1 ) 环境适应原则运用复合表面技术制备的表面，必需适应服役环境 的要求。应根据涂层受力状况如冲击、震动、滑动及其载荷大小，摩擦与润滑 状态，工作介质如氧化气氛、腐蚀介质的成分、含量、温度及其变化状况，可 能发生的失效类型等，设计涂层应具有的耐磨、耐蚀、耐氧化、绝热、绝缘或 其它性能，并同时设计涂层厚度、结合强度、尺寸精度、表面粗糙度等参数。 ( 2 ) 涂层与基材匹配原则在延展性较好的基材表面涂覆耐磨减摩涂层 2 时，涂层与基材在弹性模量、热膨胀系数、化学和结构上的合理匹配，不仅能 使镀层内和界面区的应力减小，而且会增大涂层与基体的结合强度。 ( 3 ) 性能组合原则运用复合镀、热喷涂、表面粘涂等方法可制备具有 优异综合性能的复合材料。 ( 4 ) 协同原则在研究固体润滑剂的润滑性能与磨损寿命时发现，单质 固体润滑剂中加入另一种( 或几种) 固体润滑剂，甚至加入非润滑剂物质后， 能明显改善其摩擦学特性，这种增强了的润滑效果称为协同效应。 1 1 2 热喷涂复合涂层 先用热喷涂方法制备涂层，然后在用热源对涂层表面进行快速加热，制备 出热喷涂复合涂层。 本试验中利用电弧喷涂制备出f e w c 耐磨复合涂层，再利用钨极氩气保 护焊作为热源对涂层进行快速加热重熔，制各出w c 复合耐磨涂层。 1 2 电弧喷涂技术 1 9 1 7 年，瑞士苏黎世的麦克斯一斯库普( m a xu l r i c hs c h o o p ) 研制成功世 界上第一把电弧喷枪，电弧喷涂技术从此产生。在当时由于技术问题，电弧喷 涂并没有得到重视和推广。直到“二战 期间，军用机械修理比较频繁，后方 使用的机床、电机等设备也要赶时间抢修，于是金属喷涂的作用才得到重视。 进入2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，英国m e t a l i s a t i o n 公司生产的电弧喷涂设备标 志着电弧喷涂设备以形成规格化和系列化，也标志着电弧喷涂技术日趋成熟。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着科学技术的发展，电弧喷涂技术和设备不断得到发 展，世界各国对电弧喷涂的研发和应用大大加强【l 引。 2 0 世纪5 0 年代初期，电弧喷涂技术被引入我国。由于设备和工艺水平有 限没有被推广使用，到了7 0 年代电弧喷涂技术在中国几乎被淘汰。7 0 年代末， 粉芯丝材给电弧喷涂技术带来了生机【1 7 】。进入8 0 年代，电弧喷涂设备向精密 化和自动化方向发展，使涂层质量得到进一步提高，应用范围也越来越广泛， 使电弧喷涂技术又重新得到各工业领域的重视i l 引。 近年来，随着传统电弧喷涂技术的不断完善，又涌现出许多电弧喷涂新技 术，如高速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、h v o f e a ( h i g hv e l o c i t yo x yf u e l s p r a y i n g - e l e c t r i e a la r cs p r a y i n g ) 复合电弧喷涂、保护气氛电弧喷涂、真空电弧喷 涂、等离子转移电弧喷涂及单丝电弧喷涂等新技术 1 9 - 2 4 。这些电弧喷涂新技术 的出现，提高了喷涂的效率，改善了电弧喷涂涂层的质量，拓宽了电弧喷涂的 应用领域。 在未来，电弧喷涂的发展趋势也将是提高喷涂的速度，降低涂层氧化的程 度，节约能源，从而在低成本的基础上获得高性能的涂层。 1 2 1 电弧喷涂技术原理 电弧喷涂是以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷 射到工件表面形成涂层的一种工艺。电弧喷涂是表面工程学科中热喷涂的一个 重要分支。喷涂时，两根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进喷枪的两 个导电嘴内，导电嘴分别接喷涂电源的正、负极，并保证两根丝材端部接触前 的绝缘性。