（机械工程专业论文）高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 桨叶是塑料行业中混料设备的主要结构部件，其耐磨性能和耐蚀性能 的高低直接影响到设备的使用寿命。当前国内制造混料设备的桨叶大都采 用普通奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢虽然耐蚀性高，塑性、韧性和低温韧 性好，但是硬度较低，耐磨性不好，桨叶的使用寿命较短。因此，研发一 种高性能的桨叶对于提高混料设备的在机使用时间和材料利用率有重要意 义。 本文针对高速混合机桨叶耐磨性低的不足，提出了激光表面陶瓷合金 化提高其耐磨性的新途径，在1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢基体上利用激光合 金化技术熔化了m n + 碳化物陶瓷硬质相粉末，探索了利用激光表面合金化 技术强化高速混合机桨叶的工作层的实现途径，并且研究了合金化层的显 微组织、物相、显微硬度分布和腐蚀、磨损行为，得出的主要结论如下： 1 ) 在1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢表面制备了m t i - i - a 1 2 0 3 硬质相复合合金 化涂层。合金化层与基体实现冶金结合，是典型的枝晶组织，由奥氏体枝 晶和共晶组织组成；桨叶工作层的显微硬度分为激光合金化层、热影响区、 基体三个级别，由表及里依次降低。其中基体的显微硬度为2 0 4 h v 0 1 ，合 金化层的最大硬度达到4 4 0 8 h v o 1 ，是基体的2 1 倍。x r d 数据表明激光合 金化层主要由奥氏体( a ) 、a 1 2 0 3 、c r 7 c 3 、m n 7 c 3 和m n 2 0 3 组成；合金化层 的耐磨损性能较基体显著提高，由于在磨损中作为硬质相的a 1 2 0 3 和c r 7 c 3 可以作为主要的承载体承受外界载荷的力学作用，减小磨粒对奥氏体基体 的犁削作用，而塑性优良的奥氏体基体可以牢牢固定硬质相颗粒，防止其 从合金化层中脱落；激光合金化层和基体腐蚀原理相同，主要发生了点蚀 和晶间腐蚀，但合金化层的耐蚀性能弱于基体，因为m n 和硬质相的添加对 腐蚀性能起到部分消极作用； 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 在1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢表面制备了m n + n i w c 硬质相复合合金 化涂层，合金化层与基体实现冶金结合；x r d 数据表明激光合金化层主要 物相有铁锰合金、w c 、w 2 c 、f e 3 w a c 、f e 6 w 6 c 和m n o ；激光合金化层的 显微硬度最大达到6 6 4 4 h v o 1 ，是基体的3 3 倍，最大硬度出现在合金化层 的次表层；激光合金化层的耐磨性较基体显著提高，相对耐磨性为3 6 4 ； 3 、) 以江苏联冠科技发展有限公司生产的s h r 系列高速加热混合机所配 套的桨叶的上浆为试验对象，工艺参数利用前面试验所取得的经检验的正 交优化数据，制备经激光强化后的桨叶，目前在实际运行中的表现良好。 经激光处理的一边桨叶的的刃口处较一边不做任何处理的刃口处所出现犁 沟明显较少。 关键词：桨叶；激光表面合金化技术；显微组织；显微硬度；物相；腐蚀； 磨损 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb l a d ei st h em a i ns t r u c t u r a lc o m p o n e n t so ft h em i x i n g e q u i p m e n ti nt h e p l a s t i c si n d u s t r y , w h i c ht h ew e a rr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fd i r e c t l y a f f e c tt h eu s e f u ll i f eo fe q u i p m e n t n o wt h em a t e r i a lo fm i x i n ge q u i p m e n t b l a d e sa l w a y sb eu s e di na u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hh a sh i g hc o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，h i g hp l a s t i c i t y , t o u g h n e s sa n dl o wt e m p e r a t u r et o u g h n e s s ，b u ti th a s l o w e rh a r d n e s s ，a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n dt h es h o r tb l a d el i f e t h e r e f o r e ，t o d e v e