激光等离子束表层合金化技术研究进展

激光等离子束表层合金化技术研究进展

等距离器表面金属化是一种对零件表面的综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。这是一种节省资源配置的制造技术。其工艺方法是采用高能量密度的等离子束作为工件表层快速冶炼的加热源,将满足工件表层综合性能或某些特定性能要求的预制合金在工件表面进行快速、均匀冶炼,从而在工件表层形成具有特定成分与性能梯度并厚度可控的合金化层。高能量束(激光、电子束、等离子束)表面相变淬火、熔凝淬火的研究相对充分,其中激光表面淬火强化的研究最为广泛、深入,其表面强化的效果几乎达到了各种材料的极限。为了超越工件基材性能极限,激光科技人员研究开发了激光熔覆、激光合金化工艺技术,并已实现工业化。激光熔覆已应用于发电设备重要零部件的修复、强化;华工科技激光成套设备有限公司与十堰纳特公司联合开发超微激光合金化涂料及工艺已用于钢铁工业热轧辊的高温耐磨、抗氧化、热疲劳强化,将单次修辊过钢量提高一倍等离子束表面强化的研究滞后于激光。目前等离子束表面强化研究的发展趋势几乎在复制激光的发展历程:淬火、熔覆、合金化,其中等离子束表面淬火、熔覆的技术成果发布及文献日渐增加,T.Miyazaki对微束等离子弧45钢表面淬火、低碳钢AISI10表面合金化强化进行了探索性研究与激光合金化相同,等离子束表层合金化可以使工件表层获得超越工件基体的耐磨损、耐腐蚀、耐热、强韧化等性能,且等离子束相比较于激光有如下优势:能量利用效率高、设备投资小、运行成本低、工艺性强、机动灵活、加工效率高(输出功率绝对值可远大于激光)等,因而具有更为广泛、深入的工程应用研究价值。1等离子束和激光表面活性剂的技术和经济效率的比较1.1等离子束与激光束能量密度比较能量密度是高能量束用于表面强化处理最为重要的技术参数。目前高能量束能量密度的比较通常只对最高可达的能量密度即理论能量密度进行比较,忽略了对高能量束工程应用的能量密度比较,因此在满足工业加工效率前提下,等离子束与激光束能量密度比较才具有工程应用意义。等离子束能量密度仅低于激光束和电子束,等离子束最高能量密度为101.2等离子束和激光束表面活性剂的应用技术的比较1.2.1设备输出的比较目前用于表面强化处理的激光器多为CO1.2.2效率低下的原因等离子束能量转换效率非常高约75%1.2.3能量密度转换5kWCO等离子束表面强化处理的工艺参数是沿用等离子焊接的电流参数,因此需将其转换为能量密度,方能具有可比性。如文献:浙江大学严密等在45钢表面熔覆铁基合金的工艺参数为弧柱直径ϕ1.5mm,电源输出功率108W,扫描速度90mm/min,以75%转换效率计算其输入能量密度为0.6W/mm1.2.4凝固结构和碳化物的变化等离子束的电场和产生的感应磁场对熔池的电磁搅拌无电磁搅拌的凝固组织定向枝晶发达共晶碳化物沿枝晶间析出呈连续网状分布,电磁搅拌熔凝组织呈细碎等轴晶的凝固结构和碳化物的粒状弥散状态1.2.5碳化物的烧损等离子束离子气可降低熔池的氧化、合金元素及碳化物的烧损。激光淬火、熔凝和熔覆也可外加Ar气保护,但会干扰熔覆送粉,影响激光熔覆质量与效率,降低合金粉的利用率。1.3经济比较经济性是工程应用选择的一个非常重要的指标。描述经济性的技术指标是性价比。设备投资、运行成本如表4。