（材料加工工程专业论文）钨极氩弧熔覆铁基耐磨层的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 利用表面改性技术，在磨损部件表面熔覆具有较高耐磨性的金属基复合材料涂层成 为高磨损领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。本文利用钨极氩弧作为热源， 熔覆预涂在普通低碳钢表面的合金粉末，制备出t i c 、v c 、c r t c 3 增强的铁基复合材料 熔覆层，并对熔覆层的微观组织、硬度、相组成及磨损性能等进行了系统分析，研究了 影响熔覆层组织及性能的因素及规律。 合金粉末成分、预涂层厚度、焊接电流、熔覆速度、熔覆层数等影响熔覆层的成形 和耐磨性能。根据熔覆粉末的熔点不同以及以往实验累积的经验，熔覆采用直径为3 0 m m 含2 钍钨极，电流1 4 0 一- 1 6 0 a ，电压1 5 - - 一2 0 v ，氩气流量8 l m i n ( 氩气纯度大于9 9 9 ) ， 熔覆速度以看到明显的熔池为准。本文主要研究各合金粉末熔覆层的组织、硬度和耐磨 性，预涂合金粉末组分是钨极氩弧熔覆原位合成颗粒增强铁基熔覆层的关键。研究结果 显示所得熔覆层具有良好成形，均无裂纹、气孔等缺陷，并与母材界面结合良好。 采用钛铁和石墨粉末制备熔覆层，其显微组织中存在均匀弥散分布的带棱角的t i c 颗粒增强相。熔覆层表层硬度可达5 2 4 h r c 。由于t i c 对f e 基体的润湿性较差，制备 多层多道熔覆层时较困难。 采用铬铁和石墨粉末制备熔覆层，选择两种合金粉末配比( 高铬和低铬) ，两者均 可看到明显的网状组织。由基体开始，熔覆层由胞状枝晶向等轴晶转化，中部等轴晶组 织较细小。高铬熔覆层的组织较细密，其洛氏硬度值( 5 4 1 h r c ) 大于低铬熔覆层 ( 5 3 h r c ) 。对高铬熔覆层进行x 射线衍射分析，结果显示熔覆层中存在c r 7 c 3 增强相。 采用铬铁和钛铁的复合添加，可有效降低熔覆时的输入热量，减小熔覆过程中母材 变形的可能性。以啊元素为主的熔覆层中弥散分布着块状、三角状及花瓣状的颗粒物相， 基体组织为铁素体和层片间距较小的珠光体，熔覆层平均硬度为5 4 3 h r c 。x r d 结果显 示，熔覆层中存在带棱角的t i c ，而没有c r t c 3 ，c r 元素主要固溶于f e 基体中起到固溶 强化的作用。以c r 元素为主的熔覆层，显微组织中存在相对较少的t i c 颗粒和不连续 的网状c r 7 c 3 ，其洛氏硬度较小，为5 2 i h r c 。 采用正交实验优化设计，得到钛铁、铬铁、钒铁和石墨的最优粉末配比。显微组织 图中可见白亮细小颗粒状物相及网状组织，颗粒的形状比较圆滑。x r d 结果显示，熔覆 层中存在t i c 、c r t c 3 和v c 相，基体为铁素体和珠光体组织。其表层硬度值为5 6 h r c ， 山东建筑大学硕士学位论文 与正交试验理论值比较符合。从表层至过渡区，熔覆层显微硬度呈现逐渐降低的趋势。 多层多道熔覆后的试样硬度可达6 0 h r c ，是母材硬度的两倍以上。 摩擦磨损试验中熔覆试样均采用多层多道熔覆方法。各熔覆层表面随着磨损时间的 延长，磨损量呈逐渐降低的趋势。通过对磨损后熔覆层的磨痕观察分析，熔覆层基体金 属的磨损主要是显微切削，磨痕形貌表现出磨粒磨损特征。钛铁+ 石墨粉末熔覆层随着 磨损时间的延长，熔覆层中带棱角的t i c 颗粒脱落，形成了大小不等的凹坑，加之磨粒 对摩擦面进行显微切削，试样磨痕呈现短而浅的小犁沟及分散的点坑，耐磨性较差；铬 铁( 高铬) + 石墨熔覆层中的犁沟短而浅，连续网状c f t c 3 加之c r 的固熔强化机制很好 得阻碍了磨粒对熔覆层的显微切削，起到增强耐磨性的作用，耐磨性较好；钛铁+ 铬铁+ 石墨粉末熔覆试样中，不连续网状c r 7 c 3 加之带棱角t i c 颗粒的存在，熔覆层磨痕主要 为较宽而浅的犁沟，未见明显的t i c 颗粒剥落后形成的凹坑，其耐磨性介于上述两者之 间。优化粉末熔覆试样中可见少量的暴露于磨损面的增强相颗粒，圆滑颗粒t i c 、v c 和 不连续网状c r 7 c 3 阻碍摩擦的过程，加之c r 、v 对基体的强化作用，使试样磨损率较小， 其耐磨性最好。 关键词：钨极氩弧，熔覆，金属基复合材料，耐磨性 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ef e - b a s e dh a r d f a c i n gl a y e rf a b r i c a t e db yt i gc l a d d i n g t a n gl i i l l i i l ( m a t e r i a l ss c i e n c e & e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yz h a n gy u a n b i n a b s t r a c t u s i n gt h es 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 yt om a k em e t a lm a t r i xc o m