l o pb l a d e st h a th a v ew o r kl a y e ro fah i g hp e r f o r m a n c ei si m p o r t a n tf o r i m p r o v i n g t h em a c h i n ea n dm a t e r i a lu t i l i z a t i o no ft h em i x i n g e q u i p m e n t t h e p a p e rs h o wan e ww a y a sl a s e rs u r f a c ec e r a m i ca l l o y i n gt op r o v i d et h e w e a rr e s i s t a n c eo fh i g h s p e e d m i x i n gb l a d ef o rl o w e rw e a rr e s i s t a n c e ，a n d a l l o y i n gm na n dh a r dc a r b i d ei n l c r l 8 n i 9 t ia u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t e b yl a s e ra l l o y i n g t h e r ee x i s t sw a y st or e a l i z et h el a s e rs u r f a c e a l l o y i n g t e c h n o l o g yt oe n h a n c et h el a y e ro fh i g h - s p e e dm i x e rb l a d e s ，a n ds t u d i e dt h e m i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yl a y e r , p h a s e ，m i c r o h a r d n e s sa n dc o r r o s i o na n dw e a r b e h a v i o ro b t a i n e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ea l l o yc o a t i n gi n c l u d i n gm na n da 1 2 0 3h a r dp h a s eh a sb e e no b t a i n e d i nt h et h e1 c r l 8 n i 9 t io fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls u r f a c e i n c l u d i n gm na n d a 1 2 0 3h a r dp h a s e ；ag o o di n t e r f a c i a lm e t a l l u r g i c a lb o n d i n gi so b s e r v e db e t w e e n t h e a l l o y e dl a y e ra n dt h es u b s t r a t e ，a n dw h i c hi sa t y p i c a l d e n d r i t i c m i c r o s t r u c t u r ec o n s i s t i n go fa u s t e n i t ed e n d r i t e sa n de u t e c t i c ；m i c r o h a r d n e s so f t h el a s e ra l l o y i n gl a y e rc o r r e s p o n d i n gt ot h el a s e ra l l o y e dl a y e r , h e a ta f f e c t e d z o n e ，a n dt h em a t r i xi sd i v i d e di n t ot h r e e 1 e v e l ，o u t s i d et oi n s i d ei nt l 珊 c o m p a r e dw i t ht h em a t r i xh a r d n e s so f2 0 4h v 0 1 ，t h em a x i m u mh a r d n e s so ft h e a l l o y i n gl a y e rr e a c h e d4 4 0 8 h 、么1 ，w h i c hi s 2 1t i m e st h a to ft h em a t i 奴t h e x r ds h o w e dt h a tt h el a s e r a l l o y i n gl a y e rm a i n l yw a sc o m p o s e do fa u s t e n i t e ( a ) ， a 1 2 0 3 ，c r 7 c 3 ，m n 7 c 口a n dm n 2 0 3 ；t h ew e a rr e s i s t a n c eo fa l l o y i n gl a y e rw a s 