（材料加工工程专业论文）hvof在热作模具钢h13表面处理及修复中的基础研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 上世纪8 0 年代以来，我国的模具制造业进入了快速发展时期，已经成为工业生产 中的重要组成部分。模具是工业生产中大量应用的消耗件之一，如何最大限度地提高它 的使用寿命一直是国内外研究的热点。我国生产的模具钢的品种、规格和质量还远远落 后于瑞典、日本、美国等先进国家，生产的模具的使用寿命也只有进口模具的1 2 - 1 3 。 模具主要是依靠其表面进行工作，因此，模具的失效8 0 以上来自表面损伤，如磨损、 疲劳、腐蚀等。所以，发展和应用表面改性技术是提高模具使用寿命的关键。运用表面 技术不仅可以对已经失效的模具进行修复，还可以提高模具的表面硬度，改变表层化学 成分和组织，进而可以提高其耐磨性、抗粘附性、抗疲劳性和耐腐蚀性等。 本文首先介绍了几种常用的热作模具表面处理的方法及各自的优缺点。其中包括化 学热处理、表面加工强化处理、电弧堆焊技术、热喷涂技术、电刷镀技术、激光熔覆技 术和电火花技术等。然后，以热作模具钢中被广泛使用的h 1 3 作为研究对象，为了能够 胜任其艰苦的服役环境，喷涂材料选用w c 系金属陶瓷粉末和自熔性合金粉末n i 6 0 a 。 由于w c 1 2 c o 粉末熔点较高，且在高温时容易发生氧化，因此，本试验采用超音速火 焰喷涂( h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l ，h v o f ) 的方法进行试验。对制得的涂层进行组织 结构以及性能的检测，包括：扫描电镜、x 一射线衍射仪、显微硬度测试、结合强度测试、 高温摩擦系数以及高温磨损性能试验。 实验结果表明：( 1 ) 通过观察粉末粒子沉积到基体上的状态，解释了喷涂粒子的熔 化、变形及涂层成形机理。结果表明，在采用合适的喷涂参数时，组成涂层的粒子是处 于完全熔化以及半熔化的状态，此时沉积效率较高而且结合较牢固，利于获得质量优异 的涂层。 ( 2 ) 国产和进口的w c 一1 2 c o 粉末制得的涂层都有均匀且致密的组织结构，孔隙率 在1 5 上下，沉积率比较高；采用n i 6 0 a 粉末喷涂时，也能得到较为致密的涂层，孔 隙率2 7 ，沉积率偏低，为获得试验用同等厚度的涂层，可延长喷涂时间，但获得的 涂层容易因热应力集中而产生微裂纹。 ( 3 ) 进口和国产的w c - 1 2 c o 粉末采用煤油流量2 0 l h ( 压力：0 7 2 m p a ) ，氧气流量 3 0 m 3 h ( 压力：1 3 m p a ) ，送粉气流量7 0 0 m l m i n ( 压力：0 4 m p a ) ，喷涂距离3 5 0 m m 喷 涂参数进行喷涂时，涂层的结合强度都在7 0 m p a 以上；当其他条件不变，煤油流量为 1 6 l h ( 压力：0 6 4 m p a ) 时，进1 2 粉末制得的涂层的结合强度仍然大于7 0 m p a ，国产粉 末制得的涂层的结合强度为6 2 7 m p a ；n i 6 0 a 涂层的拉伸断裂面均在涂层内部，结合强 武汉理工大学硕士学位论文 度为5 1 8 m p a 。在基体浅表深度几十微米的厚度范围内形成类似冶金结合区域，涂层与 基材之间良好结合。 ( 4 ) 进口w c 1 2 c o 粉末制得的涂层具有最高的显微硬度，平均达到1 3 7 0 h v o 2 ， 国产w c 1 2 c o 涂层次之，达到1 3 0 4 h v o 2 ，n i 6 0 a 涂层的显微硬度相对较低，为8 2 0 h v 0 _ 2 0 这三种涂层在常温时的摩擦系数接近，都在o 3 2 左右，但是处于5 0 0 时，摩擦系数值 分别为0 5 4 、o 5 2 、0 5 9 。在高温磨损方面，w c 系涂层明显优于n i 6 0 a 涂层，磨损量 仅为后者的1 4 1 3 ，说明w c 系粉末在高温时具有良好的红硬性及耐磨性。 ( 5 ) 国产w c 1 2 c o 粉末能够经济又有效地作为热作模具钢h 1 3 表面改性及修复 用喷涂材料，适宜的喷涂参数为：煤油流量2 0 l h ( 压力：0 7 2 m p a ) ，氧气流量3 0 m 3 h ( 压 力：1 3 m p a ) ，送粉气流量7 0 0 m l m i n ( 压力：0 4 m p a ) ，喷涂距离3 5 0 m m 。 关键词：超音速火焰喷涂( h v o f ) ；热作模具钢；w c 1 2 c o 涂层；n i 6 0 涂层；组织；性 能 h a b s t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ，c h i n a sm o l di n d u s t r ye n t e r e dap e r i o do fr a p i dd e v e l o p m e n ta n d h a s b e c o m ea i li m p o r t a n tp a r to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n m o l d sa ret h em o s tc o n s u m e dp a