1.4等离子束加工激光束和等离子束与物质交互作用的机理不同、设备特性不同,使其工艺适用性有很大差异。激光束的发散角为0.5°远小于等离子束的发散角5°。因此激光束聚焦输出装置可远离工件,聚焦输出装置与工件距离一定范围的变化对激光束的能量密度影响不大。等离子炬(转移弧)必须与工件保持<20mm的距离,其能量密度与距离为负相关。距离过小会导致喷嘴早期烧损。因此,等离子束不能用于尺寸较小的复杂工件的表面强化处理。激光束的光学性要求激光束必须沿工件法向输入,否则产生反射降低工件表面输入能量密度。CO5kWCO2表层合金化强化的表面性能要求本文提出的等离子束表层合金化是通过对已加工成型工件表层(精加工之前)进行等离子束局部快速熔融冶炼溶入合金元素、陶瓷强化相的一种表面内延强化技术(相对于表面外延强化技术:熔覆)。表层合金化强化基于工程应用中工件表层对综合性能或某些特定性能超越基体材料性能极限的迫切需求;基于强化效果好、后续加工余量小、工件畸变量小的技术要求;基于工件表层强化工艺操控性强、性价比高及加工效率高的经济性要求。本文作者认为等离子束表层合金化是一种对工件表层综合性能或某些特定性能最大程度强化、性价比最高的工艺方法,是一种资源节约型的制造技术。为机械制造提供了更为广泛的工艺路线、材料种类的选择。2.1离子表面冶金技术等离子表面冶金工艺方法按等离子体稠密程度分为双辉等离子表面冶金(真空环境)和等离子束表面冶金(大气环境)。1双辉光离子渗金属其强化形式是表面内延型,即提高基体表层的某些特定合金元素含量以提高其表层特定性能。该技术在离子渗氮技术的基础上,发展形成双层辉光离子渗金属技术。是在真空、1000～1150℃条件下,利用双层辉光放电现象及其所产生的低温等离子体,实现材料表面合金化的表面工程技术。该技术已成功地将固态合金元素如C、B,Ni、Cr、Mo、W、Ti、Al、Nb、Zr以及它们的组合渗入金属材料表层,形成一系列高硬度、耐磨、抗腐蚀合金层2等离子束表层合金其强化形式是表面外延型,即基体表面熔覆一层某种性能远超过基体的合金层。A.S.C.M.D’Oliveira在304不锈钢和20钢表面用直流脉冲等离子束熔覆Co基合金,其熔覆层硬度高于直流等离子束熔覆本文提出的等离子束表层合金化是以上两种技术的结合体。其强化机理与双辉等离子表面冶金相同,工艺方法与等离子束表面冶金相同,是两种技术优势的集合体。2.2相含量的提高等离子束表层合金化是通过对已加工成型工件表层(精加工之前)进行等离子束局部快速熔融冶炼溶入合金元素、陶瓷强化相的一种新型表面强化工艺方法。提高工件表层的合金元素、陶瓷强化相含量,以使工件一定厚度表层获得超越工件基材性能极限的综合性能或某些突出性能。等离子束表层合金化属于等离子表面冶金技术范畴。为保证工件综合机械性能,应避免合金化层与基体产生过高的成分梯度,使表层与基体形成科学合理的机械性能梯度。合金化材料体系需遵循以下梯级原则:碳钢表层→中低合金钢表层→高合金钢表层→高速钢表层→高速钢硬质合金表层(见图1);铸铁表层→合金冷激铸铁表层→合金半钢表层(脱碳、加铁稀释)→高碳高速钢表层;非不锈钢表层→不锈钢表层(脱碳)→耐磨蚀、耐气蚀Ni基、Co基等合金层。