等离子喷焊文献综述

1、1文献综述等离子喷焊的概况和发展喷焊（spraying welding是在热喷涂过程中同时对机体加热，使焊层在基体表面熔 化，形成喷焊层的方法，又称热喷焊。喷焊包括喷涂和重熔两个过程。等离子喷焊 技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末送入 等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后， 充分熔化并排除气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程40等离子喷焊是20世纪60年代出现的新技术，由于其具有的独特优越性，一 直受到工程界人士的重视。进入70年代，等离子喷焊技术进一步被接受，开拓了 新的应用领域，得到了新的发展，例如，

2、在合金粉末中添加碳化物来增加表面性能， 同时也出现了许多不同形式的喷焊枪。80年代初期，许多行业认识到等离子喷焊的 优越性，促进了等离子喷焊的机械化和自动化进程，以及喷焊枪操作控制设备的发 展，相应地产生了许多先进的等离子喷焊设备。80年代末到90年代初，电力电子 技术的发展，新型弧焊电源的出现，微机控制技术的应用，以及大功率喷焊枪的研 制，推动了等离子喷焊设备和技术的进一步发展，使等离子喷焊的优点得到充分发 挥，大大拓宽了等离子喷焊的应用领域和使用范围。早期的等离子喷焊系统大多由中间继电器触点逻辑电路或二极管矩阵逻辑电路 作为程序控制单元，系统组件的集成度不高。由于等离子喷焊系统的被控对象较

3、多， 所以设备结构复杂，故障率较高，焊接规范的调节不太方便，适应性较差。随着电 子技术的发展，单片机、PLC和工控机大量应用于等离子焊接的控制系统中5。南 昌航空工业学院的陈焕明等人利用欧姆龙的 C40P型PLC实现对等离子喷焊系统 的控制，所设计的系统能满足喷焊工艺要求，提高了抗高频干扰的能力6,济南大 学的张智杰等人则使用siemens的LOGO!模块实现对等离子喷焊工艺的控制，降 低了系统的研发周期；华中科技大学的王伟等人则利用87C552单片机，将I2C总 线引入到等离子喷焊控制系统中，简化了电路，提高了系统的抗干扰性，降低了成 本；美国的Richard Ethen Marquesfi

4、用微机进行等离子喷焊的研究，西北工业大学 的李京龙等人则成功地将PC机应用到对等离子喷焊系统的控制当中，实践证明PC 机控制系统设备运行可靠故障率低，并且故障易排除130等离子弧对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分 电离，这样的电弧称为等离子弧。等离子体气体在一定条件下发生电离现象，通常把已电离气体的离子与未电离的离子总 数之比成为电离度。电离度越高，气体中的正离子和电子就越多。在物理学中把电 离度大于0.1 %的气体成为等离子体。它是继固态、液态及气态以外的物质第四态 与普通气体不同，由于等离子含有正离子和电子，因而呈现明显的导电性能。等离 子体具有三个基本特

5、点：即很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。等离子体的温度非常高，温度跨度也非成大。按温度的高低可以将等离子体分 为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。 在等离子喷焊中是热等离子体其温度可达16000 K等离子弧的产生电弧是一种气体放电现象，具有两种形态，即自由电弧和压缩电弧。若气体放 电现象不受任何拘束，则成为自由电弧。由于自由电弧不受任何约束，弧柱一般较 粗，热量比较分散，其电离度也较低，温度大约50006000 K等离子弧是受到压缩作用的电弧，与自由电弧的区别见表1.1。表1.1电弧形态特征特征自由电弧电弧燃烧不受任何约束，电弧温度一般在 50006

6、000 k。电弧电弧燃烧由于冷却喷嘴的拘束作用而存压缩电弧在机械压缩效应、热压缩效应、自磁压缩效应。等离子压缩效应自由电弧通过冷却喷嘴时受到三重压缩作用7。(1)机械压缩作用等离子通过等离子喷枪的喷嘴喷射出来，由于再循环冷却水的作用下水冷紫铜 喷嘴孔道内壁的温度很低，喷嘴附近气体必然受到冷却，在喷嘴孔道内壁上形成一 层冷气膜，从而限制等离子弧弧柱扩张，对等离子弧起到压缩作用。这种对弧柱的 压缩作用成为机械压缩效应。喷嘴孔径越小、孔道越长，喷嘴对弧柱的机械压缩作 用就越强。(2)热循环效应由于循环冷却水的作用而在喷嘴内壁形成的冷气膜，气体电离度很低，因而导 电性很差，电流通过时阻力大，而电弧中心