p o s i t ec o a t i n g sw i t h l l i g hw e a rr e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tw a yt oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo fc o m p o n e n t s i nt h i s r e s e a l c 1 1 ，t h ef e - b a g e dc o a t i n gr e i n f o r c e db yt i c ，v ca n dc r 7 c 3w a gf a b r i c a t e db y t u n g s t e n - i n s e r tg a s ( t i g ) a r cw e l d i n gp r o c e s se m p l o y i n gap r o p e ra m o u n to fa l l o yp o w d e r p r e p a r e do nt h es u r f a c eo fo r d i n a r yc a r b o ns t e e ls u b s t r a t e , a n dt h em i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ， p h a g ec o m p o s i t i o na n dw e a l p r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g sw e r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l y a tt h e s a m et i m e ，t h ef a c t o r sa n dr u l e si n f l u e n c i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r e i n v e s t i g a t e d i ti sk n o w nt h a tt h ea l l o yp o w d e rc o m p o s i t i o n ，p r e - c o a t i n gt h i c k n e s s ，w e l d i n g c u r r e n t ，t r a v e ls p e e da n dn u m b e ro fd e p o s i t i o nl a y e r sa f f e c tt h ef o r m a b i l i t yo fc l a d d i n gl a y e r a n dw e a rr e s i s t a n c e t h ed e p o s i t i o np a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e da sf o l l o w s ：2 t h o r i u m t u n g s t e ne l e c t r o d ew i t hd i a m e t e ri n3 0 m m ；c u r r e n to f14 0 - 16 0 a ；v o l t a g eo f15 - 2 0 v ；a r g o n g a sf l o wr a t eo f8 l m i n ( t h ea r g o np u r i t yi s9 9 9 ) ；b a s e dt h ep o w d e r s m e l t i n gp o i n ta sw e l l a 8t h ea c c u m u l a t e de x p e r i e n c eo fp r e v i o u se x p e r i m e n t s w h e nd o i n gt h ed e p o s i t i o nt e s t ，t h e s i g n i f i c a n tp o o ln e e d st ob es e e n , b u tt oa v o i dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h eb a s em a t e r i a lo f m e t a l t h em i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ev a r i o u sa l l o yp o w d e rc o a t i n g s w e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sw o r k i ti sf o u n dt h a tt h ep o w d e r sc o n s t i t u e n t sa r et h ek e yf a c t o rt o s y n t h e s i z ei n s i t up a r t i c u l a t er e