（材料学专业论文）等离子熔化注射wcco耐磨复合表层研究.pdf

哈尔滨工稃大学硕十论文 摘要 本文采用等离子熔化注射技术( p l a s m am e l t n j e e t i o n p m i ) 制备 出w c - c o 金属基耐磨复合表层材料，并对该材料的制备工艺、组织结 构和磨损性能进行了系统研究和分析。 采用单值确定的方法进行工艺试验设计，以扫描速度、送粉量和送 粉嘴直径等作为可调参数。以粒子粒度( 2 0 4 0 且和3 0 0 4 0 0 目) 的 影响构成单因素试验。运用x 射线衍射仪进行物相分析，金相显微镜和 扫描电子显微镜对组织结构进行观察，能谱仪进行成分分析，显微硬度 仪进行显微硬度测量，摩擦磨损试验机进行磨损性能检测。 试验结果表明：送粉量相同时，提高扫描速度可以改善试件的外观 形貌；扫描速度相同时，提高送粉量也可改善试件外观形貌。扫描速度 和送粉量都能对组织结构产生巨大影响，其中以送粉量的影响最为显 著；提高扫描速度易形成未熔w c 小颗粒和树枝状晶。w c c o 颗粒的 尺寸会对获得的组织产生重大影响，注射大颗粒w c c o 更加容易形成 未熔w c 小颗粒。等离子熔注层与基体是冶金结合，由表及里分为熔注 层、热影响区和基体三个不同区域，熔注层未出现裂纹，但产生气孔。 w c - 8 c o 表层中有很多未熔化的小颗粒w c ，组织主要为未熔化的w c 颗粒、w c 初晶、w c 相和w 2 c 相、m 6 c 型碳化物( f e 3 w 3 c 和c 0 3 w 3 c ) 以及马氏体、残余奥氏体等。w c 1 7 c o 的组织主要是未熔化的w c 颗 粒、w c 初晶、w c 相和w 2 c 相、w c 三次晶、m 6 c 型碳化物( f e 3 w 3 c 和c 0 3 w 3 c ) 以及马氏体、残余奥氏体等，不同区域组织特征差别很大。 基体的磨损机理为磨料磨损和粘着磨损，w c 8 c o 表层和w c 1 7 c o 表 层为磨料磨损。相比q 2 3 5 钢，w c 8 c o 表层的耐磨性提高达到8 7 o 倍， w c - 1 7 c o 表层的耐磨性提高达到1 4 2 倍。 关键词：等离子熔化注射；复合表层；耐磨性能 哈尔滨工程大学硕七论文 a b s t r a c t p r o d u c t i o np r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dw e a rp r o p e r t i e so fm e t a l m a t r i xw e a l c o m p o s i t ec o a t i n g sp r o d u c e db yp l a s m am e l ti n j e c t i o n ( p m i ) w e r ei n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s ，t e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt od e s i g ne n g i n e e r i n gt e s t i n g w h i c hw a ss i n g l ef a c t o r sf i x e dt e s t i n g t h et h r e ef a c t o r si n c l u d e ds c a n n i n g v e l o c i t y , p o w d e rf l o wa n dd i a m e t e ro ft h en o z z l eo fp o w d e rs u p p l i e r a n d p a r t i c l es i z e ( 2 0 - 4 0 m e s ha n d3 0 0 4 0 0m e s h ) w a sr e g a r d e da saf a c t o rt o d e s i g nm o n o f a c t o r i a lt e s t i n g x r dw a sa p p l i e dt oa n a l y s i sc o a t i n g s ，o p t i c a l m i c r o s c o p e a n ds e mt oo b s e r v em i c r o s t r u c t u r e ，e d sf o r c o m p o