7、部位温度较高，电离度较高，因而电流 通过时阻力较少。电流的绝大部分只能从电弧的中心部位通过。从而导致电弧中心 部位的温度升高，电离度进一步增大，这又导致电流进一步集中，是电弧弧柱进一 步压缩。这种对弧柱的压缩作用成为热压缩作用。它主要取决于其他的进气方式、 流量大小和喷嘴内壁的冷却效果。(3)自磁压缩效应由电磁原理可知，当一根导线中通过电流时，在导线周围就会形成磁场。当两 根平行导线通以相同方向的电流时，由于磁场的相互作用，这两根导线产生相互吸 引的电磁力。等离子弧可以看作是由无数根相互靠近的、电流方向相同的平行导线 所组成的。这样由于电磁力的作用，弧柱内各部位产生指向弧柱中心部位的压缩力。

8、这种压缩作用成为自磁压缩作用。等离子弧的组成等离子弧可化为阴极和阴极区、弧柱区、阳极和阳极区三个部分，如图1,1所 示7。Z1图1,1等离子弧组成部分1阴极2 阴极区3弧柱4阳极区5阳极6焰流(1)阴极和阴极区等离子放电的绝大多数电子是由阴极发出的。阴极表面放电部分的总和成为阴 极斑点。其电流密度高达103106A/cm-2。阴极区是指靠近阴极电场强度很强的区域， 其距阴极约为1U4cm。由于大量电子从阴极溢出，造成阴极区内正负离子数的不平 衡，造成阴极区内正负离子数的不平衡，造成阴极位降区，电位度可达105106V/cm-1 的数量级。(2)弧柱区弧柱区是由电弧长度上均匀分布的导电气体组成。

9、弧柱的电阻较小，电压降较 小，电位梯度一般为1050 V/cm-1。弧柱中正负带点离子流虽然有很大的区别，但 每瞬间每个单位体积中正、负带电粒子数量相等，这是由于弧柱中电子流所需的电 子可以从阴极区得到充分的补充，而是弧柱从整体上呈中性。因此，所谓等离子体 即指弧柱部分。(3)阳极和阳极区阳极基本上仅受弧柱区流来的电子，电子流入阳极也集中在阳极表面的阳极斑 点区内。阳极区指靠近阳极斑点附近约10-310-4cm电场强度较高的区，其电位梯度 约为103105V/cm-1数量级。进入阳极区的电子带来大量的热量，使阳极温度升高。 1.2,5等离子弧的特点(1)温度高，能量集中网由于等离子弧受到强烈的

10、压缩作用，弧柱中心的电离度大，电流密度大，电压 高，因而其温度高，能量集中。图1,2是等离子喷涂的非转移型弧的温度分布。阴极喷嘴15OOOK12O(K LO0OOK 5000K 2000K.1III _tIIG 10 为 3040 50跖阴微端距离/mmE一戳仔军连副图1,2等离子非转移型弧温度分布由图可见，在等离子中心温度最高达32000匕图1,3是鸨极自由电弧和转移弧 的温度对比。两者均采用氮气作为工作气体，氮气流量为1.1 m3/h,电流为200 A, 鸨极自由电弧的电压为14.5 V,转移弧的电压为29 V。从图中可以看出，转移弧的 温度最高可达240000 k以上，儿女自由电弧只能达

11、到18000 k,并且整个转移弧的 温度均在14000 k以上。这一特点可以使得等离子弧可以熔化任何难容材料，增加 了等离子喷焊的应用范围。(2)焰流速度高、冲击力大进入喷枪的工作气体瞬时被加热到上万度高温，工作气体急剧膨胀，形成等离 子焰流自喷嘴中高速喷出，具有很大的冲击力。在喷嘴附近，焰流的喷射速度高达 亚音速或超音速。在等离子喷焊时，这一特点对提高涂层与基体的结合强度是非常 有力的。(3)稳定性好由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔，指向性好，电离度高，因而 电弧位置、形状以及弧电压、弧电流均比自由电弧稳定，不易受外界干扰。这对于 保证等离子喷焊工艺过程的稳定可靠具有重要意义。(4)调