i n f o r c e di r o n - b a s e dc l a d d i n gl a y e rb yu s i n gt i gw e l d i n g p r o c e s s a l lt h ec l a d d i n g sw e r ew e l ls h a p e da n dg o o db o n d i n gw i t ht h eb a s em e t a l ，n op o r e s ， c r a c k sa n do t h e rd e f e c t s w h e no n l yt i t a n i u m - i r o na l l o ya n dg r a p h i t ep o w d e rw e r ea d o p t e d ，t i cp a r t i c l e sw i t hs h a r p c o m e rw e r ef o r m e da n dd i s p e r s e di nt h ec l a d d i n gl a y e r h a r d n e s so ft h e c l a d d i n gl a y e rc o u l d r e a c h e dt o5 2 4 h r c d u et ot h ep o o rw e t t i n go ft i ct of em a t r i x ，i ti sd i f f i c u l tt of a b r i c a t e m u l t i c h a n n e lm u l t i l a y e rc l a d d i n gl a y e r s u s i n gc h r o m ei r o na n dg r a p h i t ep o w d e rt op r e p a r ec l a d d i n gl a y e r s e l e c t e dt w ok i n d so f a l l o yp o w d e rr a t i o ( h i g hc h r o m i u ma n dl o wc h r o m i u m ) ，a n dc o m p a r et h e i rm i e r o s t m c t u r ew e i i i 山东建筑大学硕士学位论文 c o u l ds e et h eo b v i o u sn e t w o r ko r g a n i z a t i o n s t a r t i n gf r o mt h es u b s t r a t e ，c l a d d i n gl a y e r c h a n g e df r o mt h ec e l l u l a r - c r y s t a lt o t h ec e n t r a ls m a l l e re q u i a x e dc r y s t a l t h eh i g l lc h r o m e c l a d d i n gl a y e ri nw h i c hm i c r o s t r u c t u r e o fm o r ed e t a i l e d ，t h er o c k w e l lh a r d n e s sv a l u e ( 5 4 1f i r c ) w a sb i g g e rt h a nt h el o wc h r o m ec l a dl a y e rh a r d n e s s ( 5 3 h r c ) t h ex - r a y d i f f r a c t i o na n a l y s i so fh i g hc h r o m ec l a d d i n gl a y e rs h o w e dt h a tt h e r ei sc r 7 c 3 u t i l i z et h ec h o m e - i r o na n dt i t a n i u m i r o nc o m p o u n da d d e d ，t h eh e a ti n p u tc o u l db e e f f e c t i v e l yr e d u c e da n dt h ep o s s i b i l i t yo fd e f o r m a t i o no ft h eb a s em e t a lw i l lb er e d u c e d t o o t i e l e m e n tm a i n l ys a m p l em i c r o s t r u c t u r ep h o t o g r a p h ss h o w e dt h a tt h ef e r r i t ea n dp e a r l i t ew i t h s m a l l e rs p a c i n gd i s p e r s e dw i t hm a s s i v e ，t r i a n g u l a rs h a p ea n dp e t a l s h a p e dp a r t i c l e sp h a s e i