r t s l n i n d u 丽a lp r o d u c t i o na n dw a y st om a x i m i z e i t ss e r v i c el i f eh a sb e e nar e s e a r c hf o c u sa tn o m e a n da b r o a d c h i n a ss t e e lp r o d u c t i o nm o l d s v a r i e t y ，s p e c i f i c a t i o n sa n dq u a l i t yi s f a rb e h i n d s w e d e n j a p a n ，t h eu n i t e ds t a t e sa n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h es e r v i c el i f eo f m o l d si s o n l v1 2 1 3t h a to fi m p o r t s m o l d sr e l ym a i n l yo nt h e i rs u r f a c et ow o r k ，t h e r e f o r e ，m o r e t i l 觚8 0 o ff a i l u r e si sd u ef r o ms u r f a c ed a m a g e ，s u c ha sw e a l , f a t i g u e ，a n dc o i t o s l o n 1 i h e l e 1 f o r e ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs u r f a c em o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi st h ek e y t o i m p r o v i n gm o l dl i f e t i m e n o to n l yc a n t h eu s eo fs u r f a c et e c h n o l o g yr e p a i ra f a i l e dm o l d ，i t c 觚a l s oi m p r o v et h es u r f a c eh a r d n e s so ft h e m o l da n dc h a n g et h e s u r f a c ec h e 栅c a l c o m p o s i t i o na n d ， i nt u r n ，c a ni m p r o v ew e a l r e s i s t a n c e ，a n t i a d h e s i o np r o p e r t i e s ，f a t l g u e r 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 e t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lc o m m o nh o td i es u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d sa n d t n e l r a d v 鲫t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e s ei n c l u d et h e r m o c h e m i c a lt r e a t m e n t ，s u r f a c eh a l 恤n m g ， a r cw e l d i n g t h e r m a ls p r a y i n g ，b r u s hp l a t i n g ，l a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g ya n ds p a r km a c h l n l n g a f t e r w a r d s 。h13h o td i es t e e li sw i d e l yu s e da sa no b j e c to fs t u d y , s ot h a ti t i sa d e q u a t ef o ra t o u g hs e r v i c ee n v i r o n m e n t ，i ti ss p r a y e d w i t haw cs y s t e mc e r a m i cp o w d e ra n ds e l f - f l u x m g a l l o vp o w d e rn i 6 0 a a sw c 一12 c op o w d e rh a sah i g hm e l t i n gp o i n t ，a n di ss u s c e p t l b l et o o x i d a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e ，t h i ss t u d yu s