s i t i o n a n a l y s i s ，h a r d n e s st od e t e c tm i c r o h a r d n e s so fl a y e ra n dw e a rr e s i s t a n c et e s t e r t od e t e c tw e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea p p e a r a n c eo fs p e c i m e nc a nb ei m p r o v e db y r a i s i n gs c a n n i n gv e l o c i t y a tc o n s t a n tp o w d e rf l o w , a n di ta l s oc a nb e i m p r o v e db yr a i s i n gp o w d e rf l o wa tc o n s t a n ts c a n n i n gv e l o c i t y s c a n n i n g v e l o c i t ya n dp o w d e rf l o wb o t hh a v en o t a b l ei n f l u e n c eo nm i c r o s t r u c t u r ea n d t h ei n f l u e n c eo fp o w d e rf l o wi sm o r ep o w e r f u l t h er a i s i n go fs c a n n i n g v e l o c i t yc o n t r i b u t e st of o r m a t i o no fd e n d r i t e t h er a i s i n go fp o w d e rf l o w c o n t r i b u t e st on om e l t e dp a r t i c l ea n df o r m a t i o no fg r a p h i t e p a r t i c l es i z eo f w c c oh a sd i s t i n c ti n f l u e n c eo nt h em o r en om e l t e dp a r t i c l ee x i s ti nt h e m i c r o s t r u c t u r ep r o d u c e db yp m i2 0 - 4 0m e s hw c - c op a r t i c l e s t h ec o a t i n g a n ds u b s t r a t ei n t e g r a t em e t a l l u r g i c a l l ya n df o r mt h r e ez o n e s ，n a m e l yc o a t i n g ， h e a ta f f e c t e dz o n ea n ds u b s t r a t e t h e r ea r en oc r a c k sb u tm a n yp o r o s i t i e s a n db u l k yd e n d r i t ee x i s t i nt h ec o a t i n g t h e r ea r em a n yn om e l t e dw c p a r t i c l ei nt h ew c 8 c oc o a t i n g s m i c r o s t r u c t u r ei sf o u n di nt h ep l a s m am e l t i n j e c t i o nw c - 8 c oc o a t i n g s ，w h i c hc o n s i s t so f1 1 0m e l t e dw cp a r t i c l e ， w c ，w 2 c ，m 6 c ( c 0 3 w 3 ca n df e 3 w 3 c ) ，m a r t e n s i t ，p e a r l i t e ，a u s t e n i t i cp h a s e s m i c r o s t r u c t u r ei sf o u n di nt h ep l a s m am e l ti n j e c t i o nw c 1 7 