12、节性好压缩型电弧可调节的因素较多，可以通过改变输入功率、工作气体的流量、 喷嘴的尺寸以及电源的连接方法等来控制等离子弧的温度和热量；通过变换工作气 体的种类可以得到氧化、中性或还原气氛；通过改变弧电压、喷嘴结构和气体流量 等，可以控制等离子焰流的冲击力等。I8000K以上10000-14000K鹤极自由电弧转移型等离子弧图1.3鸨极自由电弧和转移弧的温度分布对比1.2,6等离子弧的形式按电源的接线方式可以讲等离子弧分为非转移型等离子弧、转移型等离子弧和 联合型等离子弧8,9,如图1,4所示。(1)非转移型等离子弧非转移弧如图1.4a所示。电源的正负两极分别接在喷嘴和阴极上。等离子弧子 喷嘴和阴

13、极之间形成。工件上不接电源，等离子弧在喷嘴内部。当连续送进工作气 体时工作气体被等离子弧加热，就会形成高温等离子焰流从喷嘴内部喷射出来。非 转移弧常用于喷涂、表面处理以及焊接或切割较薄的金属或非金属。(2)转移型等离子弧转移型等离子弧如图1.4b所示。电源的正负两极分别接在工件和阴极上。在 阴极和工件之间形成等离子弧。在引燃转移弧时必须先引燃非转移弧，即现将电源正极接到喷嘴上，引燃非转移弧后，将电源正极从喷嘴切换到工件上，形成转移弧 其温度较非转移弧高，能量集中，常用于切割、焊接及堆焊。非转移型等离子小）转移型等离子（0）联合型等离子图1.4等离子弧的形式（3）联合型等离子弧联合型等离子弧如图

14、1.4c所示。工件、喷嘴均接在正极，在喷嘴与阴极之间形 成非转移弧，在工件和阴极之间形成转移弧，这两种形式的电弧同时存在。一般非 转移弧是作为辅助热源，起着引燃转移弧及预热金属粉末的作用；转移弧主要用来 加热粉末和工件，是喷出的粉末迅速进入熔池与工件融合。由于非转移的存在能够 提高转移弧的稳定性，因而在很小的电流下，连联合弧依然很稳定。主要用于电流 在100 A以下的微束等离子焊接。等离子喷焊等离子喷焊是以转移型等离子弧为主要热源、在金属表面喷焊合金粉末的方法。等离子喷焊的基本原理图1.5是等离子喷焊焊接原理图。在采用联合型等离子弧喷焊时，一般采用两 台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧

15、和转移弧。两个电源的负极并联在 一起，通过电缆接至喷焊枪的鸨电极（负极）。非转移弧电源正极通过电缆接喷焊 枪喷嘴，转移弧电源正极通过电缆接工践。冷却水通过水冷电缆引至焊枪，冷却喷 嘴和电极。氮气通过电磁气阀和浮子流量计进入喷焊枪。电源接通后，借助高频火 花引燃非转移弧。再借助非转移弧弧焰在鸨电极和工件之间造成的导电通道，引燃 转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧。主要利用转移弧在工件表面产生 熔池。合金粉末由送粉器按需要量连续供给，借助送粉气流（也用氮气）送入焊枪, 并吹入电弧中。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件 熔池里，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。

16、通过调节转移弧和非转移弧电流，送粉量和其它工艺规范参数，来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量。随 着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐凝固，便在工件上获得所需要的合金熔敷层。图1,5等离子弧焊焊接原理示意图1-直流电源；2-高频发生器；3-鸨极；4-离子流；5-冷却水；6-小电弧；7-保护气；8-保护气喷嘴；9-等离子弧喷嘴；10-等离子弧；11-母材金属等离子喷焊的特点等离子喷焊利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其它表面 喷焊方法相比较，具有以下特点4, 10, 11(1)良好的可控性和低冲淡率等离子喷焊可以在很大的范围内调节热输入。除了改变输入功率外，还可以通 过改变气体的种