e dt h eh v o fp r o c e s s t h ep r o p e r t i e s o ft h e c o a t i n gs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e c a nb ed e t e c t e du s i n g ：s c a n n i n ge l e c t r o nm l c r o s c o p y ，x r a y d i 衢a c t i o n ，m i c r oh a r d n e s st e s t s ，c o m b i n e dw i t hs t r e n g t ht e s t i n g ，h i g ht e m p e r a t u r e c o e f f i c l e n t o ff r i c t i o na n dh i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c et e s t s t h er e s u i t ss h o wt h a t ：( 1 ) b yo b s e r v i n gt h ep o w d e rp a r t i c l e sd e p o s i t e do nt h es u b s t r a t e o ft h es t a t e t h es p r a yp a r t i c l e sm e l ti naw a y t of o r mad e f o r m a t i o na n dc o m m gm e c h 锄s m t h er e s u i t ss h o w e dt h a ts p r a y i n gw i t ha p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，t h ec o m p o s i t i o n o ft h ec o a t m g p a r t i c l e sa r ei nac o m p l e t e l ym o l t e na n ds e m i m o l t e ns t a t e ，t h e nt h e r e i sah i g h e rd e p o s l t l o n e f f i e i e n c va n dt h er e s u l ti sr e l a t i v e l ys t r o n g ，o b t a i n i n ga ne x c e l l e n tq u a l i t yc o a t i n g ( 2 ) b o 【ht h ed o m e s t i ca n di m p o r t e dw c 一1 2 ( 2 0p o w d e r sr e s u l ti nh o m o g e n e o u sa n dd e n s e c o a t i n g s ，l o wp o r o s i t yo f1 5 ，ar e l a t i v e l yh i g hd e p o s i t i o nr a t e ；u s i n gn i 6 0 a p o w d e rs p r a y 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 t h e yc a l lr e s u l ti nar e l a t i v e l yd e n s ec o a t i n gw i t ht h ep o r o s i t yo f2 7 w h i l ei t sd e p o s i t i o n r a t ei sr e l a t i v e l yl o w w ec a ne x t e n dt h es p r a y i n gt i m et oo b t a i nac o a t i n gw i t ht h es a m e t h i c k n e s sa sw c 一12 c os a m p l e s ，b u tm i c r o c r a c k sw e r ee a s i l yc a u s e dd u et ot h e t h e r m o s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ( 3 ) t h ed o m e s t i ca n di m p o r t e dw c 一12 c op o w d e r ss p r a y e du n d e rp a r a m e t e r ：k e r o s e n e f l o w2 0 l h ( p r e s s u r e ：0 7 2 m p a ) ，o x y g e nf l o wr a t e3 0 m h ( p r e s s u r e ：1 3 m p a ) ，f e e d i n gg a s f l o wr a t e7 0 0 m l m i n ( p r e s s u r e ：0 4 m p a ) ，s