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dd u et ow e a ra sah a r dp h a s eo fa 1 2 0 aa n dc r 7 c 3w h i c h p l a y e dt h em e c h a n i c a lr o l eo ft h ee x t e r n a ll o a da st h em a i nc a r r i e ro fr e d u c i n g t h ep l o w i n go ft h ea b r a s i v eo nt h ea u s t e n i t em a t r i x ，a n dp l a s t i cf i n ea u s t e n i t e m a t r i xc a l lb ef i r m l yf l x e dh a r dp h a s e p a r t i c l e s ，t op r e v e n ti tf r o ma l l o y i n gl a y e r o f f ；t h ec o r r o s i o no ft h el a s e ra l l o y i n gl a y e ra n dt h es u b s t r a t eo nt h es a m e 一一 p r l n o p l e ，l st h e o c c u r r e n c eo tp i t t i n ga n di n t e r g r a n u l a rc o r r o s i o n a n dt h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ea l l o yl a y e ri sw e a k e rt h a nt h em a t r i x ，w h i c hc a l lb e e x p l a i n e db yt h em n ，a n dh a r dp h a s ea d d e di nt h ec o a t i n gp l a y i n gan e g a t i v e r o l eo nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ； 2 ) t h ea l l o yc o a t i n gw a sp r e p a r e di nt h et h e1 c r l 8 n i 9 t io fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e ls u r f a c em a d eu po ft h em na n dn i w ch a r dp h a s ec o m p o s i t e ； a l l o yl a y e ra n dt h es u b s t r a t eh a v ea c h i e v e dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n g ；x r dr e s u l t s t h a tt h el a s e ra l l o y e dl a y e r m a i n l yc o m p o s e do ff e - m na l l o y , w c ，w 2 c ， f e 3 w a c ，f e 6 w 6 ca n dm n o ；l a s e ra l l o y e dl a y e rm i c r o h a r d n e s sh a v eu pt o 6 6 4 4 h v 0 1 ，w h i c hi s3 3t i m e st h a tt h em a t r i x ，t h em a x i m u mh a r d n e s si nt h e s u b s u r f a c eo ft h ea l l o yl a y e r ；l a s e ra l l o y i n gl a y e rs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dw e a r r e s i s t a n c et h a nt h em a t r i x ，t h er e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c ei s3 6 4 ； 3 ) t h eb l a d eo fs h rs e r i e so fh i g h s p e e dh e a t i n gm i x i n gw h i c hj i a n g s u l i a n g u a nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tc o ，l t d p r o d u c tw a ss l e e t e db ys u p p o r t i n g t e s t s u b j e c t s ，a n dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e db yi n s p e c t