17、类、流量以及喷嘴的尺寸来调节等离子弧的热能和温度；等离子弧 气氛可以调整，通过选择不同的工作气体可以获得惰性气氛、还原性气氛和氧化性 气氛；等离子弧射流的刚柔度，即电弧的刚柔度，可以通过改变电弧电流，气体流 量和喷嘴压缩比来调节。由于工艺上可调节的参数众多，热量输入可控，合金粉末 在弧柱中预热，呈喷射状过渡到熔池，对电弧吹力有缓冲作用，熔池受热均匀，因 此可以控制母材熔深，降低母材对合金的冲淡率，冲淡率一般可以控制在5 %15 % 以内。(2)稀释率低为保持喷焊层的性能，要求集体材料熔入喷焊层的比例少，即稀释率低。等离 子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，因此可以在保证稀释率低(控制到5

18、 %) 的同时，保证较高的喷焊率。(3)喷焊层质量和工艺稳定性好由于等离子弧为压缩电弧，具有良好的稳定性，外界因素的干扰(如周围气流的 流动、喷距高低、喷焊位置的不同等)对电参数(电压、电流等)和电弧稳定性影响比 较小，从而使工艺易于稳定。合金粉末熔化充分，飞溅少，熔池中的熔渣和气体易 于排除，容易消除焊层内的气孔、夹渣等缺陷。等离子弧温度高，热量相对集中， 喷焊速度快，一次熔成，使工件的热影响区小。尤其可以控制对母材的热输入量， 可以调整热影响区的尺寸和硬度，降低对裂纹的敏感性，避免由于晶粒粗化、马氏 体转变或应变时效等原因产生质量缺陷。喷焊层成分、组织均匀，喷焊层平整光滑， 尺寸可以得到较

19、精确的控制，可以获得0.250.8 mm之间任意厚度的喷焊层，焊层 质量好。(4)合金粉末制备简单，使用材料范围广喷焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状粉末，制备方便，不像丝极材料那样， 受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制。可以按需要配方，熔炼各种成分不同的合 金粉末，获得各种不同性能的合金喷焊层。(5)生产率高由于等离子喷焊温度高，热量集中，提高了喷焊的速度，从而接近生产率高的 埋弧自动焊，超过了常用的手工电弧喷焊和氧乙烘焰喷焊。而且喷焊过程可以自动 进行，易于实现机械化和自动化操作。等离子喷焊设备等离子喷焊一般配有喷焊机床，具设备构成除两台弧焊电源外，还有喷涂枪、 送粉器、水冷系统、控制柜、

20、行走机构和摆动机构等12o(1)等离子喷焊枪这是等离子喷焊设备的核心装置，其性能在很大程度上影响喷焊工艺的稳定性 及喷焊层的质量。喷焊枪在工作时产生非转移型和转移型等离子弧，并汇集冷却水 路、电路、气路于一身，因此结构比较复杂。等离子喷焊的结构与等离子喷涂相似， 主要区别是喷嘴和电极的尺寸差别较大。因喷焊枪要产生柔韧等离子弧，故喷嘴的 压缩孔道短而粗，一般孔径d为6.58 mm,孔长L为812 mm, L/d=0.81.4,压 缩角a为60。电极一般用鸨-铀合金，端部锥形，锥角略小于喷嘴的压缩角。止匕外， 因喷焊功率较小且以转移弧为主，电弧阳极不在喷嘴内壁上，阳极与喷嘴烧损不严 重，冷却结构设

21、计也行对简单。(2)送粉器常用刮板式送粉器。具特点是送粉均匀，便于调节；通过改变粉盘的转速便可 实现送粉速度的无极调节。止匕外，还可以通过更换不同孔径d的漏孔或调节漏孔端 面与粉盘的距离h,在更大的范围内调节送粉量。(3)整流电源对等离子喷焊电源性能的要求与常用的弧焊电源基本相同。基本要求是：直流 输出，脉动小；陡降的特性；喷枪引弧时冲击电流小；输出电流连续可调，最小电 流影不小于额定电流的10 %;输出电流稳定，电网电压波动 由0 %,电流变化应不 大于调节值的i5 %;起始电流递增速度可在50300 A/s内调节；弧电流衰减速度 可在15150 A/s内调节。(4)其他部件控制柜实现等离子