p r a yd i s t a n c eo f3 5 0 m mo b t m n e db o n d i n gs t r e n g t h o fm o r et h a n7 0 m p a ；w h i l ed o m e s t i cw c - 12 c oc o a t i n gw i t h6 2 7 m p aa n di m p o r t e do n ew i t h m o r et h a n7 0 m p aw h e nt h ek e r o s e n ef l o wd e c r e a s e dt o16 l h ( p r e s s u r e ：0 6 4 m p a ) t h e n i 6 0 ac o a t i n g st e n s i l ef r a c t u r es u r f a c ew i t h i nt h ec o a t i n g ，h a sab o n d i n gs t r e n g t ho f 5 1 8 m p a ( 4 ) t h ei m p o r t e dw c 一12 c oc o a t i n gh a st h eh i g h e s th a r d n e s s ，a na v e r a g eo f13 7 0 h v o 2 t h ed o m e s t i cw c - 12 c oc o a t i n g ，r e a c h e d13 0 4 h v 0 2 t h en i 6 0 a c o a t i n gh a dar e l a t i v e l yl o w h a r d n e s so f8 2 0 h v 0 2 t h e s et h r e ec o a t i n g sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，h a daf r i c t i o nc o e f f i c i e n t c l o s et o0 3 2o rs o ，b u ta t5 0 0 0 c ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t sw e r e0 5 4 ，0 5 2a n d0 5 9 f o rh i g h t e m p e r a t u r ew e a l a n dt e a r , t h ew cc o a t i n gs y s t e mh a se x c e l l e n tr e dh a r d n e s sa n dw e a r i n g r e s i s t a n c et h a nn i 6 0 a c o a t i n g ，w i t ht h ew e i g h tl o s ei so n l y1 4 1 3c o m p a r e d t ot h el a t t e r ( 5 ) d o m e s t i cw c 一12 c op o w d e rc a nb eu s e da sa ne c o n o m i c a la n de f f e c t i v ec o a t i n g m a t e r i a lf o r t h em o d i f i c a t i o na n dr e p a i ro nt h eh 13h o td i es t e e ls u r f a c e ，t h ea p p r o p r i a t es p r a y p a r a m e t e r sa r e ：k e r o s e n ef l o w2 0 l h ( p r e s s u r e ：0 7 2 m p a ) ，o x y g e nf l o wr a t e3 0 m h ( p r e s s u r e ：1 3 m p a ) ，f e e d i n gg a sf l o wr a t e7 0 0 m l m i n ( p r e s s u r e ：0 4 m p a ) ，s p r a yd i s t a n c eo f 3 5 0 m m k e yw o r d s ：h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l ( h v o f ) ；h o td i es t e e l ；w c 一12 c oc o a t i n g ；n i 6 0 a c o a t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；p r o p e r t i e s i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生( 签名) 主拯拯日期尘掣望：支：27 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签孙筮拯聊。签孙雏日期刿 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 1 1 1 我国模具行业概况 第1 章引言 模具是制造业的核心工艺装备，在汽车、电器、电动机、家电仪表等产品中，超 过2 3 的零部件都要通过模具进行成形。