t s a v e r a g eh a r d n e s sc o u l du pt o5 4 3 h r c x r d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ea r et i cp a r c e l sw h i c h h a v ee d g e sa n dc o m e r s ，b u tt h e r ei sn oc r 7 c 3 t h ec re l e m e n t sa d d e dl o wm a i n l yh a dt h er o l e o fs o l i ds o l u t i o n s t r e n g t h e n i n gi n t h ef em a t r i x c re l e m e n tm a i n l yc l a d d i n g l a y e r m i c r o s t r u c t u r es h o w e dt h a tt h e r ew e r er e l a t i v e l ys m a l l e rd i s p e r s e dt i cp a r t i c l e sa n d d i s c o n t i n u o u sn e t w o r kc r 7 c 3 o r g a n i z a t i o n a n d i t sh a r d n e s so f5 2 1h r cw a ss m a l l e r u s e dt h e o r t h o g o n a lo p t i m i z a t i o n o fd e s i g np r i n c i p l et o g e t t h eo p t i m a lr a t i oo f t i t a n i u m i r o n ，c h r o m ei r o n ，v a n a d i u mi r o na n dg r a p h i t ep o w d e r i t sm i c r o s t m c t u r ep h o t o s s h o w e dt h e r ew e r eb r i g h tw h i t eg r a n u l a rp h a s ew h i c hs h a p ew a sm o r er o u n d e da sw e l la st h e n e t w o r ko r g a n i z a t i o n x r da n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e r ew e r et i c ，c r 7 c 3a n dv cp h a s ei nt h e m a r xo ff e r r i t ea n dp e a r l i t e i t ss u r f a c eh a r d n e s sv a l u ew a s5 6 h r c ，c o n s i s t e n tw i lt h e t h e o r e t i c a lv a l u ep h a s e f r o ms u r f a c et ot h et r a n s i t i o n , t h em i c r o - h a r d n e s ss h o w e dd e c r e a s i n g t r e n d s m u l t i c h a n n e lm u l t i s p e c i m e nh a r d n e s sa f t e rd e p o s i t i o nc o u l du pt o6 0 h r c ，w h i c h w a sm o r et h a nt w i c et h eh a r d n e s so ft h eb a s em e t a lm a t e r i a l s f r i c t i o na n dw e a rt e s ts p e c i m e n sw e r ea l lm a d eb ym u l t i - c h a n n e lm u l t i - l a y e rm e t h o d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ew e a rv o l u m ew a sd e c r e a s i n gt r e n dw i t ht h ew e a ra n dt e a r t oe x t e n dt h et i m e t h ew e a rt r a c eo nt h ec o a t i n ga n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ew e a rw a sm a i n l y c o m p o s i t e db ym i c r o - c u t t i n g ，a n dt h ew e a rs c a rm o r p h o l o g ys h o w e