2.3合金化涂层的搭接将能满足工件表层高性能要求、与基体材料相容性好的高合金(基体材料含量很低)、陶瓷强化相超细粉及高温粘结剂均匀分散于溶剂中制成合金化涂料,将涂料均匀涂覆(喷涂、刷涂、流涂、刮涂)于工件需强化的表面,形成一定厚度的合金化涂层,待涂层自然表干后,热风烘干,将工件装夹于数控扫描机床上,输入工艺参数:维弧电流、转移弧电流、离子气流量、保护气流量、扫描速度和扫描路径,调整等离子炬喷嘴端面与工件的距离,启动设备对合金化涂层进行匀速搭接扫描。合金化涂层和工件一定深度表层被高能量密度转移弧快速加热至熔化,涂层中的合金元素及陶瓷相在转移弧电磁场和氩气射流搅拌作用下均匀熔入、分散于工件表层熔池中,熔池凝固后在工件表层形成一定厚度的、满足工件性能要求的合金化层。经去应力处理、热处理、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钢表面上预置单位面积重量为0.13g/cm华中科技大学胡树兵等在自行研究开发的等离子束表层合金化专用设备上对45钢和QT600表层进行了合金化试验。合金化预涂层0.4mm,合金化层次表层维氏硬度最高达1200HV0.2,合金化层深最高达2.5mm2.4等离子束表层合金化层硬度和层深变化华中科技大学黄齐文、胡树兵用0801激光合金化涂料,在QT600和45钢基材上进行了等离子束激光合金化对比试验,初步实验结果表明等离子束表层合金化效果完全达到了激光表面合金化。合金化表面质量形貌和激光表面合金化表面形貌的比较如图3。等离子束表层合金化表面熔池波纹清晰,表面质量优于激光,有少数细小表面裂纹;激光合金化表面氧化严重,合金化元素中Cr的氧化严重,图中蓝绿色的氧化物为FeO·Cr硬度分布、层深比较:合金化涂层厚度相同的条件下,等离子束表层合金化硬度和层深明显高于激光。等离子束表层硬度在次表层呈现为驼峰分布,见图4。600℃×2h回火硬度比较:将两种经合金化处理的试样进行600℃×2h回火处理,激光合金化硬度下降程度大于等离子束表层合金化,其硬度变化如表5。A.S.C.M.d’Oliveira在激光和等离子束Co基合金熔覆层的高温加热后性能的比较研究中发现,等离子束Co基合金熔覆层的硬度稳定性高于激光,其硬度变化如表6,激光熔覆层硬度下降的机理是在基体中析出大量细小碳化物,导致Co基合金熔覆层高温耐蚀性能下降QT600激光合金化层SEM照片如图5所示。合金化层中消除了基体中的疏松、气孔缺陷,合金化层与基体两者之间组织为连续渐变过渡,无冶金界面存在。QT600等离子束表层合金化层金相照片如图6所示。激光合金化的顶部组织为莱氏体和残留奥氏体,其底部为枝晶结构组织。等离子束合金化层呈枝状结晶形态,顶部组织为莱氏体和少量残留奥氏体,中部为呈胞枝状结晶形态、残留奥氏体含量高于顶部。等离子束合金化层组织较激光粗大。这是由于冷却速率造成的。2.5耐水剂及耐蚀力强等离子束表层合金化主要应用在:①钢铁行业轧辊表层热疲劳强韧化、耐磨强化、抗水蒸汽氧化、抗高温氧化;②汽车行业大型覆盖件球铁材质拉延成型模具局部表层耐磨强化;③高频焊管轧辊、冷拔管模具表层耐磨强化;④石油钻杆、抽油杆表层耐磨蚀强化;⑤大型船用柴油机缸套内壁表层高温耐磨强化、大型油缸耐磨强化;⑥水介质液压缸、阀工作面耐磨蚀、气蚀强化;⑦大型轴承滚道接触疲劳强韧化、耐磨强化;⑧火车轮对表层强韧化、自动车钩工作面耐磨强化、强韧化;⑨化工用泵类、轴类表面耐磨蚀强化、气蚀强化;⑩煤电锅炉盘管高温耐磨蚀强化,PengFan