因为模具生产出来的制件具有精确度高、一致 性高、生产效率高的特点，而且能够加工出型腔复杂的部件，这是其他加工制造方法不 可及的，所以，模具行业在国内外都受到了极高的关注，而模具制造技术也成为了衡量 一个国家产品制造水平的重要标志之一【l 】。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国的模具制造业进入了快速发展时期，由此带动了模具钢的 消费逐年上涨，我国在2 0 0 0 年模具钢产量已经超过日本成为世界第一。然而我国生产的 模具钢在产品种类、纯净度、均匀性、组织细小以及尺寸精确等方面都还远远落后于日 本、瑞典、美国等先进国家，例如，当国产的冷作模具钢达到了与进口钢相同的强度， 就要牺牲掉韧性以及耐磨性。为了满足生产的需要，每年仍然要以几倍于国产模具钢的 价格从国外工业发达国家大量进口价格昂贵的优质模具钢，其约占总需要量的1 3 ，且呈 逐渐增加的趋势【2 】- 【4 1 。 虽然我国模具制造业近年来得到迅猛发展，部分模具也己出口，但所生产的模具仍 属中、低档水平。我国模具行业“十一五 规划【5 】中指出国产模具目前国内市场占有率 不足8 0 ，其中，中低档次的模具供过于求，而高档模具却有5 0 依赖进口，现我国己 成为进口国外模具的世界第一大国 6 1 。 热作模具相对于冷作模具而言，因为工作环境的原因，需要钢体在高温时仍然能保 持较好的热稳定性、抗热磨损以及热疲劳的能力，但是国产模具的寿命明显较进口钢的 模具寿命低【_ 7 1 ，除去模具制造方法的影响，还有是因为制造用钢的高温强度和热疲劳性 能有限所致。以被广泛使用的h 1 3 为例，与进口h 1 3 相比，国产h 1 3 夹杂物、一次碳 化物较多，退火组织中碳化物呈现明显的沿晶界分布现象。但是，尽管这些国产h 1 3 钢存在上述诸多问题，却均是按国家标准生产的正规产品，这就暴露了我国国家标准与 北美压铸协会标准的差距。若以北美压铸协会标准考核检测时可发现的退火组织、带状 组织和冲击韧性等问题，均不是我国国家标准所考核的指标，这正是国产h 1 3 钢生产质 武汉理工大学硕士学位论文 量差的关键问题。因此，国内模具钢标准的提高也是亟待解决的问题瞄】【m 。 h 1 3 是世界上普遍使用的空冷硬化热作模具钢，具有较高的热强度，良好的淬透 性和抗热裂能力，中温条件下具有很好的韧性，常在6 0 0 作业。广泛用于制造热挤压 模具、芯棒、重载热作工具、模锻锤的锤模、锻造压力机模具、精锻机用模具以及铝、 铜等轻合金的压铸模和挤压成型模模体【1 1 1 。适合大型或形状复杂的模具。其化学式： 4 c r 5 m o s i v l ，成分见表卜1 。 表1 1h 1 3 热作模具钢化学成分( 质量分数) ( ) t a b l e1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh 1 3 ( m a s sf r a c t i o n ) ( ) 成分cm ns ic r psm ov o 3 2 o 2 0 o 8 0 一4 7 5 1 1 0 o 8 0 4 c r 5 m o s i v10 0 3 00 0 3 0 0 4 5o 5 01 2 05 5 0 1 7 5 1 2 0 h 1 3 钢经过常规淬火、回火后的硬度一般在4 2 - 4 8 h r c 之间，耐磨性能不足，加上 由于工作环境恶劣，在使用过程中常会因为热磨损和热疲劳而失效，此类模具的使用寿 命普遍较短1 2 】。我们知道，绝大多数的模具失效都是因为各种原因造成的表面损伤，如 果能对失效表面进行修复或者赋予模具性能更优异的表面，将极大的节约成本与资源。 本实验采用热作模具钢h 1 3 为实验基材，探讨其表面处理的有关问题。 1 1 2 失效模具修复方法 模具在当今制造业中起着至关重要的作用，它正向着大型化、高性能、高精度的方 向发展，因为其种类繁多，而且所用材料以及加工处理的工艺不尽相同，工作环境也复 杂多变，从而在一定程度上导致了其失效形式多种多样。模具作为加工其他产品的工具， 对材料选择、设计加工、处理等都有较高要求，这也就使得模具造价较高，尤其是大型、 复杂、精密的模具，因此，其一旦失效就会造成人力物力的极大损失和浪费，严重时甚 至影响生产。从经济性的角度出发，采用适当的方法来延长模具的使用寿命、降低成本， 已经是模具制造业急需解决的问题之一。模具主要依靠其表面进行工作，因此，模具的 失效8 0 以上为表面损伤，如磨损、疲劳、腐蚀等。它的失效大都由表面开始，因此， 发展和应用表面改性处理工艺是综合改善模具使用寿命的有效途径。对模具表面进行处 理，可以提高表面硬度，改变表层化学成分和组织，因而，可以提高其耐磨性、抗粘附 性、疲劳抗力和耐腐蚀性。模具表面性能的提高，不仅可以有效的延长模具的使用寿命， 降低生产成本，而且还能提高被加工件的表面质量。 由于模具自身的复杂性，造成了其表面处理及修复方法的多样性，目前在模具表面 2 武汉理工大学硕士学位论文 处理及修复中常用的表面技术有：化学热处理、表面涂覆处理、表面加工强化处理及电 弧堆焊修复技术、热喷涂修复技术、电刷镀修复技术、激光熔覆修复技术和电火花修复 技术等。 