22、和其他控制。水冷系统是形成等离子弧不可缺少的设备，可 采用自来水直接强制冷却，用涡旋泵从蓄水池抽水，通过阀门调节水压，提供喷焊 枪的水循环。摆动机构一般为偏心轮式机构带动喷焊枪实现横向摆动，一次可获得 较宽的焊道，调节滑块在偏心轮上的偏心距，从改变摆幅，相应改变焊道宽度。等离子喷焊材料喷焊材料一般都是自熔性合金粉末。等离子喷焊对粉末的要求是：具有适度的 液态流动性和良好的润湿性；粉末离子具有良好的球形和适当的粒度；粉末与基体 的热膨胀系数应尽先接近；粉末的含氧量低(喷焊常用的合金粉末有锲基、铁基、钻基、铜基和焊WC型粉末5大类，其中 以锲基喷焊粉末应用最多13-15。(1)锲基合金喷焊粉末锲基

23、合金喷焊粉末的熔点低(11001150 C),自溶成谓性好，固、液相线温度 范围宽，对各种基体的润湿能力强，涂层韧性好，喷焊工艺性良好。具喷焊层具有 优异的耐腐蚀性、耐磨性和良好的耐热性，而且价格适中，因而应用最广。常用的 锲基合金喷焊粉末主要有两个系列：Ni-Cr-B-Si系、Ni-B-Si系。表1.2中列出了一 些锲基喷焊粉末的特性和用途。表1.2 一些馍基喷焊粉末的特性和用途牌号成分系列涂层硬度(HRC)工作温度/ C特性用途KF-Ni60ANiCrBSiFe5862& 650硬度局，耐磨性优异， 摩擦系数低，耐金属适用于各种硬表面磨损和磨粒磨损部KF-Ni60BNiCrBSiFe586

24、2& 650间磨损和耐蚀性能优良。耐磨性能相当于Ni60A ,而耐腐蚀性则件的表向喷焊。用于耐腐蚀性要求 不局的工件(如风叶少次于Ni60A。几片、锅炉管道)的 耐磨性。自熔性良好，耐腐蚀用于需要高度耐磨KF-300ANi60+35WC-Ni60-75性良好，耐磨性高于的工况如拉丝机塔Ni60,耐磨粒磨损性轮、风机叶片、制极好；焊层磨削加工醇机械等。困难。抗严重的磨砺磨损,用于制砖机械、沙KF-300BBNi60+50WC60-75有良好的耐腐蚀性泥搅拌、以及农机能；焊层磨削加工困设备的磨损部件耐难。磨喷焊。KF-300CNi60+30WC-Co60-72耐磨性高于Ni60,焊层具有耐磨粒磨损

25、、用于拉丝机塔轮两步法喷焊。耐硬表面磨损、耐颗 粒冲蚀等特性。（2）钻基合金喷焊粉末钻基合金，是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。即通常 所说的钻铭鸨（铝）合金或司太立（Stellite）合金（司太立合金由美国人 Elwood HaynessT 1907年发明）。钻基合金是以钻作为主要成分，含有相当数量的锲、铭、 鸨和少量的铝、钥、钥、钛、锢等合金元素，偶而也还含有铁的一类合金。根据合 金中成分不同，它们可以制成焊丝，粉末用于硬面堆焊，热喷涂、喷焊等工艺，也 可以制成铸锻件和粉末冶金件。钻基合金喷焊粉末是钻、铭合金固溶体中均匀分布着 W、V、Mo等碳化物组织， 其主要特点是具有

26、优良的耐高温性、红硬性、耐腐蚀、耐磨和抗氧化等性能，但其 价格较高。例如，Co-Cr-W-B-Si自熔性合金粉末和Co-Cr-W-C/Mo-Ni-Fe系列钻基 粉末具有较高的强度和良好的抗氧化等性能，其强度和硬度可保持到600800 C以 上，具有良好的耐高温、耐腐蚀和耐磨并耐蚀的工况条件，最适合于700 C左右的 高温下作抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的表面涂层。广泛应用与高压阀门、电站蒸汽阀 门等密封面的喷焊；也适用于舰艇用大型轴承的内外环、大型水轮机转子叶片、透 平机叶片、榨油机推进器等的喷焊。粉末中提高鸨的含量可用于各种刀具以及各种 热模具、各种液阀、阀座等的堆焊。（3）铁基合金喷焊粉末很多部