df e a t u r e so f a b r a s i v ew e a r t i t a n i u m - i r o na n dg r a p h i t ep o w d e rc o a t i n gw i t he x t e n d e dw e a ro ft i m e ，d e p o s i t i o nl a y e ro f t i cp a r t i c l e sw h i c hh a de d g e sa n dc o m e r so f f , f o r m i n gd i f f e r e n ts i z e so ft h ep i t s ，c o m b i n e d w i t ha b r a s i v er i g h tf r i c t i o ns u r f a c ef o rm i c r o c u t t i n gs ow e a rs c a rs p e c i m e ns h o w e das m a l l s h o r ta n ds h a l l o wf u r r o w sa n ds c a t t e r e dp o i n tp i t w e l li t sw e a rr e s i s t a n c ew a sw o r s e f u r r o w s l v 山东建筑大学硕士学位论文 o ft h ec h r o m ei r o na n dg r a p h i t e ( 1 l i g l l c h r o m i u m ) c l a d d i n gl a y e rw e r es h o r ta n ds h a l l o w , b e c a u s et h es a t u r a t e dn e t p r e c i p i t a t i o nc r 7 c 3c o m b i n e d w i t h m e l t i n gs t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m so fs o l i dc rc o u l dh i n d e rt h em i c r o - c u r i n go fa b r a s i v e st os e r v et h es t r e n g t h e n t h es e mp a t t e r no fw e a l t r a c eo nt h eo p t i m a la l l o yp o w d e rs h o w e dt h a tas m a l la m o u n to f r e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e se x p o s e dt h es u r f a c e t h e ni th a db e t t e rw e a rr e s i s t a n c e i nt h e t i t a n i u m i r o n + c h r o m i u mi r o n + g r a p h i t ep o w d e rs a m p l e ，w h i c hh a dd i s c o n t i n u o u sn e t w o r k c r 7 c 3a n dt i cw i 也s h a r pc o i t i e t 8 ，t h ew e a l t r a c kw a sm a i n l yw i d e ，s h a l l o wf u i t o w , a n dn o o b v i o u sp i ta f t e rt h ef o r m a t i o no ft i cp a r t i c l e sf a l l i n go f f a n di t sw e r tr e s i s t a n c ew a s b e t w e e nt h ei n - b e t w e e n t h ew e a l p h o t oo ft h eo p t i m a la l l o yp o w d e rs a m p l e sh a das m a l l a m o u n to fr e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e se x p o s u r et ot h eb u r f a c e s m o o t hp a r t i c l e st i c ，v c r e i n f o r c e m e n ta n dn o n - c o n t i n u o u sn e t w o r ko fc r 7 c 3h i n d e rt h ep r o c e s so ff r i c t i o n , c o m b i n e d w i t hc r , vo ns t r e n g t h e n i n gt h er o l eo ft h em a t r i x ，8 0t h i ss a m