c oc o a t i n g s ， w h i c hc o n s i s t so fn om e l t e dw cp a r t i c l e ，w c ，w 2 c ，m 6 c ( c 0 3 w 3 ca n d 哈尔滨工程大学硕士论文 f e 3 w 3 c ) ，m a r t e n s i t ，a u s t e n i t i cp h a s e sa n d s oo n t h ed i f f e r e n c eo f m i c r o s t r u c t u r ei ud i f f e r e n tz o n eo ft h ew c 一17 c oc o a t i n g si so b v i o u s i ti s e a s yt o f o r m a t i o no fg r a p h i t e 。m e c h a n i s mo fw e a ro fq 2 3 5m a t r i xi s a d h e s i o nw e a ra n da b r a s i o nw e a r ，m e c h a n i s mo fw e a ro ft h ew c 8 c o c o a t i n g sa n dt h ew c - 1 7 c oc o a t i n gi sa b r a s i o nw e a r t h ew e a rr e s i s t a n c eo f t h ew c - 8 c oc o a t i n g si s8 7 0t i m e sa sg o o d 嬲q 2 3 5m a t r i x t h ew e a r r e s i s t a n c eo f t h ew c - 1 7 c oc o a t i n g si s1 4 2t i m e sa sg o o da sq 2 3 5m a t r i x k e yw o r d ：p l a s m am e l ti n j e c t i o n ( p m i ) ；c o m p o s i t ec o a t i n g s ；w e a r r c s i s t a n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和 文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文 中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经公开发表的作品成果。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 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孟篷垄 日期：沙舞，月巧1 3 哈尔滨工程大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 选题依据和意义 众所周知，磨损是零件或构件在工作过程中失效的最主要的形式之 一，由此产生的经济损失十分惊人，而且其失效现象大都发生在材料表 面，因而采取各种手段提高材料的表面性能，对于增加零件的安全可靠 性或延长使用寿命，无疑是非常有效的。硬质合金是唯一的集硬度高和 韧性高于一身的合金，工业上常把它应用于要求抗表面破坏和耐磨性高 的地方，但是工件整体全部采用硬质合金或者其他耐磨材料的话，那将 大大提高成本，使箕应用范围受到限制，因此，如果能在廉价的低碳钢 表面制备一层类硬质合金层，使其表面具有硬质合金的性能，以提高其 在某些特殊条件下的使用寿命，可以降低成本，将具有巨大的技术价值 和经济意义及广阔的应用前景，这也是近些年来的研究热点。更为重要 的是，通过表面处理技术可以大量节约资源和能源、充分发挥材料的潜 力和降低生产成本，这在重视“环境材料”的今天来说，应该大力提倡- ，。 采用适当的表面处理技术来延缓和控制表面的破坏和磨损，成为解 决问题的有效方法t z 。j ，具有深远意义。目前，国内外在低碳钢表面制作 硬质合金层的方法很多，如电镀、化学镀、电刷镀、热喷涂、喷焊、堆 焊、激光熔敷、电子束熔敷、等离子熔敷【q 等，国外将这些方法统称为 h a r df a c i n g 。电镀、化学镀、电刷镀虽然能够制作耐磨硬表面，但制作 有颗粒增强作用的硬表面还有一定的局限性。