当两根丝材端部接触时，由于短路产生电弧。高压空气将电弧熔化 的金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面，经冷却、沉积过程形 成涂层。此项技术可赋予工件表面优异的耐磨防腐防滑耐高温等性能，可以在 机械制造电力电子和修复领域中获得广泛的应用。 电弧喷涂系统一般是由专用的喷涂电源、控制器、电弧喷枪、线材输送机 及压缩空气供给系统等组成，它综合了电力电子、自动控制与驱动、机械学、 焊接、气体动力学、摩擦学、腐蚀与防护等多种学科的研究成果。 1 2 2 电弧喷涂的特点 电弧喷涂技术在制备防腐涂层、耐磨涂层、机械设备修复强化、装饰性涂 层和其它功能性涂层等方面有独特的优越性，主要包括以下几方面。 ( 1 ) 涂层性能优异：应用电弧喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用 贵重底材的情况下获得性能好、结合强度高的表面涂层。一般电弧喷涂涂层是 火焰喷涂涂层的2 5 倍。 ( 2 ) 生产效率相对较高：电弧喷涂的生产率与电流成正比，电弧喷涂单位 时间喷涂金属的重量大，一般相当于火焰喷涂的4 倍。 ( 3 ) 涂层质量易于保证：由于电弧喷涂形成的粒子都是丝材熔化形成的微 小液滴，其粒子可以得到比较均匀的加热，因此质量容易保证。 ( 4 ) 节能、经济性好：电弧喷涂能源利用率高达5 7 以上，是所有喷涂方 法中利用率最高的。这种低能耗除降低成本外，还使基体受热大大减轻，因为 基体接受到的热能只是喷涂粒子所携带的热能，并且喷涂时的高速气流直接吹 到工件，使得工件冷却，因此可以得到较厚的涂层，并可以在低熔点的基体上 喷涂。 ( 5 ) 可以方便的获得“伪合金 涂层：当使用两种不同材料的喷涂丝材时， 获得的是两种材料的粒子紧密结合的伪合金涂层，涂层中还会存在少量的合金 与金属间化合物。由于兼有两者的性能，因此伪合金涂层的性能较好。 ( 6 ) 设备相对简单，便于现场施工：电弧喷涂的设备简单，体积小，重量 轻，设备移动方便。不需要瓶装气体，不需要燃料，没有水冷系统。工作环境 要求低，可以长时间在恶劣环境下工作【2 4 。25 1 。 4 1 2 3 电弧喷涂材料 电弧喷涂材料包括两类，一类是实芯丝材，另一类是粉芯丝材。实芯丝材 经熔炼、拉拔等工艺生产，是目前采用的主要喷涂材料。粉芯丝材包括外皮和 粉芯两部分，是由金属外皮包装着不同类型的金属、合金粉末或陶瓷粉末构成 的，因而同时具备丝材和粉末的优点，能够进行柔性加工制造，拓宽了涂层材 料的成分范围，并可制造特殊的合金涂层和金属陶瓷复合材料涂层。 ( 1 ) 实芯丝材 实芯丝材主要包括：有色金属丝材，如铝、锌、铜、钼、镍等金属及其合 金；黑色金属丝材，如碳钢、不锈钢等。随着电弧喷涂技术的发展，丝材的品 种也不断增加。复合丝、自粘结复合丝、轴承合金丝、铝青铜丝，超低碳不锈 钢丝等新的丝材不断出现。各种微量元素的加入，大大提高了涂层的性能。 ( 2 ) 粉芯丝材 粉芯丝材是指金属外皮包裹金属或非金属化合物粉芯构成，又名管状粉芯 线材或管状线材。在制作过程中，先将适于轧制的金属带经几道轧辊逐步形成 槽形，然后将混合均匀的合金粉或其它粉体送入金属带槽内，经轧辊使金属带 闭合轧制成圆形，再经拔丝模逐渐减径至所需最终尺寸，同时，拉拔减径也可 使丝材材料硬化从而增加管状粉芯线材的刚度。粉芯丝材的金属外皮要求是具 有一定拉拔性能的金属或合金材料，因此选择范围比传统实芯线材的材料范围 小。粉芯材料可以是各种合金、氧化物、碳化钨等。与传统实芯线材相比，粉 芯丝材大大拓宽了涂层的成分和应用范围，并可制造特殊的合金涂层和复合涂 层。只要调配不同的粉芯就可以得到不同成分及用途的线材及相应涂层。但制 造粉芯线材的车l * j j 设备成本较高，金属外皮的选材受成分与拉拔性能的限制较 大。合金元素的加入量受粉末粒度、密度以及加粉系数的影响，粉芯线材加粉 系数一般最大为5 0 左右，一些多元素高合金的丝材因轧制困难而使喷涂层的 合金成分也受到限制【1 1 7 1 。 