p l es h o w e ds m a l l e rw e a rr a t e a n db e s tw e a rr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：t u n g s t e ni n e r tg a sa r c ，c l a d d i n g , m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，w e a rr e s i s t a n c e v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名：瘗嫩趟&日期2 业年臣国硝 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期皇翌巨壅五目廖日 日期趁垒辜笸因隍舅 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 各种机械设备、仪器仪表中的金属零件，在使用过程中往往首先从表面发生破坏和 失效，随着现代工业的发展，生产过程中对机械产品的性能要求越来越高，产品在高参 数( 如高温、高压、高速等) 和恶劣的工况条件下长期稳定运转，必然对其表面的强度、 耐磨性、耐蚀性等提出更高的要求。金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，m m c s ) 综合了金属基体的高延性、高韧性和增强相的高强度、高模量等优点，具有高比强度、 高比刚度和高耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车和光学等工业领域具 有十分广阔的应用前景【。采用高能密度热源进行表面熔覆工艺使一种或多种元素在金 属表面快速熔化并冷却凝固以获得熔覆层，可提高金属表层硬度和耐磨性，改善其表面 性能。表面熔覆技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，可以根据零部件的不 同需求，以很低的成本在材料表层制备出满足高耐磨性要求的、以陶瓷颗粒为增强相的 复合材料，既能充分发挥出基体材料的强度、韧性优势，使表面获得较高的耐磨性，并 且耐磨层和基体为冶金结合，从而又使整体性能获得大幅度提升 2 1 。 1 2 国内外研究现状、发展动态【1 】 目前国内外常用的表面熔覆技术主要有：堆焊、钨极氩弧熔覆、激光熔覆、等离子 熔覆等，这些表面熔覆技术获得的表面涂层与基体结合良好，厚度适中，因而被广泛应 用于工业生产中。另外，虽然热喷涂技术得到的表面强化层具有结合强度较低和深层多 孔性的缺点，但它的诸多优点使其也被广泛应用于各个领域。 1 2 1 堆焊 堆焊是指采用焊接方法如手工电弧焊、宽带极堆焊等将具有一定使用性能的合金材 料熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺 方法。堆焊技术在国内起源于2 0 世纪5 0 年代末，近年来，基于高能密度热源的粉末堆 焊技术的研究在国内外十分活跃，高能束粉末堆焊主要包括等离子弧堆焊、电子束堆焊、 激光堆焊以及近几年来发展起来的聚焦光束堆焊【3 1 。高能束粉末堆焊中，目前国内采用 较多的是预置粉末堆焊技术，但是当预置粉末层较厚时，容易出现基材熔化不足或不熔 化现象，导致堆焊层与基材结合质量下降。而采用同步送粉技术进行粉末堆焊时，粉末 山东建筑大学硕士学位论文 与基材同时吸收能量，虽然可提高堆焊效率和堆焊层结合强度，但并没有避免堆焊层的 裂纹，及堆焊复合材料时碳化物的烧损和分解等问题【4 j o 叶荣昌，索进平，冯涤掣】采 用堆焊技术进行表面改性，结果表明堆焊层的硬度和耐磨性均优于母材金属。为避免堆 焊层的开裂，董丽虹等【7 】采用等离子弧堆焊技术在q 2 3 5 钢表面制备镍基复合粉末堆焊 层，其中n i 作为塑性可延展的粘结相，以调整合金硬度及改善堆焊层的韧性和裂纹敏感 性，结果表明，复合粉末堆焊的试样耐磨性较基础粉末的堆焊层提高约1 0 倍。 1 2 2 激光熔覆 有关激光熔覆技术的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。激光熔覆是指使用一定功率的激 光扫描工件表面涂覆材料，使其熔化形成熔覆层的表面强化技术。该工艺可获得较厚的 熔覆层，易实现选区熔覆，且热变形小，覆层成分及稀释率可控，在经济上和熔覆层质 量上都优于传统的堆焊和热喷涂工艺。但也有其显著缺点：如设备昂贵，投资较高；对 工件和工艺要求高，成本高；熔覆前的准备工作量大，工艺条件比较复杂；不易在施工 现场施焊，生产环境要求较高等【2 】；另外适用于激光熔覆的材料范围有限，不能充分发 挥激光处理的特性。激光熔覆一般采用预置粉术法和同步送粉法，同步送粉法具有生产 率高、易实现自动化控制、可显著提高金属陶瓷的抗开裂性等特点，成为激光熔覆的发 展趋势，但由于受送粉设备的限制，国内主要还是采用预置粉末法。预置涂层法激光熔 覆工艺示意图1 1 所示： 激光束 图1 1 激光熔覆预涂粉末工艺示意酬8 】 f i g 1 1p r e - c o a t e dp o w d e rl a s e rc l a d d i n gp r o c e s s 国内外已在低碳钢、不锈钢、可锻铸铁、灰铸铁、铝合金及特殊合金上采用钻基、 山东建筑大学硕士学位论文 镍基、铁基等自熔性合金粉末和陶瓷相进行激光熔覆的研究。