热喷涂、喷焊技术的共同 特点就是外加粒子都进入热源，被加热到熔融或半熔融状态后与基体形 成机械或者冶金结合的涂层，但存在着结合强度或者材料选择范围限制 问题。堆焊、熔敷等技术可以制备有颗粒增强作用的硬表面，但由于激 光、电子束等高能束热源温度可以达到上万度，碳化物进入到高能束热 源后被加热到较高温度大量分解，分解后的碳化物与基体进行充分反应 生成的反应层一般都是硬而脆的金属化合物，易形成裂纹，使涂层机械 性能下降，这些也正是堆焊、熔敷技术的共性问题。等离子熔化注射技 术很好的解决了这一问题，由于熔化注射过程中外加粒子直接注射到熔 哈尔滨工程大学硕士论文 池，而不进入热源，可以降低碳化物的分解，这也正是熔化注射技术的 优点。等离子熔化注射与激光熔化注射原理相同，只是采用的热源不 同，与激光熔化- 注射相比，等离子熔化注射的最大优点在于可以大大 降低设备一次性投资和运行成本，这也是本课题的意义所在。 本课题研究的理论意义表现在： ( 1 ) 等离子熔化- 粒子注射技术为金属基耐磨复合表层材料的制备 提供了一种全新的工艺方法，为金属基耐磨复合表层材料的制备开创一 条前所未有的道路。 ( 2 ) 等离子熔化一注射技术作为一门表面工程技术，可以在极为广 泛的金属基体上制备出金属基耐磨表层复合材料，极大的拓展了金属基 耐磨复合材料的种类和研究领域。 ( 3 ) 等离子熔化注射耐磨复合表层与基体的结合为冶金结合，极 大地扩大了表面改性层的应用范围和使用性能； ( 4 ) 用等离子熔化注射技术在铁基上制备耐磨复合表层在节约能 源、贵金属、原材料方面具有一定的优势，与其他制备耐磨复合表层的 工艺相比较是完全可行的。 本课题研究的应用价值体现在： ( 1 ) 提供了一种全新的金属基耐磨复合表层材料制备的新工艺； ( 2 ) 技术应用范围广泛，可以对新产品进行表面改性加工，大幅 度提高使用寿命，应用市场及前景非常可观，可在军工、机械、化工、 电力、矿产、民用等各个领域里得到应用。 本文所采用的工艺方法是一种新的表面工程技术，因此，其工艺的 许多方面还处于研究阶段。 1 2 耐磨复合表面制备技术发展概况 1 2 1 电镀、化学镀、电刷镀 是指在电流的作用下通过电解作用或者在无夕 加电流状态下借助 合适的还原剂，在基体表面上获得结合牢固的涂层的表面工程技术。具 有工艺简单、操作方便等特点，在改善基体材料的外观，赋予材料表面 2 哈尔滨工程大学硕士论文 某些物理化学性能方面具有其他工艺无法相比拟的优势，但制作有颗粒 增强作用耐磨表面还有一定的局限性。而且在生产过程中排除大量的有 害气体和生产废水，对人类生存环境存在着潜在的危害，并造成极大的 资源浪费，因此也极大的限制了其发展【7 l 。 1 2 2 热喷涂 热喷涂技术是重要的表面工程技术，是表面工程发展的重要基础。 热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等作为热源。将某种线状或粉 末状的材料加热至熔化或半熔化状态，通过高速气流使其雾化，然后喷 射、沉积到经过预处理的基体表面，从而形成附着牢固的表面涂层。热 喷涂是一种几乎适用于各种材料工件表面的喷涂技术，如金属、陶瓷、 硬质合金、玻璃、有机化合物等嘲，而且工件的尺寸大小及形状不受限 制，涂层的厚度可以控制，被喷涂的工件受热影响小、不易变形，工艺 操作程序简单、效率高，喷涂材料可以喷涂成型，被喷涂的工件材质广 泛，可以是金属、陶瓷、其他非金属等，因此，热喷涂是最常用的制作 耐磨涂层的技术之一。但由于喷涂层的多孔隙、夹杂、气孔裂纹等固有 缺陷，以及涂层与基体结合强度低等，也使其在某些方面的发展受到限 制o j 。 1 2 3 喷焊 由于热喷涂涂层颗粒间主要依靠机械结合，结合强度较低。而且存 在孔隙。因此采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或者部分熔化， 以实现涂层与基体之间、涂层内部颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这 就是热喷焊技术。喷焊技术的最大特点就是既喷又焊，形成的涂层表面 光滑。是牢固的冶金结合，这对一些高熔点的硬质合金作为耐磨表面时， 是喷涂所不能比的。但其最大的缺点就是工艺过程中基体的变形比热喷 涂大的多，以及喷焊层的成分、组织会与喷焊材料的原始状态有一定差 别，还有喷焊材料必须是与基体材料相匹配的自熔性合金。另外，虽然 高能量热源能够实现对涂层的重熔，但由于某些涂层材料的耐热冲击性 差、断裂韧度值低，因此在高能量热源重熔过程中，急剧加热、冷却易 哈尔滨工程大学硕士论文 i i i 产生裂纹l 。 