i o no ft h e o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o no fd a t a ，a n dp r e p a r a t i o no fl a s e rs t r e n g t h e n i n gb l a d e si n t h ec u r r e n tp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a v eg o o dr e s u l t s f u r r o wo ft h eb l a d ee d g e p r o c e s s e du s i n gl a s e rs u r f a c ea l l o y e di ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h a to ft h es i d e e d g en o tp r o c e s s e d k e yw o r d s ：b l a d e s ；l a s e rs u r f a c e a l l o y i n gt e c h n o l o g y ；m i c r o s t r u c t u r e ； i v m i c r o h a r d n e s s ；p h a s e ；c o r r o s i o n ；w e a r 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高速混合机桨叶的工作条件 1 1 1 高速混合机的概述 高速混合机同时也被称为高搅机。普通的高速混合机由混合锅、叶轮( 桨叶) 、折 流板、上盖、卸料装置以及传动装置等组成，如图1 - 1 【1 】所示，其结构简单合理，进出 料方便。其筒体和桨叶采用了不锈钢材料制作，便于清洗，同时具有较高的混合效率。 作为聚氯乙烯制品加工行业中应用最普遍的辅助设备之，高速混合机主要涉及原料混 合及改性等领域。在塑料原料的混合过程中将其与各种助剂例如润滑剂、增塑剂、着色 剂等一起置于混合锅内，经混合机搅拌至一定温度以达到各种添加剂与塑料原料之间充 分混合、渗透与吸收的目的【2 1 。 1 功 料装置2 一混合锅3 叶轮禾上盖5 浙流板6 - 驱动装置 图1 1 普通高速混合机【1 】 f i g 1 1h i g h - s p e e dm i x i n gm a c h i n e l l j 因为高速混合机主要的应用领域在原料处理和准备阶段所以人们往往忽视其重要 性，实际上混料是在聚氯乙烯的生产过程中的一步重要的环节，混料工序是聚氯乙烯的 生产过程中直接影响产品质量的重要环节【3 】。目前国内外许多企业都已形成混合机的系 列产品，在高分子材料成型加工、制药、染料、造纸等行业得到广泛应用。国内混合机 制造企业已超过1 0 0 多家，但大多生产规模较小，且还停留在测绘、仿制的水平上，其 产品质量良莠不齐，与世界先进水平相差较大【2 1 ，制造水平亟待提高，待以提高整体业 界的发展。 1 1 2 高速混合机桨叶的工作条件 高速混合机的结构设计决定了其混合质量，而其中转子又是高速混合机的关键装 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 置。普通的高速混合机中，转子都被设计成叶轮( 桨叶) 样式，其结构又有很多形式， 主要由物料性能和混炼要求决定【1 1 。 高速混合机工作时，高速旋转的桨叶借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力 使物料沿桨叶切向运动。同时，由于离心力的作用，又被抛向混合锅内壁，并且沿壁面 上升，当升到一定高度时，由于重力作用，又落回到桨叶中心，接着又被抛起，这种上 升运动与切向运动结合，使物料处于连续的螺旋状上下运动状态，如图1 1 【1 】所示。由于 桨叶转速很高，物料运动速度也很快，快速运动着的物料相互碰撞摩擦，进行交叉混合， 同时温度升高【1 1 。ph o l m 等研究的结果表明，在高速混合机的混合过程中，消耗的电能 几乎完全转变为热能，从而使物料的温度上升1 4 1 。对于桨叶而言，高温环境下的混合机 所混合的聚氯乙烯原料受热易于导致形成富含c l 一的酸性腐蚀性介质的工作环境。 混合锅的折流板进一步搅乱了物料的流态，使物料形成无规则运动，并在折流板附 近形成很强的涡流，促使物料进一步均匀分散和混合。当桨叶转动时，桨叶侧面对物料 有强烈的冲击和推挤作用，这一侧面上的物料如不能迅速滑动到桨叶上表面并被抛起， 就有可能产生过热或粘在混合锅壁上。所以在旋转方向桨叶的断面应呈流线型【1 1 ，为了 防止物料粘滞在桨叶或者筒体上，这同时对桨叶表面的质量有一定的要求。 1 2 高速混合机桨叶的失效分析 1 2 1 高速混合机桨叶的用材分析 对于制造高速混合机桨叶的材料，要求高耐磨性能、高耐蚀性能和抗疲劳性能，主 要采用不锈钢，表面粗糙度忍应小于0 4 9 r a l l l 。目前国内混合机生产厂家多数采用 1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏体不锈钢来制造桨叶1 2 】。 不锈钢是c r 的含量大约不小于1 3 的铁合金，高的c r 含量预防了合金在无污染的 大气中被氧化为铁锈，因此这一类f e c r 合金被统称为不锈钢。