1 2 4电弧喷涂设备的改进 改进后的喷涂设备集成了电弧喷涂的送丝和等离子喷涂的送粉系统，让喷 涂丝和喷涂粉末进行有机的结合，拥有电弧喷涂粉芯丝材的优点，与传统丝材 相比拓宽了涂层的成分和应用范围同时又避免了粉芯丝材制作成本高、受金属 外皮成分及机械性能的影响等缺点。大大的拓宽了喷涂涂层的合金成分。 喷涂设备的改造：电弧喷涂系统( 喷涂电源、控制器、电弧喷枪、线材输送 机及压缩空气供给系统) 加上一套送粉系统。 喷涂原理：如图所示，端部呈一定角度( 3 0 - 一5 0 0 ) 的两根连续送进的金属 丝，分别接直流电源( 18 - - - ，4 0 v ) 的正负极，在金属丝端部短接的瞬间，产生 电弧。电弧使金属丝熔化同时熔化粉末，在电弧点的后方由喷嘴喷射出的高速 空气流使熔化的金属和粉末雾化成颗粒，并在高速气流的加速下喷射到工件的 表面。 l 金属丝2 导电嘴3 压缩空气 4 一顿涂粉末5 雾化喷嘴 图卜3 喷涂原理图及喷枪示意图 1 3钨极氩气保护重熔 气体保护重熔是利用外加气体作为保护介质的一种电弧重熔方法，本次试 验使用的是气体保护焊机，其优点是电弧和熔池可见性好、操作方便。根据气 体的活性程度，气体保护可以分为惰性气体保护和活性气体保护。钨极氩气保 护焊是典型的惰性气体保护焊，它是在氩气( a r ) 的保护下，利用钨电极与工 件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝( 如果使用填充焊丝) 的一种焊接方法， 通常又叫t i g 焊( t u n g s t e ni n e r tg a sw e l d i n g ) 2 6 j 。 目前国内的氩气保护焊主要有脉冲、交流、直流，使用氩气保护焊的主要 方式为手工焊接，焊接易氧化的金属，或为焊接打底使用，操作多数为手工进 行，自动化程度比较低，由于使用的领域比较广泛和操作较灵活，国内逐渐对 氩气保护焊的自动化专机开始研究设计，增强自动化程度，减少工人劳动强度， 增强焊缝的均匀性，对工件焊接成形都有了很大的提高。从焊炬的设计到焊炬 运行轨迹，焊炬的适时调整等方面都有很大的发展。由于现代焊接设备的发展 与电力电子技术和器件的发展密切相关，相继出现了性能比较优良的焊机。5 0 年代末，二极管开始用于焊接电源，所构成的弧焊整流器明显优于弧焊发电机。 7 0 年代初，由晶闸管( s c r ) 构成的可控整流式弧焊机的出现标志着现代电力电 子技术开始进入焊接电源设备领域。s c r 弧焊机的电气特性和工艺特性优于二 极管整流弧焊机，是当时广泛应用的一种重要焊接电源设备。7 0 年代中到8 0 年 代中，性能优良的自关断电力电子开关器件：功率晶体管( g t r ) ，功率场效应 管( m o s f e t ) ，绝缘栅晶体管( i g b t ) ，可关断晶闸管( g t o ) 等相继出现。7 0 年 代末开始出现晶闸管式逆变弧焊机并主要应用于t i g 和手工电弧焊，后来又推 6 广n c 0 2 、m a g 等焊接方法和切割。1 9 8 2 年，华南理工大学访问学者在德国首 先研制成功场效应管式弧焊逆变器，其应用领域从t i g 至u 手工电弧焊、气体保 护焊以及切割，促进了焊接设备更新换代的发展。8 0 年代末又出现i g b t 式逆变 焊机，主要应用于各种电弧焊和切割。以功率晶闸管、晶体管、m o s f e t ，i g b t 等为开关器件的新一代弧焊逆变器，采用高频p w m 开关技术和微电子控制技 术，淘汰了笨重的工频变压器和笨拙的电磁控制方式。它不仅具有高效节能、 体积小、重量轻、多功能、多用途等优点，而且具良好的动、静态特性和工艺 特性【2 7 1 。 因而，新一代的弧焊逆变器自问世以来，受到广泛的重视，发展迅猛。1 9 8 9 年世界焊接与切割博览会( 埃森博览会) 上有3 0 多家厂商展出了弧焊逆变器。 1 9 9 3 年的埃森会上，绝大多数的厂商都展出了弧焊逆变器及设备。据i i wx i i c 1 9 9 3 年1 1 月所作的调查，逆变式焊机在日、美、欧等地使用的焊机中占1 7 ， 其中在气体保护焊和t i g 焊中占3 0 以上。