1 2 4 堆焊 堆焊是指用焊接的方法，将具有一定使用性能的合金填充材料借助 一定的热源手段熔敷在基体金属表面，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。堆焊除了整体复合外，在各类表面技 术中堆焊能够得到的表面层最厚，特别适合于严重磨损工况下零件表面 的强化或修复已磨损的零件。而且，堆焊受工件大小、形状的限制小， 有利于工地施工。能够堆焊的合金种类很多，并且堆焊层致密，与基体 有牢固的冶金结合，因而容易满足各种不同的要求，使用范围很广。堆 焊所用的设备较简单，经常可与焊接设备通用。采用堆焊技术制作耐磨 表面的最大优点就是堆焊层与基体冶金结合，但稀释率、热循环、热应 力，以及夹杂、气孔、裂纹、开裂等问题一直是耐磨表面堆焊的难题2 m j 。 1 2 。5 熔敷 激光熔敷、电子束熔敷是近年新兴的金属表面强化技术，用手工涂 覆、喷涂、电镀等方法将涂层材料预先涂覆在工件表面，利用高能束的 快速熔凝效应，其目的是改善组织和增加结合强度，可以在低成本的碳 钢或铝等材料上制备出不同性能的涂层，成为提高金属表面抗磨损、耐 腐蚀、耐高温性能的重要手段。激光熔敷层 m 】界面形成冶金结合，熔 敷层组织细密，成分变化小且稀释率可调，热影响区小和热变形小，涂 层质量稳定等优点。目前，激光熔敷材料主要是自熔合金、司太立合金 1 7 - 2 j 1 。但是在激光熔敷中，激光功率密度高，加热和冷却速度快，由于 硬质合金熔敷层和金属基体的热膨胀系数差别大，熔敷层凝固收缩受到 基体的阻碍，因此在熔敷层内产生拉应力，这种应力的存在会导致基体 变形，并在熔敷层中产生与激光熔敷方向正交的裂纹肼，。开裂问题是激 光熔敷的难题，也一直是研究热点，近年来对此进行了大量研究脚删。 气孔问题是激光熔敷硬质合金的另一个难题1 2 | 】，气孔形成的主要原因被 归结为熔池中的c 与0 反应形成c o 或c 0 2 ，在激光熔敷快速凝固过程 中来不及逸出而形成气孔。碳可能来源于硬质合金中残留的游离碳、硬 4 哈尔滨工程大学硕士论文 质合金在高温熔池中的分解或基材中含有的c 进入熔池，氧则主要来源 于熔敷过程中惰性气体保护不善或是硬质合金粉末中元素的氧化。电子 束加热是用电子枪发射的电子束轰击材料，电子流进入表面一定深度， 与材料原子碰撞，能量转化为热能两实现表层的快速加熟进行表面强 化。像激光加热一样，根据能量密度的大小，可进行表面相变强化、表 面熔融强化和表面冲击强化。电子束加热能量利用率高，零件变形小， 表面质量高。缺点是电子束必须在真空室中处理，极不方便。 等离子f 2 9 咖热的能量密度比电子束和激光小，但也可以用于热熔表 面强化。特别是等离子合金化技术，2 0 世纪8 0 年代开始放重视研究。 基体材料不仅有工业纯铁、结构钢、工具钢，而且还有铝、钛、铜、镁 合金等。与激光相比等离子设备投资少，功率密度比激光小l 2 数量 级，加热速度要慢一些，熔池保持时间长一些，表面合金化均匀性好。 等离子束柱直径接近1 0 m m 左右，因而搭接区比激光减少，有利于提高 耐磨、耐蚀性和疲劳强度。 1 2 6 激光熔化注射 激光熔化注射( l m i ) 技术是新兴的表面强化技术，激光熔化注 射技术是指激光束在基体表面产生熔池，同时将注射粒子注射到熔池 中，激光束离开后，熔池迅速冷却凝固将注射粒子“抓住”，形成熔化 注射层【圳。激光熔化注射与激光熔敷、合金化，堆焊等技术本质区别 在于，激光熔化注射过程中，外加粒子直接注射到熔池，而不进入热源， 最大的优点是可以降低碳化物的分解。d eh o s s o n 对激光熔化注射技术 的发展作出了很大贡献，2 0 0 0 年以前，d eh o s s o n 大多采用激光熔敷 ( l a s e rc l a d d i n g ) 和激光镶嵌( l a s e re m b e d d i n g ) 来制备硬质合金层， d eh o s s o n 在1 9 9 5 年对t i 一6 a i - 4 v 表面激光镶嵌s i c 反应层口1 1 电子微观 行为的研究中发现，为了得到具有优良机械性能的硬质合金层，必须把 硬质合金与基体反应层的厚度控制在几微米之内，但是激光熔敷和激光 镶嵌的反应层较大，这是由于实验过程中，碳化物进入激光束后被加热 到较高温度大量分解，分解后的碳化物与基体进行充分反应生成较厚的 反应层，为了减小反应层的厚度，d eh o s s o n 改变了粒子注射位置，由 哈尔滨工程大学硕士论文 原来的注射到激光束中心改为注射到激光束后部，取得了较好的效果， 送粉示意图见图1 1 图1 1 激光处理过程中粒子注射位置示意图州 d eh o s s o n 进一步调整工艺，于2 0 0 0 年采用激光熔化注射技术在 铝合金表面成功制作了s i c 层鲫，于2 0 0 2 年采用激光熔化注射技术成 功的在t i 6 a i 4 v 表面制作s i c p t 3 3 1 和w c p m j 功能梯度涂层，避免了碳化 物的烧损，取得了良好的效果，但唯一的局限就是成本较高，试验示意 图见图1 2 。