热扩渗技术又称为热渗镀技术或化学热处理技术。是用加热扩散的方式使金属或非 金属元素渗入模具的表面，在表面浅层形成合金层，从而提高模具表面的耐磨性、耐腐 蚀性以及疲劳强度等性能。其最大的优点是扩渗层与基材之间是靠形成合金来结合的 ( 即所谓冶金结合) ，具有很高的结合强度，这是其它涂层方法如电镀、喷镀或化学镀、 p v d 等沉积技术所无法比拟的。 表面加工强化处理的常用方法是喷丸强化，这种表面形变强化可以使模具表面产生 冷作硬化，改善模具表面的粗糙度，有效去除电火花加工而产生的表面变质层，提高模 具的疲劳强度，抗冲击磨损性能，从而达到提高模具使用寿命的目的。主要适用于落料 模、冷冲模、冷镦模和热锻模等以疲劳失效形式为主的模具。 堆焊技术是最早用于模具表面修复的表面技术，它是指用焊接方法在模具受损区域 堆覆一层或数层具有一定性能材料的工艺过程，使修复之后的模具重新达到使用要求， 并在修复区域获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔覆层。 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至熔化或者半熔化状态，并以一定的速度喷射沉 积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。该方法将在后文中详细介绍。 电刷镀工艺是电镀的一种特殊方法，它是依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需 要的电解液，电镀时，垫或刷在被镀的阴极上移动。电刷镀方法在修复方面的发展很快， 目前在工程车辆、航空、机械、电子、建筑、船舶、石油等各行各业得到了广泛的应用， 在模具修复领域的应用近年来也发展得很快。该工艺的优点：( 1 ) 镀层性能好，可满 足受静载荷作用模具的修复要求，如因磨损、拉伤等浅层失效的拉延模、拉伸模、挤压 模、压铸模，修复后无孔隙；( 2 ) 镀液种类多，能满足不同性能的要求，无毒，不污 染环境，可回收利用； ( 3 ) 刷镀在低温( 5 0 。c 以下) 进行，且沉积速度快，对工件无热 影响，不会引起变形；镀前不需进行开槽、打坡口等可能引起基体二次损伤的加工；( 4 ) 表面精度高，不产生气孔、夹渣等缺陷，对尺寸的控制能力优于其它模具修复工艺，部 分情况下可免除镀后加工；( 5 ) 设备小型，轻便灵活，便于移动，成本低，能源消耗 小，工艺简单。可对一些大型、不易搬动的模具进行现场不拆卸修复，大大缩短修复周 期，修复费用一般只占工件成本的0 5 一2 ，而且修复后表面的耐磨性、硬度、表面粗 糙度等不但能达到原来的性能指标，还能起到表面强化的作用。将电刷镀技术应用于模 具，可使汽车零件( 如曲轴、连杆、齿轮等) 的热锻模寿命提高2 0 1 0 0 。电刷镀也可 大幅度提高冷作模具的寿命。但电刷镀修复自动化程度不高，劳动强度大，不适宜批量 3 武汉理工大学硕士学位论文 修复。且要达到牢固优质的镀层，镀前处理要求高，电镀过程中要保持高质量对工艺要 求也较高，否则容易产生镀层不牢、气泡、剥落等现象。电镀层一般很薄，对形状损坏 部位难于修复。 模具激光熔覆修复技术是指以激光作为热源，用不同的填料方式在经过预处理的模 具失效区域放置所选择的材料，经激光辐照后使之以极快的速度和基体表面一薄层同时 熔化，并快速凝固后形成稀释率极低、与基体呈冶金结合的表面涂层【1 4 】。其优点是：( 1 ) 熔覆层稀释率低，且熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，能用于零件局部修复；( 2 ) 激光束的能量密度高，作用时间短，对模具基体热影响区及热变形均可降低到最小程度； ( 3 ) 熔覆层组织细密微观缺陷少，结合强度高；( 4 ) 粉末选择范围宽，特别是在低熔 点金属表面熔覆高熔点合金或者陶瓷粉末；( 5 ) 激光表面熔覆对环境无污染，无辐射， 噪音低，劳动条件得到较大改善。但是因为该技术一次投资较高，而且运行成本昂贵， 限制了其得发展。 电火花模具修复技术是利用电火花堆焊设备在需修复的模具表面沉积金属，利用电 弧放电将电极材料转移并堆积到工件表面。利用电火花技术可在模具失效表面沉积一层 特殊合金，不但起到修复作用，还能起到强化模具表面的作用。电火花修复方法操作简 单，在实际生产中可用于强化冷冲模、压弯模、拉深模、挤压模、压铸模和某些热冲、 热锻模具，但是只能进行磨损表面、磨钝和崩刃等的微量修复，不适宜对模具裂纹、宏 观形状改变及大面积损伤进行修复。 1 1 3 超音速火焰喷涂 超音速火焰喷涂是熟喷涂技术上的一大突破。为了抗衡美国联合碳化物( u n i o n c a r b i d e ) 公司的爆炸喷涂的技术垄断( d g u n 喷枪) ，上世纪6 0 年代初期，美国人 j b r o w n i n g 发明了超音速火焰喷涂技术( h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l ，h v o f ) ，称之为 j e t k o t e ”，并于1 9 8 3 年获得美国专利【l5 1 。