日本日立公司的i g b t 逆变焊机已占 m i g m a g 焊机的7 0 ，占t i g 焊机的9 5 以上，占切割机的1 0 0 ，日本钨极氩 气保护焊是一种能够较好控制线能量，又易于推广应用的焊接方法。它以钨极 和工件作为两极，氢气为电离的保护气体，在钨极和工件间产生电离现象，形 成电弧。由于氩气能有效地隔绝空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应， 因此，可成功地焊接易氧化的多种金属材料，其热源和填丝可分别控制，因而 热输入易调节，可进行各种位置的焊接。 普通钨极氩气保护焊在焊接较薄材料时，应注意：( 1 ) 焊件对工艺参数变化 的影响非常敏感，如电流稍大或焊接速度较慢，焊件就会由于热量的积累而过 热烧穿，反之则不易焊透；( 2 ) 对装配要求很严，如间隙稍大就易烧穿。钨极氩 气保护焊控制线能量通常有两个选择：一是提高焊接速度，在自动化的焊接生 产线上常采用；二是更好地控制焊接能量而不必提高焊接速度，这必须有保证 小电流电弧稳定的电源。脉冲t i g 焊就是近年来发展起来的一种方法。其主要 参数：基值电流、脉冲电流、脉冲电流时间、基值电流时间。占空比、频率等 分别可调，可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的熔深和均匀焊透的焊 缝根部；由于采用脉冲电流，可以减小焊接电流的平均值，获得较低的电弧能 量；间歇时间的存在，将明显减小对焊件的热输入，使熔池冷却时间增长，减 小焊件上的热积累，提高焊缝抗烧穿和熔池保持能力，减小焊接过渡区和焊件 的变形。脉冲钨极氩气保护焊采用低频调制的直流或交流脉冲电流加热工件， 电流幅值按一定频率周期地变化，脉冲电流时工件上形成熔池，基值电流时熔 池凝固，焊缝由许多焊点相互重叠而成。 1 3 1钨极氩气保护重熔的原理 钨极氩气保护重熔是用钨棒作为电极加上氩气进行保护的重熔方法。其方法 构成如图2 1 所示。重熔时氩气从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成气 7 体保护层隔绝空气，以防止其对钨极、熔池及邻近过渡区的有害影响，从而获 得优质的重熔区。重熔时，为防止工件变形和产生裂纹，必须注意母材的约束， 重熔顺序及需要的预热等。 卜喷嘴2 一钨极3 一电弧4 一重熔区5 一工件6 一熔池7 一填充焊丝 8 一惰性气体 图卜4 钨极惰性气体保护重熔示意图 1 3 2钨极氩气保护重熔的特点 钨极氩气保护重熔由于电弧是在氩气中进行燃烧，因此具有如下优缺点： ( 1 ) 氩气具有极好的保护作用，能有效地隔绝周围空气：它本身既不与金 属起化学反应，也不溶于金属，使得重熔过程中熔池的冶金反应简单易控制， 因此为获得高质量的重熔区提供了良好条件。 ( 2 ) 钨极电弧非常稳定，即使在很小的电流情况下( 1 0 a ) ，仍可稳定燃烧， 特别适合于薄板材料的表面重熔。 ( 3 ) 热源易于控制，因而热输入容易调整。 ( 4 ) 相对于电子束焊、激光等重熔方法，氩气保护重熔设备简单、价格便 宜。 ( 5 ) 钨极承载电流能力差，过大的电流会引起钨极的熔化和蒸发，其微粒有 可能进入熔池而引起夹钨。因此熔敷速度小、熔池浅、生产率低。 ( 6 ) 氩弧受周围气流影响较大，不适合室外操作。对于低熔点和易蒸发的 金属( 如铅、锡、锌) 重熔较困难。 由于钨极氩气保护重熔方法具有一系列的优点，考虑到我单位拥有钨极氢 弧焊设备及工艺基础，因此，钨极氩气保护焊方法确定为该项目研究内容之一。 1 3 3钨极氩气保护焊接设备应用的领域 由于钨极氩气保护焊本身的焊接特点，目前钨极氩气保护焊广泛用于飞机制 造、原子能、化工、纺织、轻工业中，由于氢气的保护，隔离了空气对熔化金 属的有害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及 钛合金以及难熔的活性金属( 如钼、铌、锆) 等等，脉冲钨极氩气保护焊适宜 于焊接薄板，特别适用于全位置管道对接焊，它使原子能和电站锅炉工程的焊 缝质量得到了显著的提高。 