在不锈钢中含有c f 和 较多的稳定奥氏体( 使钢在室温条件下为单相奥氏体) 的元素如n i 、m n 、n 等的钢称 为奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢具有耐蚀性高，塑性高，韧性和低温韧性好，无磁性， 加工成形性能好，具有良好的焊接性能等一系列优点，是应用最广泛的耐酸钢，约占不 锈钢总量的2 ，3 之多【5 】。 1 2 1 1 不锈钢的磨损机理 jtb u r w e l l 和cd s t r a n g 提出的按照磨损机理对磨损类型进行分类的方法，是较为 通用的分类方法，即磨损通常分为粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损和化学磨损等四种主 2 江苏大学硕士学位论文 要的磨损形式同。后来又对这种分类方法进行总结和扩充，目前，比较常用的磨损机制 为：氧化磨损、咬合磨损( 第一类粘着磨损) 、热磨损( 第二类粘着磨损) 、磨粒磨损、 微动磨损、表面疲劳磨损( 接触疲劳) 等六类磨损形式。实际上，上述磨损机制很少单 独出现。根据磨损条件的变化，可能出现不同的组合形式，因而在解决实际磨损问题时， 要分析参与磨损过程各要素的特征，找出哪几类磨损在起作用，而起主导作用的磨损又 是哪一类，进而采取相应的措施，减少磨损。 s c l i m 和d c i s a a c s 等人在1 9 8 7 年深入研究了干摩擦条件下烧结钢表面的氧化 磨损，他们将氧化磨损划分为轻微氧化磨损和严重氧化磨损两种，在轻微氧化磨损阶段， 瞬现温度足以引起局部氧化，可以形成氧和铁的固溶体、粒状氧化物和固溶体的共晶、 或者不同形式的氧化物如f e o 、f e 2 0 3 、f e 3 0 4 等，但这些氧化物处于冷脆状态，当速度 达到一定程度，氧化膜面积增加并增厚，同时韧性较高，与基体连接处的抗剪切强度较 高，磨损过程的特点发生了变化，进入严重氧化磨损阶段用。 磨粒磨损也称为磨料磨损或研磨磨损，是指滑动摩擦时，机件表面摩擦区存在硬质 磨粒( 外界进入的磨料或表面剥落的碎屑) ，以致磨面发生局部的塑性变形，磨粒嵌入 和被磨粒切割等过程，使磨面逐渐被磨耗。磨粒磨损和氧化磨损一样，是机件中普遍存 在的一种磨损形式。因为磨粒磨损主要与摩擦区存在磨粒有关，所以，在各种滑动速度 ；和比压下，都可能发生。磨粒磨损速度主要取决于磨粒性质( 主要是相对于摩擦副材料 ； i 的硬度大小) 、形状和大小。当磨料硬度较高且棱角尖锐时，磨粒状如刀具一样，在切 应力作用下，对金属表面进行切削，形成切屑。这些切屑一般较长而深度较浅。但实际 上，磨粒与表面接触时发生切削的情况不是很多，更多的情况是磨粒形状较圆钝，或者 材料表面塑性较高时，磨粒在表面滑过后，往往只能犁出一条沟槽，而使两侧金属发生 塑性变形，堆积起来。在随后的摩擦过程中，这些被堆积部分又被压平，如此反复的塑 性变形导致裂纹形成，引起剥落，因此，这种磨损实际上是疲劳破坏过程。 1 2 1 2 不锈钢的腐蚀机理 不锈钢的不锈特性来源自钢板表面存在的特殊的钝化保护膜而使不锈钢基体在各 种介质中腐蚀受阻，即钝化膜理论。所谓钝化膜就是在不锈钢表面有一层稳定的、完整 的、致密的并与基体结合牢固的以c r 与o 结合的c r 2 0 3 为主的薄膜。不锈钢对比碳钢， 其耐蚀性突出优秀，但也并非如金或者铂金那样绝对不生锈的金属，不锈钢的不锈性是 相对的，只是腐蚀速率比较小而已。不锈钢发生腐蚀的主要形式有：均匀腐蚀和局部腐 3 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 蚀。均匀腐蚀又称般腐蚀或连续腐蚀。在均匀腐蚀中，腐蚀发生在金属裸露的整个表 面上或零件使用的整个工作面上。一般发生在大气、海水和稀的还原性介质中。均匀腐 蚀虽然会使零件受力的有效面积不断减小并降低其使用寿命，但是除了特殊环境以外， 不锈钢的均匀腐蚀的速度极低，使用寿命长，而且在工业设备及其构件的运行过程中容 易被察觉或可以预见，所以其危害性比局部腐蚀要小得多，一般不致带来危险性的事故。 局部腐蚀是指在腐蚀介质的作用下，钢的基体在特定的部位被快速腐蚀的一种腐蚀 形式。局部腐蚀主要类型有：点蚀、应力腐蚀、晶问腐蚀等。宏观的点腐蚀、应力腐蚀 和微观的晶间腐蚀是不锈钢腐蚀问题中较常遇到的腐蚀问题。 1 2 2 高速混合机桨叶的失效形式 在混合聚氯乙烯原料的工作过程中，奥氏体不锈钢制作的桨叶受到冲击、磨损、腐 蚀同时作用，工作环境恶劣，同时存在磨损失效、腐蚀失效、表面疲劳失效和变形失效。 1 2 2 1 磨损失效 桨叶的磨损失效形式是冲击磨料磨损失效，这是生产实际中的一种特殊磨损方式， 它既不是纯冲击，也不是一般的滑动磨料磨损，而是两个过程的复合。其过程是：在冲 击瞬间，两对磨面相互碰撞，在摩擦界面间有硬质磨粒存在，同时两界面有相对滑动； 当冲击结束时，两对磨面脱离接触，不摩擦不磨损。这两个过程周而复始地交替进行。 作为纯冲击和滑动磨料磨损两个过程的复合，是一种极恶劣的磨损工况，在该工况下工 作的零件都表现出极短的寿命。磨粒对桨叶的作用具有凿削和碾碎式磨料磨损的双重特 点 8 1 ，对桨叶有很强的犁削作用，桨叶磨损很快，磨损的金属微粒还造成了聚氯乙烯原 料污染，加速了p v c 降解老化。 