目前，国内还没有关于激光熔化注射方面的文献。 图1 2 激光熔化注射过程粒子注射示意图m 】 1 2 7 等离子熔化注射 等离子熔化注射( p l a s m am e l ti n j e c t i o n ，p m i ) 技术是本课题组研 发的耐磨复合表层材料制备技术，是受激光熔化- 注射( l m l ) 、等离子 熔喷m 】技术的启发而研发的。等离子熔化注射是指以等离子淬火设备为 热源，由等离子枪的钨极和基体产生的转移弧在钢基体表面产生熔池， 同时将硬质合金粒子用喷涂设备的送粉器注射到熔池中，等离子弧离开 6 哈尔滨工程大学硕士论文 后，熔池迅速冷却凝固将注射粒子“抓住”，制作形成耐磨复合硬质合 金表层。等离子熔化注射技术的原理示意图见图1 3 。 图1 3 等离子熔化注射原理示意图 在p m i 技术中，采用转移型等离子弧对基体进行表面熔化，同时从 熔池后部将第二相颗粒注射进熔池中。颗粒在注射过程中和高温熔体的 相互作用将决定颗粒在耐磨复合表层材料中的分布，并对熔池结晶过程 产生影响。颗粒的分布主要受三个过程的影响 ：1 6 1 ： 1 颗粒和熔池表面的作用； 2 颗粒在熔池中的运动： 3 颗粒和液固界面的作用。 到达熔池表面时速度为v o ( 注射速度) 的颗粒，要克服液态金属的表 面张力进入熔池中，根据j a v e r l i n g - 6 1 对激光熔射进行研究时建立的模 型，其速度必须高于临界速度v c ， 厂丁 驴1 赢帆+ o t o 町一 q 。1 进入熔池后，颗粒将以初速度v l = y 0 - v 。在重力n 、浮力兄、粘滞阻 力乃作用下做减速运动。根据牛顿运动定律，其运动满足 i d r , = 一黑心 ( 1 2 ) 廊 2 r 2 p 。 i d r y ：一黑v y + ( 1 一旦) g ( 1 - 3 ) 西 2 r 2 p ”口6 如果颗粒的速度较低，和液固界面接触前速度已降为零，则和液 固界面接触后有可能被界面捕获或被推移。颗粒界面相互作用理论表 7 哈尔滨工程大学硕士论文 一 明，引起颗粒偏聚的液固界面临界移动速率为“。= 等，与界面能 i z ，力优k 差a o - o 成正比，当实际固液界面移动速率大于临界速率时，颗粒被捕获； 小于临界速率时，颗粒被推移，偏聚在液态金属最后凝固的区域。发生 这一现象的液固界面临界移动速率为1 0 巧m s 数量级。 如果颗粒和液固界面接触后仍有较高速度，则颗粒将和界面发生碰 撞，其作用过程将不再符合前述机制。颗粒和界面的碰撞，对界面处晶 体的生长将产生破坏作用。打破树枝晶，细化晶粒。 可以看出，影响颗粒和熔池表面作用的主要因素包括：颗粒的注射 速度，颗粒半径r ，颗粒密度p ，颗粒和液态金属的润湿性。影响颗 粒在液态金属中运动的主要因素包括：颗粒半径r ，颗粒密度p ，液态 金属粘度v 。影响颗粒和液，固界面作用的主要因素包括：颗粒的注射速 度怕，颗粒和液态金属的润湿性。 颗粒的注射速度v o ，是决定注射过程能否完成的关键。当 p c 时， 颗粒无法克服液态金属表面张力，停留在熔池外，注射过程不能完成。 在其它条件相同的情况下，v o 的大小直接决定颗粒的注射深度。较高的 注射速度对界面处晶体的生长将产生破坏作用，打破树枝晶，细化晶粒。 颗粒半径r 不仅影响颗粒在送粉气流中的加速过程，即影响颗粒的 注射速度v o ，而且影响颗粒穿透液态金属表面的临界速度v 。，影响颗粒 在液态金属中的运动，是影响注射过程的主要因素。较小的颗粒注射临 界速度较高，而注射深度则较浅，并易于被液固界面推移。 如果基体凝固较慢，则在颗粒速度降为零后，在重力和浮力的作用 下发生上浮或下沉，然后被固液界面捕获。重力和浮力的综合作用使颗 粒上浮还是下沉，取决于颗粒和液态金属相对密度的大小。当颗粒密度 较大时，颗粒下沉，颗粒半径越大，下沉越明显，即大直径颗粒容易到 达熔池的底部；当颗粒密度较小时，颗粒上浮，颗粒半径越大，上浮越 明显，即大直径颗粒容易到达熔池的上部。 