如清华大学赵高敏硕士和 王昆林教授1 9 在1 6 m n 钢基材上激光熔覆含l a 2 0 3 的铁基合金，发现加入l a 2 0 3 细化了显 微组织，提高了熔覆层的硬度和耐磨性，减轻了润滑条件下磨损中的粘着现象，使磨损 机制从磨料磨损和较严重的粘着磨损转变成单一的磨料磨损。张春华等【1 0 】利用连续c 0 2 激光器分别在h 1 3 钢表面激光熔覆n i f e b s i s i 3 n 4 和n i f e - b s i 合金，考察了s i 3 n 4 对 n i f e b s i 合金组织及耐腐蚀性能的影响。结果表明，n i f e b s i s i 3 n 4 合金激光熔覆层与 h 1 3 钢基体形成了良好的冶金结合，改性呈细密的枝晶状组织，无孔洞裂纹等缺陷。 p e i q u a nx u 等】为了提高铝基体的硬度和耐蚀性，研究y 2 0 3 的加入在激光熔覆层中的 作用。利用激光熔覆技术，将n i 基合金、细化弥散相y 2 0 3 、粉末强化相w 及c r 进行 金属复合。结果表明，通过加入y 2 0 3 ，微观结构中得到等轴晶、白色针状晶体和柱状晶， 初生相主要是n i 3 砧、n i a l 、n i a i 、w 、o t - a l 、c r x c ，并且铝基体的腐蚀率是加入y 2 0 3 激光熔覆后的2 倍，铝基体的硬度也得到提高。m a l h a m m a d 等【1 2 1 利用激光熔覆进行 t i 6 a i 4 v 合金的表面改性，并讨论不同扫描速度对熔覆过程中原子迁移机制的影响。试 验在三种不同的扫描速度下进行，利用脉冲n d ：y ，a g 激光，不需要保护气体。结果表明， 高的扫描速度较易得到t i 5 s i 3 相和较高硬度的熔覆层，而低扫描速度可较好的控制试验 过程。 1 2 3 等离子熔覆 等离子熔覆是指在等离子束作用下，在合金基体上添加与其成分不同的粉末，经等 离子束辐射，添加材料和基体表面极薄层同时熔化，快速凝固后在基体表面形成与其冶 金结合的功能涂层。与激光束相比，等离子体束在常压下产生，无需真空系统，用于金 属表面处理( 表面淬火、表面合金化、表面熔覆) 不需要任何前处理，工艺过程简单， 技术更容易实现工业化。但也有其显著缺点，主要是设备成本高，噪音大，紫外线强， 产生臭氧污染，不符合可持续发展的先进加工技术要求。 国内外对等离子熔覆方法制备耐磨层的研究较多。目前等离子熔覆大多采用喷涂用 n i 基、c o 基和f e 基等自熔合金粉末。向自熔合金中添加w c 、t i c 等陶瓷相及陶瓷相 形成元素，可形成陶瓷复合涂层或梯度涂层【1 3 】。开发等离子束熔覆专用材料将是等离子 熔覆发展研究的重要方向之一。对煤矿井下刮板输送机中部槽进行等离子束熔覆耐磨耐 蚀涂层试验，结果表明成本增加仅1 0 ，而使用寿命可提高4 - - 一6 倍，性价比提高显著【1 4 】。 另外采用等离子熔覆技术在刮板输送机中部槽1 6 m n 钢基体上熔覆n i c r - s i b + ( 2 0 山东建筑大学硕士学位论文 3 0 ) w c 粉末，形成的金属基复合材料熔覆层硬度可达11 0 0 h v 左右，且无裂纹、气孔 等缺陷【1 5 1 。青岛化工学院进行过研究f 1 6 1 ，证明通过优化后的工艺参数进行等离子体熔覆 处理可以获得零稀释率的熔覆层，而且熔覆层与基体结合非常牢固，可以实现材料表面 局部的快速加热和冷却，从而获得非常细小的非平衡快速凝固组织。山东科技大学吴玉 萍教授利用等离子弧扫描涂覆材料的金属表面，形成了含陶瓷材料的熔覆层【1 7 1 引。另外 还有研究【1 9 】采用常压弧光等离子体在4 5 撑钢表面熔覆f e c r - s i b 粉末涂层，并对熔覆层 的成分、组织、结构及性能进行了分析，获得了存在界面梯度扩散层、高硬度的熔覆层。 等离子熔覆技术有着其它表面技术无法比拟的优点，但在试验中发现，熔覆层经常会出 现一些裂纹，制约该技术在一些精密设备上的应用。针对这一问题，刘邦武等人【2 0 】采用 正交对比试验，研究了多种因素对等离子熔覆铁基涂层开裂敏感性的影响，结果表明， 基体材料及其表面状态、工艺参数和熔覆材料成分等都对熔覆层的开裂敏感性产生重大 影响，通过改变这些因素可以减少裂纹的产生，扩大等离子熔覆技术的应用范围。同样， w a n gx i b a o 等【2 l j 为减小f e b c 的高脆性，采用等离子束熔覆b 4 c 和f e t i 合金粉末， 结果显示：复合f e t i b c 涂层中存在原位生成的t i b 2 晶须，并且其大小、形状和体积 分数取决于粉末组成( b 厂r i 的比率) 和所使用的电弧能量密度，随电弧能量密度和b t i 比率的增大，t i b 2 晶须的长宽比值增大。t i b 2 晶须的存在提高了f e b c 涂层的硬度， 减小了裂纹敏感性。 1 2 4 热喷涂 热喷涂技术是指将涂层材料( 粉末或丝材) 送入某种热源( 电弧、燃烧火焰、等离 子体等) 中熔化，并利用高速气流将其喷射到母材金属表面形成涂层的工艺方法。