目前p v c 加工行业刚性粒子增韧p v c 法快速发展，不但提高了p v c 的韧性，而 且适当改善了强度、模量、热变形温度和加工流动性 9 】。但是刚性粒子大量使用加速了 桨叶磨损，也提高了对桨叶耐磨性能的要求。 1 2 2 2 腐蚀失效 不锈钢在p v c 原料受热形成的富含a 一的腐蚀性介质中最容易发生点腐蚀。因为 不锈钢的不锈性是由于在适当的电位范围内形成钝化膜1 1 0 l ，c i 一容易吸附在钢表面的个 别点上，破坏了表面钝化膜，形成了不锈钢的点蚀源。同时可能诱发应力腐蚀，奥氏体 不锈钢的氯脆现象属于典型的应力腐蚀。不锈钢的不锈性是由于在适当的电位范围内形 成钝化膜。在应力的作用下，位错沿着滑移面运动至表面，在表面形成滑移台阶，使钝 4 江苏大学硕士学位论文 化膜破坏；在给定电位下，若是这种膜来不及再形成，则将形成蚀坑或裂纹。因此，膜 的不断破坏和形成这对矛盾的发展，便是不锈钢应力腐蚀断裂的核心问题【1 0 1 。 不同冲蚀速度、不同浆料含砂量及不同冲蚀角度条件下的冲蚀磨损腐蚀试验下的腐 蚀冲蚀磨损行为表明1 c r l 8 n i 9 t i 可以较好地避免了腐蚀与冲蚀磨损交互作用而导致磨 损加速的情况( 1 1 l ，其主要失效形式为磨损失效。因此研究中主要方向是增强桨叶的耐磨 性能，次要方向是保持桨叶的耐腐蚀性能。 1 2 3 小结 运行在高速混合机的工作环境中，桨叶表面如图1 2 所示布满了磨粒磨损所造成的 沿滑动方向的犁沟和冲击所出现的凹坑，这些磨损失效的形式在桨叶的刃口处较为集 中，是因为刃口处是接受磨料冲击的主要区域，因此桨叶的磨损失效也主要是由刃口部 分的失效导致的。 图1 2 桨叶工作环境 f i g 1 2t h ew o r ke n v i r o n m e n to fb l a d e s 奥氏体不锈钢作为桨叶制造材料具有优良的力学性能和耐蚀能力，足以应对高速混 合机的酸性环境，也可有效避免腐蚀与冲蚀磨损交瓦作用而导致磨损加速的情况，但是 硬度较低，耐磨性能不能满足要求，磨损较快，寿命较短，表面性能亟待提高，以应对 恶劣的工作环境。 1 3 桨叶的表面改性处理技术 提高材料表面性能的两个主要途径为开发新材料和实施表面改性【1 2 1 。 对于前一种方法，国外企业为了提高桨叶耐用度而采取的主要技术措施是采用双金 属复合材料。金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不 同的金属材料结合成一体制备的。金属复合材料在保持母材金属特性的同时还具有“相 5 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 补效应”可以弥补各自的不足，经过恰当的组合从而获得优异的综合性能。复合材料的 力学性能和功能，可以根据实际需要，通过适当选材和优化设计来获得【1 3 】。凼内张家港 市的江苏联冠科技发展有限公司研制了一种新型的高铬小锈铡来替代1 c r l 8 n i 9 t i 奥氏 体不锈钢，其主要成份为c r 、n i 、v 、n b ，是用来制造高速混合机桨叶的优良材料。 但是使用具有高耐蚀、高耐磨性能的材料会大大增加桨叶的生产成本，性价比不高， 所以基于高速混合机桨叶： 作环境、失效形式和成本因素考虑，表面强化工艺为提高桨 叶耐磨性能的有效途径。对于桨叶所用奥氏体不锈钢可行的经济的表面强化技术包括： 1 3 1 低温渗碳表面处理技术 图1 3 低温渗碳奥氏体不锈钢试样横断面扫描电镜图像1 1 4 】 f i g 1 3c r o s s s e c t i o n a ls e mi m a g eo fal o w t e m p e r a t u r ee a r b u r i z e da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ls p e c i m e n 1 4 i i + l a 孵 l j ) i i 1 wz 惧jz 、”j u l 爿n m i 图1 4l t c s s 技术处理的奥氏体不锈钢深度与硬度的关系【1 4 1 f i g 1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e p t ha n dh a r d n e s so fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e ld e a l tb yl t c s s l l 卅 奥氏体不锈钢低温渗碳技术，较好解决了奥氏体不锈钢在渗碳或者渗氮中表面硬度 与耐蚀性无法兼顾的问题。通过低温渗碳处理，使渗入的c 原子固溶于奥氏体基体而 不是以碳化物形式析出，形成种扩张奥氏体【1 5 】。yc a o l l 钠，gmm i c h a l l l 6 】和fj m a r t i n 1 。刁从不同的角度研究了低温奥氏体不锈钢渗碳，结果表明该技术可在试样表面 形成表面硬化层( 如陶1 3 【1 4 1 所示) ，有效地提高材料的硬度( 如图1 4 1 1 4 l 所示) ，改善材料 6 江苏大学硕士学位论文 抗腐蚀能力、抗疲劳能力和耐摩擦能力。目前主要的工艺方法有三种：离子法、常规气 体渗碳和盐浴法。其中有些工艺已经申请专利，并且投入生产。