h v o f 喷涂枪与普通火焰喷涂枪的不同之处 是，它有一个供氧气与燃料( 可用燃料包括丙烯、乙炔、丙烷、氢气、煤油等) 进行燃 烧的高温高压燃烧室，并且体积迅速膨胀的燃烧产物是经由一个压缩喷嘴喷射出去。这 种结构设计的目的是为了在喷枪的出口处获得超音速焰流，以便使通过载气送进焰流的 粉末获得超音速。由于以超音速飞行的颗粒撞击到基体表面时变形更充分，所以h v o f 喷涂涂层的结合强度、密度和硬度都非常高。 h v o f 的发展历经几代技术更新，在提高焰流速度、降低焰流温度和降低生产运行 成本上做了很多工作。根据燃烧室形式的不同，h v o f 喷枪先后有j e t k o t e 、d i a m o n d 4 武汉理i 。大学硕士学位论文 j e t ( d j 2 6 0 0 d j 2 7 0 0 ) 、t o pg u n 、c d s 、h v 2 0 0 0 、j p 5 0 0 0 1 j p 8 0 0 0 等典型代表【1 刚”。尽管 喷枪结构和功能上有所差异，但其工作原理类似，都是将进入燃烧室内的燃料和助燃气 体混合后点燃，发生剧烈的气相燃烧反应，使得燃烧产物急剧膨胀流经喷管，受到喷管 约束作用形成超音速高温火焰流，焰流速度可达到】5 0 0 r n s 以上，在焰流中可以看到清 晰的“马赫锥”，焰流的温度可以达到3 0 0 0 c 左右。图1 一l 是典型的h v o f 喷枪解析图。 a ) 喷枪结构图 ( b l 焰流中的马赫锥 - 2 2 2 0 觚i a lv e i 州 嚣 r ， 出 矗 墨 武汉理工火学硕士学位论文 。裟 2 j 7 。 1 5 舯 詈 ( c ) 焰掘的速度及掘匿分布 刚1 1 典型的h v o f 喷枪解析图 f i g1 - 1a n a l y s i s d i a g r a m o f t y p i c a l h v o fs p r a y i n gg u n h v o f 喷涂技术的主要特点【l ”体现在： ( 1 ) 喷材范围广，可喷涂各种金属及合金、陶瓷、金属陶瓷、金属问化合物、非 金属矿物、塑料等几乎所有固体工程材料，因此可以制备多种保护涂层和功能涂层。 ( 2 ) 对基体材料的熟影响小，町制各纳米结构涂层，能够原位沉积纳米粒子保 持纳米特性，形成纳米结构涂层：h v o f 喷涂温度相对比较低，尤其是冷喷涂技术，对 基体材料的热影响小。 ( 3 ) 火焰及喷涂粒子的速度极高，火焰速度可咀达到音速的2 倍以上，熔粒的速 度可达1 0 0 0 - 1 2 0 0 m s ，软化后的粒子对基体表面的冲击能量很大，能够获得结合较好地 涂层。涂层致密，结合强度高，涂层的孔隙率可小于0l ，结合力可大于l o o n r a m 2 ， 接近或达到爆炸喷涂的质量。 ( 4 ) 熔粒与周围大气接触时间短，火焰温度不超过3 0 0 0 c ，粉末在喷嘴通道中停 留的时间长，离开喷嘴后高速飞行，和周围大气接触时间短，因而和大气几乎不发生反 应，涂层材料不受到损害，微观组织变化小，能保持其特点。特别适合于喷涂碳化物和 硼化物等金属陶瓷材料，避免分解和脱碳。 ( 5 ) 涂层沉积效率高，特倾i 合制作厚膜涂层。与通常的电镀、化学镀、离子镀、 p v i d 、c v d 等技术相比，h v o f 的沉积率更高，涂层厚度能够控制，可喷几十微米到 几毫米甚至更厚。 ( 6 ) 3 - 件尺寸和施工场所的限制小。既可咀喷涂大型重型工件，又可以喷涂小件、 薄壁件：既可以在工厂内实旌喷涂，也可在现场作业。 ( 7 ) 其缺点是热能利用率不高、气体耗量大( 目前喷枪所消耗的气体远大于一般 火焰喷滁) 、工作环境噪声和粉尘较大。对具有复杂型面、细长内孔、凹腔等工件比较 难阻制得质量合格的涂层。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 4 热喷涂粉末的发展 热喷涂技术包括了材料、设备及工艺三个主要方面，该技术经过几十年的发展，其 应用已经渗透到了航空航天、冶金、机械、石油化工、汽车灯国民经济的诸多领域，在 各方面都有了极大的进步与完善。在热喷涂材料的选择上，从最初的低熔点金属丝材， 到现在功能各异的复合粉末，其发展也伴随着功能诉求、制粉工艺、喷涂方法的不断提 高。 复合材料可简单地分为高分子基、金属基、金属间化合物基和陶瓷基等复合材料。 从强度和比重的角度来看，高分子基复合材料在室温附近具有优势，而金属基复合材料 在中温区域、金属间化合物基复合材料在高温区域、陶瓷基复合材料在更高温度区域具 有优势。 热喷涂材料是热喷涂生产的基础，按照其性能可以分为：耐磨、耐蚀、耐高温、抗 氧化、热障、封严、吸波、润滑、绝缘等。我国研究及应用的热喷涂材料品种达数百种， 实际使用的热喷涂材料约为百种。下面就其功能分类做简要叙述 2 0 1 【2 3 】。 ( 1 ) 耐磨损涂层材料 耐磨损是热喷涂涂层一个重要的功能。几乎所有的机械设备都会遇到磨损的问题， 特别是磨粒磨损与冲蚀磨损最为常见。喷涂材料按照抗磨粒磨损性能由强到弱的顺序大 致为：碳化物、自熔合金、氧化物陶瓷、难熔金属、有色金属。这是因为涂层耐磨粒磨 损的性能与其硬度有直接关系，例如在常温下t i c 和w c 都具有很高的硬度，t i c 的硬 度随着温度的升高会急剧下降，而w c 在1 0 0 0 ( 2 时硬度下降较少，因而，w c 是当今应 用最广的耐磨材料。 