27、件是在常温和弱腐蚀条件下工作，此时要求材料具有一定的耐磨、耐蚀 性能，但不必采用昂贵的锲基或钻基合金。因此，具有良好的使用性能、使用喷焊 工艺要求的系列铁基自熔性合金就会的到发展。在铁基体上含有铭、硼、硅等元素 的Fe-Cr-B-Si系自熔性合金，应用较广泛。由于其含铭量一般较高，故具有一定的 耐腐蚀性和抗氧化性。同时还可以加入适量的Co、Ni、Mo、Cu、Mn、V等元素, 以提高耐腐蚀性、耐磨性和是晶粒细化。喷焊用铁基合金粉末通常分为粉末火焰喷 焊用和等离子喷焊用两大类，前者亦可用于等离子喷焊，但后者则不宜用于火焰喷 焊。等离子喷焊用铁基自熔性合金又分为不锈钢性和高铭铸铁型两种。铁基合金喷焊

28、粉末多用于常温和400 C以下的耐磨涂层和耐弱腐蚀介质腐蚀 的涂层。常用于通用阀门的阀板、阀座密封面、耙路机的靶齿、石油钻杆等的喷焊, 使用寿命可比原来高15倍。（4）含碳化合物的喷焊粉末通常是在锲基（或钻基、铁基）自熔性合金中加入一部分钻（锲）以及弥散的WC、 VC、NbC、TaC等碳化物硬质相。由于弥散碳化物相的存在，喷焊层的耐磨性大大 该善；而且通过调节碳化物与铁、锲和钻基合金粉末的比例，可获得不同硬度和耐 磨性的涂层。此类喷焊粉末可制备600 C以下耐低应力磨粒磨损、冲蚀磨损、粘着 磨损强化层。常用含WC的锲基自熔性合金粉末的牌号是：FZNWC35、NiWC25、 NiWC35 等。（

29、5）铜基合金喷焊粉末铜基自熔性合金粉末主要是低磷锡青铜和锡青铜，具涂层特点是摩擦系数小、 易加工和耐腐蚀。这是较新的喷焊材料，应用于低压阀门密封面的等离子喷焊，特 别是大口径低压阀、DN300以上的阀门密封面喷焊铜基合金粉末，其技术效益和经 济效益显著。也可用于复合材料、轴瓦、配油盘以及需要镶铜合金的部件。等离子喷焊的工艺等离子喷焊的工艺参数主要有等离子气流量、送粉气流量、非转移弧电流、转 移弧电流、喷焊距离、喷焊速度、喷枪移动幅度和送粉量等。各参数相互关联，不 同的工件、材质、粉末，选用的工艺参数也不同13o其中，转移弧电流时决定喷焊过程稳定性和喷焊质量的主要参数，其大小取决 于工件材质、尺

30、寸和喷焊速度。一般工件材料的熔点高、尺寸厚大、速度快时须适 当加大转移弧电流；但又不能过大，以免焰流刚度过硬，使熔深加大而影响喷焊层 质量。非转移弧电路则主要取决于粉末的熔点和粒度；通常喷焊熔点较高、粒度大 的粉末，非转移弧电流可适当加大，以利于转移弧的引燃和增大喷焊距离。其他喷焊条件（喷焊距离、送粉量、喷枪移动速度、送分气体、工作气体流量和 电输入等）对喷焊效率也有显著的影响，故应针对具体情况适当确定。一般来说，焰 流越短，效率越高，但又要注意避免母材过热。在喷焊金属粉末时，喷焊距离以 70250 mm为好，而喷焊金属陶瓷等材料时则75100 mm为宜。止匕外，喷焊操作时须注意：对基体进行预

31、热以消除表面吸附的水汽和提高喷焊 效率；预热温度不高于200 C,用等离子焰流或炉内预热均可。在喷焊过程中注意 粉末要连续、均匀地输送，不能中断，以免影响喷焊层厚度不均和性能降低。每次 喷焊层的厚度应适当控制（通常不超过0.3 mm）,需较厚的焊层时可多次反复喷焊至 所需厚度。等离子喷焊层的组织与性能本实验是采用对低碳钢表面等离子喷焊钻基合金，并研究加入Cr3c2的量对喷 焊层的影响。就本实验而言，等离子喷焊得到的组织沿热流方向生长的特征很明显。用光学 显微镜、扫描电镜可以看到其组织形态及其主要合金元素 Co和Cr的线分布，可 以看出白色的骨架相富Cr ,基体相富Co16-19 o通过XRD分