由美国s w a g e l o k 公司 推广的基于低温渗碳表面处理技术( l t c s s ) ，在应用中没有硬化层剥落和零部件尺寸变 形的风险，同时获得较好的硬度和抗腐蚀能力，表明硬化层厚度至少达到2 5 1 x m ，显微 硬度达到1 2 0 0 h v l l 刚。 虽然国内外的专家在该领域已经做了大量的理论工作，但是实际应用中仍面临一些 问题有待解决：一是如何高效、简便地去除奥氏体不锈钢表面的钝化膜；二是低温条件 下，如何提高碳原子在奥氏体不锈钢中的扩散系数【1 5 1 。 1 3 2 等离子表面处理技术 等离子体表面处理技术是辉光放电、等离子体在低于0 1 m p a 的特定气氛中，用工件 作阴极在和阳极之间产生的辉光放电所进行的一种使金属表面改性的处理技术【1 9 1 。孙跃 等研究了等离子注渗氮的温度和注渗电压对1 c r l 8 n i 9 t i 注渗层性能的影响。原始样和注 渗样，显微组织分别如图1 5 ( a ) 和( b ) i 刎所示，注渗后表层晶粒细化，纳米硬度提高1 3 4 9 倍，并与注渗温度保持单调关系。表层有非晶或枘相生成的试样表现出优良的耐腐蚀性 能，没有新相生成的试样耐蚀性变差刚。 图1 5 ( a ) 原始样的表面显微组织； 1 0k v 3 9 0 * c 注渗样的表面显微组织1 2 0 l f i g 1 5s u r f a c em i c r o s t r u c t u r eo fo r i g i n a la n di m p l a n t e ds p e c i m e n l 2 0 1 ( a ) o r i g i n a ；t r e a t e d1 0k v 3 9 0 c 但是吕学飞等研究发现当渗氮温度 5 6 0 。c ，试样表面有一层黑色的物质，产生的 主要原因是受温度的影响。黑层的出现使试样表面的光洁度下降；同时当气压 3 0 k p a 时试样出现边缘效应，边缘发生体积膨胀，影响了试样的尺寸精度【2 1 】。因此需要合适的 离子渗碳的工艺路线和参数。此外离子渗碳所需设备比较复杂，要求操作人员的技术水 平较高，同时对不同形状、尺寸、材料的零部件难以混合装炉【1 9 1 。 7 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 1 3 3 热喷涂表面处理技术 等离予喷涂是以非转移的等离了弧为热源，喷涂材料以粉未形式送入焰流中制备涂 层的一种方法。由丁这种喷涂方法的焰流温度高，流速大，所以制备的涂层孔隙率及结 合强度均优于常规火焰喷涂，尤其对制备高熔点的金属涂层及陶瓷涂层有更大的优越性 【1 9 l 。nlp a r t h a s a r a t h i 等研究了采用等离了喷涂n i c r b s i f e 在a i s i3 1 6 l 不锈钢基体i 二所形 成的等离子喷涂涂层。涂层的厚度达至t l s 0 0 t t m ，娃微硬度平均值达到8 2 2 h v o l 3 ，耐磨性 能是基体的4 倍。在3 5 0 时形成的f e 3 0 4 和c r 0 3 氧化层在摩擦过程中充当了润滑剂的作 用，降低了磨损程度和材料损失1 2 2 1 。s a t i tk a m o n b o o n y a n a n 等通过热喷涂的方法来解决 旋耕机切刀面临的非常严重的磨损问题，延长旋耕机切刀使用寿命，同时采用高速火焰 热喷涂w c c o 和等离子喷涂a 1 2 0 3 - t i 0 2 n i a i 进行对比。试验表明在切刀表层形成的两种 涂层如图1 6 f 矧，表面硬度对比未喷涂前基体都提高了将近一倍。未喷涂前切刀的磨损 率为0 8 6 c m 3 h a ，高速火焰热喷涂w c c o 后切刀的磨损率为0 0 2 c m 3 h a 和等离子喷涂 a 1 2 0 3 t i 0 2 n l m 为0 9 0 a n 3 h a ，根据观察，等离子喷涂后切刀表面的一些a 1 2 0 3 涂层破碎 加速了磨损【2 3 1 。 图1 6 ( a ) 高速火焰热喷涂涂层截面金相组织( b ) 等离子喷涂涂层截面金相组织【趋1 h g 1 6 ( a ) m i c r o s t m e t u r eo fc r o s s s e c t i o no f ( b ) m i e r o s t r u c t u r eo fc r o s s - s e c t i o no fp l a s m ah v o f t h e r m a ls p r a yc o a t i n g s p r a y e dc o a t i n g t 刀j 高速火焰热喷涂是2 0 世纪8 0 年代初期由美l 蛩b r o w n i n g 先生开发的。最先商品化的产 品是j e t k o t cl i 。由，二它的焰流速度可达3 倍音速以上，所以用这种方法可以得到非常致 密，结合强度高，热应力小的涂层。因此，在工业上得到广泛的应用【1 9 】，尤其是对于易 受到腐蚀或者磨损的机械零部件效果显著。ec c l i k 等研究了采用高速火焰热喷涂在3 1 6 l 不锈钢基体上制备的w c 勘n w 和、c - n i n 谶涂层的显微组织和磨损行为。涂层具有 致密的结构、低氧化物和孔隙牢【2 4 】。 特种喷涂的涂层性能优丁普通火焰喷涂，涂层种类多，适用喷涂的零件范围也很宽， r 江苏大学硕士学位论文 但如图1 7 【2 2 】所示，涂层与基体结合属于机械结合，涂层可能剥落破碎进而污染混合原 料和毁坏混合机。