碳化物陶瓷单独作为喷涂材料作涂层比较困难，一般都要与起黏结作用的金属( 钴， 镍) 合用，做成金属陶瓷才能将硬而脆的碳化物颗粒连接起来，达到一定强度，改善了 塑性，这样才能进行喷涂。以w c 为主要功能成分，同时考虑到涂层材料其他方面的要求， 例如韧性、强度、耐蚀性等等，衍生出了几种市场上常见的材料：w c 1 2 c o 、w c 一1 7 c o 、 w c 一2 0 c o 、w c - 1 0 c o - 4 c r 、w c 一6 c o 一8 c r 、w c 一2 0 c r 3 c 2 7 n i 、w c - 1 7 n i 、w c - 3 5 ( n i c r c r 3 c 2 ) 等等。这些粉的制备工艺又各有不同，常见的类型有混合型、团聚型、 烧结破碎型及包覆型，从而在性能上也有一定差异。由碳化物组成的多种粉末，他们是 h v o f 喷涂为数不多的最佳选用粉末，制得的涂层具有优异的耐磨损性能。 除了碳化物外，氧化物陶瓷涂层材料也十分重要，典型的氧化物陶瓷粉为：a 1 2 0 3 、 a 1 2 0 3 3 t 1 0 2 、a 1 2 0 3 - 4 0 z r 0 2 、a 1 2 t i 、t i 0 2 、t i 0 2 - 4 5 c r z 0 3 、c r 2 0 3 等，这些粉由熔融破 7 武汉理工大学硕士学位论文 碎、干燥雾化、团聚烧结及混合法制备，形状与形貌各异，这些粉末多用于等离子弧喷 涂。涂层用来隔热、绝缘、抗腐蚀及耐磨损( 抗硬面磨损为主) ，但是因为氧化物陶瓷 较脆，在耐磨性方面远不如碳化物的某些涂层。 ( 2 ) 可磨性能涂层 针对航空应用的高温封严涂层，要求涂层7 0 0 以上保持良好可磨耗性能的同时具 有较强的综合性能，在n i c r 基础上结合n i c r a i 进一步研究开发的“金属合金非金属” 型n i c r a l n i c r 材料的等离子喷涂满足了严格的使用要求。 ( 3 ) 热障涂层材料 热障涂层材料大体是以z r 0 2 为基础，辅以部分稳定剂，最早推向市场的是 z r 0 2 ，5 c a o 一0 5 a 1 2 0 3 0 4 s i 0 2 、z r 0 2 2 4 m g o 等系列，后来开发的新品z r 0 2 8 y 2 0 3 系列采 用等离子喷射制粉，粉末呈球形、空心、流动性好、均质结构、高纯度，比传统产品热 导率下降2 0 。同时也出现了全新的热障涂层材料六铝酸镧( u 认) ，它的工作温度高 达1 3 0 0 。 ( 4 ) 耐高温热腐蚀涂层材料 在冶金、电力行业中，粉煤锅炉、焚烧炉、循环流化床锅炉等需要耐受高温腐蚀， 解决的办法多是用h v o f 喷涂n i c r - c r 2 c 2 涂层，但是缺点是成本高，不易现场施工。对 冶金业中涉及到的轧辊、导辊及浸没辊都选择采用陶瓷、碳化物或者复合粉末，现在也 开发了含硼化物的复合粉，w c 是耐磨成分，硼化物对熔融锌有抗蚀性，且在高温稳定， 该材料已用于工业生产。 ( 5 ) 抗大气及浸渍腐蚀材料 这一领域所涉及的材料消耗、施工规模直至产值，都在热喷涂市场占有大份额，以 欧洲为例，其材料市场的2 1 左右属于此类。抗各类大气或海水腐蚀是材料通常是z n 、 a 1 、z n a l 、z n m g 、a i m g 及z n a l m g 等线材，他们适用于不同的环境，成本也不同。 热喷涂耐化学浸渍腐蚀一直处于弱势地位，这类腐蚀是一个复杂的过程，而涂层的多孔 结构、施工条件等在一定程度上限制了它的应用。 此外，热喷涂材料还向着结构超微与纳米化方向发展，采用纳米材料制备涂层进行 改性日益受到关注矧【2 5 1 ，北京矿业研究总院采用离心喷雾干燥以平均粒径为6 0 n m 的 c r 2 0 3 粉末为主要原料制备出c r 2 0 3 5 s 1 0 2 3 t i 0 2 团聚粉末，经热处理后粉末松装密度达 到1 3 0 9 c m 3 、流动性达到2 1 5 s 5 0 9 ，满足了喷涂需要。武汉理工大学采用晶粒尺寸为 6 0 8 0 n m 、造粒后平均粒径为2 9 n m 的w c 1 2 c o 粉末进行h v o f 喷涂，结果显示纳米 w c 1 2 c o 材料比常规的微米材料能获得更高的显微硬度，冲蚀失重明显减少。武汉材 料保护研究所采用晶粒尺寸2 0 3 n m 的z r 0 2 8 y 2 0 3 纳米氧化锆团聚粉末，经合适的等离 8 武汉理工大学硕士学位论文 子喷涂工艺获得了晶粒尺寸为4 6 9 r i m 的涂层，与微米尺寸的涂层相比，涂层孔隙率增 加，热振性能提高5 0 ，热导率降低3 6 ，1 2 0 0 时的隔热温度为1 6 2 ，比喷涂热障 涂层提高3 1 。可以看到，随着科研水平的进步，材料也将向着性能高端化、用途专业 化发展，其在国民生产与军工发展中也将发挥举足轻重的作用。 1 2 国内外利用热喷涂制备涂层的研究进展 热喷涂技术经过多年的发展，在表面工程领域得到了越来越广泛的应用，应用于国 民生产的诸多领域。在热喷涂的大家庭中，超音速火焰喷涂因自身的优越性受到了更多 的关注，用该方法制得的涂层能获得与集体良好的结合，涂层致密，同时因为可用于喷 涂的材料几乎涵盖了工程领域内的绝大多数种类，所以应用范围之广也是其他喷涂所不 可及的。 美国近年来在航空发动机部件如飞机的起落架、压缩机叶片、轴承套