1 4稀土在涂覆工艺的应用 刘文今等人 28 】对铸铁表面进行了稀土激光合金化实验，研究该合金化层的 组织表明：激光加热铸铁表面，会造成熔区中碳的贫化，因此，相对影响熔区 的硬度耐磨性。而稀土元素可以有效地缓解这一问题，且效果优于石墨黑化处 理法。同时，稀土元素能增加熔区的共晶度，可使表面硬度达到h v o 21 0 0 0 1 1 0 0 ，高于未加入稀土时的硬度( h v o 2 7 5 0 - - 一8 0 0 ) ，因而，耐磨性也比后者提高 3 0 ，是铸态珠光体的3 1 8 倍。在4 5 号钢和4 0 c r 钢表面进行激光熔覆c b s i 和c b s i r e 合金化的情况，结果均显示稀土元素可显著提高合金化的质量。 在2 0 钢的马氏体基体上，采用n i a l 合金作中间层，进行m 8 0 s 2 0 合金化试验 结果表明，c e 0 2 改变了合金的润湿性，提高合金表面的光洁度，细化组织，提 高合金的致密性，增加涂层的硬度及耐磨性【2 9 1 。文献【3 肌3 2 】报道了在涂层材料中 加入c e 0 2 可以有效地细化激光合金化层的显微组织，强化净化晶界，从而提高 材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。如加入8 c e 0 2 的f e b s i q e 晶粉末涂层经激光 合金化处理后的结果表明，加铈激光合金化层的硬度和耐磨性均比未加铈的表 面提高一倍左右，而且组织中有马氏体相变发生，层内晶粒细小，共晶化合物 多，且形态规整、分布均匀。而未力1 1 c e 0 2 的激光合金化层中没有马氏体相变发 生，层内晶粒粗大，共晶化合物大小不等且分布不均匀。 文献【3 3 】报道了在g h 4 9 合金表面进行激光y 2 0 3 合金化的研究成果。表明通 过激光合金化的方法，可将比重小且超细的y 2 0 3 质点掺入到镍基合金的表面 层，起氧化物弥散强化作用。此合金由于含有极高热力学稳定的稀土氧化物 y 2 0 3 ，同时具有很高的高温强度和较高的抗氧化腐蚀能力，成为当前性能最好 的高温合金。 稀土一激光熔覆是用激光辐照金属表面的稀土涂层或粉末，使之熔融，形 成覆盖层。进行这种复合处理时，基材表面可以微熔，因此增加覆盖层与基材 的结合力，实现冶金结合。但应尽量使基材熔化程度减少，以减少基材元素对 覆层元素的稀释。稀土在激光熔覆层中所起的主要作用为微合金化、净化晶界、 细化晶粒、改善晶界状态、抑制柱状晶生长。通过稀土一激光熔覆复合处理可 以大幅度提高金属材料表面的耐蚀性、硬度及耐磨性等。 在4 5 钢基材上，用热喷涂法喷涂添加不同比例的l a 2 0 3 的镍基自熔合金粉 末，再用h j 4 型工业横流式c 0 2 激光器对有涂层的工件表面进行激光熔覆，其结 果显示，加入l a 2 0 3 后的熔覆层组织明显细化，激光熔覆层组织的二次枝晶间距 减小。腐蚀失重实验和阳极极化曲线都证明，加入l a 2 0 3 可使激光熔覆层在 9 l m o l lh n 0 3 、0 5 m o l l h 2 s 0 4 、l m o l l h c l 和3 5 6 n a c l 四种介质中的耐蚀性都 得到提高【3 4 1 。此外，在2 c r l 3 和1 c r l 8 n i 9 t i 钢表面上激光熔覆含钇的钴基合金 层的组织及其高温腐蚀行为，结果表明，添加钇的钴基合金层的组织更加细密， 且与基体结合牢固，在表面涂有7 5 h 2 s 0 4 + 2 5 n a c l 盐膜条件下，添加钇量在 o 5 1 o ( 质量分数) 时，复合处理表面具有最优的耐高温腐蚀性能，比1c r 1 8 n i 9 t i 钢提高3 4 倍以上；添加o 8 7 钇( 质量分数) 后，复合处理表面能形成连 续致密的保护性氧化膜，可阻碍氧、硫的扩散侵入，使表面性能更佳【3 引。 电刷镀技术是修复构件表面失效的有效手段之一，通过选择合适的镀液才 能获得镀层的良