32、析可知，纯钻基喷 焊层的主要组成相为yCo、CrzC3为主，加入Cr3c2的钻基合金喷焊层主要组成相 为 yCo、CrzC3、Cr23C6 和 Cr3c2。喷焊层和基体之间存在一过渡区称为熔合区，熔合区组织为平面晶。形成的主 要原因是等离子弧喷焊所输入的热量大而集中，形成的熔池较小，结晶过程中熔池 底部的热量主要从温度较低的基体传出，固液界面的温度梯度很高，同时凝固瞬间 结晶速度小，成分过冷小，液固界面推移速度较慢，故界面呈现平面状结晶。靠近熔合线的是胞状晶，之后为粗大的柱状晶和树枝晶。由界面向熔池内部延 伸，G迅速减小，而结晶速度R逐渐增大，固液平面界面失稳，而出现胞状晶直至树枝 晶。熔池的

33、热量通过界面由基体传出，故该处结晶方向为垂直于界面向熔池中生长。在喷焊层的中部区和近表面区，以等轴晶或准等轴晶形式出现。原因是由于熔 池中上部的散热有很多种渠道，即可以通过基体，又可以通过周围环境，而且由于 等离子弧的能量分布不均匀，造成该区散热的多方向性，只要某一微区的晶体的择 优取向与该区的散热反方向一致，该晶体即可长大，形成的晶粒细小。等离子喷焊层的硬度、韧性和强度很高，晶粒大小在第910等级，等离子喷焊 层和基体之间结合区域的宽度在120160 之间。磨损试验表明，等离子喷焊层 具有较高的耐磨、耐腐蚀和高温滑动磨损等性能20。Co基合金喷焊层具有较高的显微硬度，并且随着从表面向熔合线靠

34、近，显微硬 度逐渐降低。而加入Cr3c2后，喷焊层的截面显微硬度的变化规律与Co基合金基本 相同，随着距离喷焊层表面距离的增大，喷焊层的显微硬度有逐渐降低的趋势，但 是随着加入Cr3c2量的不同，硬度值也不同。之所以会产生这种现象，是因为由于Cr3c2的加入，溶解的Cr3c2提高熔池中C、Cr的含量，在凝固过程中固溶于基体中，未熔的Cr3c2起到非自发形核的作用，提高形核率，细化组织，进一步细化晶粒，增强了细晶强化作用等离子喷焊层与激光熔覆层的组织相比较等离子喷焊层的组织特点21：如图1.6所示20,因等离子喷焊的能量集中，冷 凝速度较快，故喷焊层呈树枝状结晶的金相组织。同时，在焊层与基体的界

35、面是典 型的冶金结合，有明显的互熔区，基材也存在一定的热影响区。因此，一般无气孔 和氧化物夹杂。喷焊层的厚度范围大，因热应力和组织应力的影响，故高硬材料喷 焊层的裂纹敏感性较大。显微组织和硬度等离子喷焊层和激光熔覆区域试样的显微组织可以分为三部分20：焊接区域、 结合区和基体，正如显示在图1.6和图1.7中substratecombination zone(width 120*160 pm)substratecombination zone图1.6等离子喷焊层及其结合区图1.7激光熔覆层及其结合区(width 10-25 pm)激光熔覆层的纤维组织是均匀的、很好的，根据国标GB/T 6394-2002微小的 晶体粒度可以在1112等级，结合区的宽度在1025 pm;等离子喷焊层的显微组织 要比激光熔覆大一些，微小的晶体粒度在第910等级，结合区的宽度在120160 pm 之间。根据标本焊层质量的切割和分析，激光熔覆的成品率高于95 %。如图1.8和 图1.9所示，等离子喷焊层出现裂纹、气孔和夹杂。图1.8等离子喷焊层上部的气孔图1.9枝晶状等离子喷焊层中的杂质一般来说，激光熔覆层的显微硬度在HV 740860,但是等离子喷焊层的显微硬度在 HV 520-5600耐磨性如图1.10所示，试样平均在3000次磨损的实验条