袁波等尝试使用激光熔凝高速火焰热喷涂形成的涂层，使涂层和基体 形成冶金结合，进一步改善了其使用性能【2 5 1 。同时特种喷涂还面临操作环境较差的问题， 操作时需加以防护。 图1 7 等离子喷涂涂层与基体的横断面显微图像阎 f i g 1 7c r o s s - s e c t i o n a lm i c r o g r a p h so fi n t e r f a c ea n dc o a t i n g 硐 1 3 4 激光表面改性处理技术 激光表面改性利用激光的高亮度、高单色性、高方向性、高相干性的特点，作用于 金属材料表面，使材料的表面性能得到提高。特别是材料表面硬度、强度、耐磨性等的 改进，提高了产品的使用寿命。 1 3 4 1 激光相变硬化 激光相变硬化是基体表层受激光辐照后被迅速加热至一定温度以上，并在停止辐射 后快速自冷却得到马氏体组织的一种工艺方法【硐。韩莉等对1 c r l 8 n i g t i 进行激光相变硬 化后，淬硬层晶粒较基体显著细化，试验得到的最大硬度值为2 2 4h v 阳。陈德鑫等优 化了激光相变硬化处理高速混合机桨叶的工艺参数。绎金相组织分析和磨损试验表明： 桨叶材料经激光处理后的硬度和耐磨性大大提高。工厂使用情况表明其使用寿命比未进 行表面处理的桨叶提高- 4 - - 6 倍网。 1 3 4 2 激光表面熔覆 激光熔覆通过在金属基体表面添加熔覆材料，经高能激光束辐照使熔覆材料与基体 表面薄层一起熔凝，形成与基体冶金结合、硬度高、耐磨性好、抗腐蚀的涂覆层【3 3 1 。国 内外的专家对以奥氏体不锈钢为基体的激光熔覆技术做了许多研究，如表1 1 列举。 9 高速混合机桨叶的失效分析及强化、修复技术 表1 1 奥氏体不锈钢表面激光熔覆耐磨涂层 t a b l e 1 1w e a r - r e s i s t a n tc o a t i n ga f t e rl a s e rc l a d d e do fa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e li ns u r f a c e 1 3 4 3 激光表面合金化 激光表面合金化是在高能激光束作用f ，将一种或多种合金元素与摹材表面快速熔 凝，从而得到预定高合金特性的材料表层【矧。khl d 等在己预涂w c 粉木的a i s i3 1 6 不锈钢表面实现激光合会化。经研究表明，不锈钢抗空蚀性能为激光合金化前的3 0 倍， 这主要归功于固溶w 的增加和碳化物的析出【3 5 j 。许长庆等采用激光合金化在a i s i3 2 1 不锈钢表面制得c 增强复合涂层，涂层组织细小均匀，与基体形成良好冶金结合，无 裂纹、气孔和央杂等缺陷，显微硬度为基体的2 5 倍，表现出良好的耐磨性【3 6 1 。r j a g d h e e s h 等采用激光合金化成功制备了以奥氏体不锈钢为基体的n i 和t i c 颗粒增强合 金化层，试验显示，2 0 n i 8 0 t i c 的粉末混合比例最优，该比例下激光合金化涂层的 显微硬度达到7 3 3 i - i v f 3 7 1 。 1 3 5 小结 1 0 图1 8 ( a ) 等离子熔覆基体扫描电镜照片( b ) 激光熔覆基体扫描电镜照片 f i g 1 8 ( a ) s e mm i c r o g r a p ho ft h ep l a s m ac o ) s e mm i e r o g r a p ho fal a s e rc l a d d e d z o n es u b s t r a t ew g i o n t 3 8 j 激光表面改性利 j 激光高能量光束作为热源，虽然存在金属表面对激光波长普遍发 江苏大学硕士学位论文 射严重和一次性投资较大的问题，但是同其他改性技术相比，在改性层性能、生产成本、 使用寿命、加工效率、环境保护和循环经济等方面有着显著的优势。激光处理的成本按 面积计算，每单位面积的成本在3 0 0 元，m 2 左右，低于等离子熔覆等其他表面处理技术。 ls h e p c l e v a 等对燃气涡轮发动机桨叶进行了等离子熔覆和激光熔覆，如图1 8 【鲳】所示较 等离子熔覆层，激光熔覆层没有微裂纹和微孔，而且具有较为光洁的表面和较高的硬度 ( 6 5 0 8 2 0h 、n l 翊。 在高速混合机桨叶激光强化方面，激光合金化技术有独特优势。( 1 ) 激光合金化层 与基体之间为冶金结合，具有很强的结合力；( 2 ) 激光合金化只在溶化区和很小的影响 区内发生了成分、组织和性能的变化，对基体的热效应可减少到最低限度引起的变形也 极小；( 3 ) 由于合金元素是完全溶解于表层内，因此所得薄层成分很均匀，对开裂和剥 落等倾向不敏感；( 4 ) 激光合金化所用的激光功率密度很高( 1 0 4 1 0 晰c m 2 ) ，溶化深度由 激光功率和照射时间来控制，在基体表面可形成深度为0 0 1 。2 r a m 的合金层。由于冷却 速度高，偏析极小，细化晶粒效果显著；( 5 ) 合金化元素添加方式很多，工艺方式灵活， 既可以是基材中固熔添加的硬质点，也可以是原位生成的，使得激光合金化技术更具有 优势【3 9 】。 激光表面合金化技术的应用研究非常广泛，例如：姚建华等对在4 0 c t 钢表面进行 c o w 合金、超细w c ( 2 3 【皿) 两种材料激光合金化的试验，4 0 c r 钢的注塑机螺杆经激 光合金化强化后使用寿命比气体渗氮提