一般 认为，热喷涂过程经历4 个阶段，即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒 飞行阶段和喷涂层形成阶段。涂层的形成过程决定了它的结构，它是由微小变形颗粒相 互交错堆叠而成的层状组织结构，因而它的突出缺点是结合强度较低和深层的多孔性。 然而热喷涂方法的诸多优点使其被越来越多地应用于各个领域。比如：热喷涂方法的多 样性使其可推广于设备条件各异的企业；涂层材料的广泛性使其适用于不同涂层性能要 求的领域；该方法可用于多种形状、材质和大小的工件表面的涂层制备；喷涂过程中工 件温度低，基材不发生组织转变、不变形。热喷涂涂层具有耐磨、耐蚀和隔热等优良性 能，并能对磨损、腐蚀或机加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械 制造、石油化工等领域得到了广泛的应用2 2 彩l 。自2 0 世纪初第一个金属熔液式喷涂装置 山东建筑大学硕士学位论文 在瑞士问世以来，热喷涂技术已有1 0 0 多年的历史。杨静炜，裴海【2 4 研究了热喷涂技术 在设备维修中的应用，着重讨论了机床导轨、内燃机曲轴和泥浆泵活塞杆的修复，说明 利用热喷涂技术修复某些严重磨损或腐蚀的零件表面，可达到延长易磨损零件使用寿命、 降低维修费用、减少设备停机时间及提高生产效率的目的。程汉池f 2 5 1 等采用热喷涂技术 制备具有高熔点、高硬度、低密度、耐磨性好等优点的t i b 2 ，简化了制备工艺，降低了 制造成本，提出可通过粉体复合技术改善t i b 2 粉体的物性，获得高质量涂层。与传统的 喷涂层相比，非晶结构涂层在耐磨、防腐蚀等方面呈现出优异的性能和良好的应用前景， 北京工业大学【2 6 】研究了利用热喷涂技术制造涂层，介绍了国s j j b 几种先进技术，并指出 非晶涂层是热喷涂领域的研究热点之一。 1 2 5 钨极氩弧熔覆 所谓氩弧熔覆就是利用氩弧将合金焊丝或合金粉末熔化于母材金属表面，以获得所 需熔深和成分均匀的熔区，达到强化的目的【2 7 】。采用高能热源对表面进行强化，目前国 内应用较多的是激光，其次还有等离子和电子束，聚焦光束也被应用作表面强化的能源。 这些能源的特点是能量密度较高，被强化表面质量好，但通常产生的表面强化层较浅， 且设备昂贵，操作复杂。而采用氩弧焊进行表面强化有不少优点：此方法不仅可使表面 强化而且能得到较大的熔深，焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处于氩气保护中，隔 离了空气对熔化金属的有害作用，减少了熔池中合金元素的烧损和氧化损失；同时其设 备较为轻便、价廉、操作方便，易于在施工现场施焊，使得氩弧表面强化技术易于普及。 因此，可用钨极氩弧熔覆技术制备含原位自生颗粒增强相的金属基复合材料涂层。目前 已有研究表明【2 8 】使用氩弧为热源可使低碳钢表面得到硬度高、厚度较大、与母材界面结 合强度高且耐磨性好的表面强化层。其工艺示意图如图1 2 。 山东建筑大学硕士学位论文 图1 2 钨极氩弧熔覆工艺示意图【2 羽 f i g 1 2t u n g s t e ni n e r tg a sa r cc l a d d i n gp r o c e s s 目前国内外关于钨极氩弧熔覆的研究较少。国内研究较多的是铸铁表面重熔强化和 低碳钢表面熔覆自熔性合金粉末口9 - 3 5 。 在碳钢表面利用钨极氩弧焊机进行熔覆含有多种合金元素的自熔性合金，如n i 基、 c o 基、f e 基合金，能够获得比碳钢表面硬度更高，耐磨性能更好的熔覆强化层。例如 彭军波、陈冰泉掣2 9 】利用氩弧熔覆工艺在4 5 撑钢表面熔覆铁基合金，以达到提高表面硬 度、增强耐磨性的目的，并且利用灰色关联系统理论对试验结果及表面合金成分进行了 灰色关联分析来指导实验的进行。试验结果表明钢的耐磨性有明显增强，但文中没有对 熔覆层的显微组织及成分进行分析。宋思利，邹增大掣3 0 】利用多层多道钨极氩弧熔覆技 术，熔覆预涂于低碳钢基体表面的钛铁和石墨混合粉末，原位生成的t i c 增强相颗粒呈 梯度分布特征，以颗粒状、块状或花瓣状弥散存在于熔覆层组织中，对位错的阻碍、钉 扎作用大大提高了熔覆层的抗磨损性能。x h w a n g 等人【3 l 】在a i s l l 0 4 5 钢表面进行熔 覆，其预涂合金粉末成分为石墨、钛铁和f e c r - b s i ，同时研究焊接工艺参数和预涂粉 末厚度对熔覆层显微组织和性能的影响。结果表明，在熔覆过程中石墨与钛铁发生原位 反应生成t i c 颗粒，并均匀分布于表面熔覆层中，使表面硬度提高，磨损率下降；此外 受预涂粉末厚度和焊接工艺的影响，从熔合边界到熔覆层表层显微硬度呈梯度变化。另 外，该技术还被广泛应用于提高汽车、摩托车、高速船的活塞寿命中。制造活塞的a 1 s i 合金( 如z l l 0 8 ，z l l 0 9 等) 由于第一道活塞环槽工作温度最高，受压力和磨损最大而 最易磨损，故延长其寿命是目前国内外研究的热点之一。陈冰泉等【3 2 - 3 4 采用钨极氩弧焊 机，以氩弧为热源，在a 1 s i 合金表面熔覆一层合金耐磨层，达到强化的目的。 山东建筑大学硕士学位论文 在铸铁表面进行重熔强化的实质是对铸铁表面进行加热温度高于f e 基体熔点的热 处理。重熔后的铸铁表面白口组织增加，提高了重