液态金属粘度是材料本身的物理参数，对特定的材料主要取决于熔 池温度，由熔池熔化工艺参数和冷却条件决定。熔化工艺参数及冷却条 件还影响熔池表面张力和熔池冷却速度，从而影响注射临界速度、硬质 s 哈尔滨工程大学硕士论文 合金颗粒的运动和液固界面对硬质合金颗粒的捕捉。 颗粒和液态金属的润湿性好，可以降低注射临界速度，增大注 射深度。同时将有利于固液界面对颗粒的捕获，有利于颗粒的均匀分布。 表面处理技术是决定强化层( 膜) 的成分、组织结构和性能的关键， 是表面工程的核心内容。以上各种制各耐磨表面( h a r df a c i n g ) 各有优 点和长处，而等离子熔化注射技术则是一种全新的表面工程技术。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研究采用等离子熔化粒子注射技术在q 2 3 5 钢板上通过注射 w c c o 颗粒制备金属基耐磨表层复合材料。研究内容如下： ( 1 ) 设计等离子熔化注射技术中使用的等离子熔焊枪； ( 2 ) 研究等离子熔化注射技术制备耐磨复合表层材料的工艺； ( 3 ) 研究等离子熔化注射技术制备耐磨复合表层材料的组织结构； ( 4 ) 研究等离子熔化注射技术制备耐磨复合表层材料的磨损性能。 9 哈尔滨工程大学硕士论文 第2 章试验材料设备及方法 2 1 试验材料 2 1 1 基体材料 试验中采用正火态的q 2 3 5 钢为基体材料，其化学成分见表2 1 ，其 组织结构为铁索体加上少量的珠光体，见图2 1 。试板尺寸5 3 0 9 0 m m ， 试板在使用前经过喷砂处理去除表面的氧化物。 表2 1q 2 3 5 钢化学成分( 质量百分比，w t ) 图2 1 基体q 2 3 5 钢金相组织 2 1 2 注射材料 硬质合金是由难熔金属碳化物以铁族金属钴或镍等作粘结剂组成 的合金材料，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等一系列优点，在 现代工业生产中己成为金属加工、矿山开采、石油钻探、国防和军工等 不可缺少的重要工模具材料呻j 。因w c c o 硬质合金是一种硬度高、热 稳定性和耐磨性好的硬质合金材料，具有良好的综合性能 3 9 1 ，使其成为 硬质合金中应用最广泛的一种。如果在廉价的碳钢表面制作一层硬质合 金，以提高其在某些特殊条件下的使用寿命，将具有巨大的技术价值和 1 0 哈尔滨工程大学硕士论文 经济意义，有着广阔的应用前景 4 0 l 。 本文在等离子熔化注射过程中选择注射材料为w c c o 硬质合金， 试验过程中所使用的注射w c c o 材料其颗粒形貌有两种形态，一种为 哈尔滨焊接研究所生产的堆焊用w c 8 c o ，不规则多边形颗粒，见图2 2 ； 另一种为瑞士s u l z e r p l a s m a t e c h n i k 公司生产的喷涂用w c 1 7 c o ，球形 粉末颗粒，见图2 3 。w c c o 颗粒在使用前已经过标准筛过筛，一方面 是要去除夹杂物，另一方面是要筛选出不同粒度的w c c o 颗粒。在试 验中使用的堆焊用w c 8 c o 为2 0 4 0 目，喷涂用w c 1 7 c o 颗粒为3 0 0 4 0 0 目。 图2 2w c 8 c o 颗粒的照片图2 3w c 1 7 c o 粉末形貌 图2 2 是w c 8 c o 宏观照片，可以看出其是由不规则的多边形颗粒 组成。图2 3 是w c 1 7 c o 粉末形貌，可以清楚的看到球形颗粒形貌。 2 2 等离子熔化注射试验设备 采用n a a 3 m o n p o t e u 型俄罗斯等离子淬火设备和自制控制系统、瑞 士s u l z e rp l a s m at e c h n i c 公司生产1 0 7 5 0 c 型等离子喷涂设备的控制系 统和水冷系统和t w i n s y s t e m i o c 型送粉器、自制风机控制系统和风 机以及自制行走机构进行等离子熔化注射试验。设备如图2 4 所示。本 文等离子熔化注射工艺是应用淬火设备和喷涂设备相结合的方式，辅之 以自制设备完善，以确保试验能够顺利的进行。 哈尔滨工程大学硕士论文 a ) 等离子淬火设备和自制控制系统b ) 等离子喷涂设备的控制系统 c ) 等离子喷涂设备的送粉器d ) 自制风机控制系统 图2 4 等离子熔化注射试验设备 在等离子熔化注射试验的进行过程当中，原n a a 3 m o n p o t e k 型俄 罗斯等离子淬火设备的等离子熔焊枪存在的问题充分曝露，图2 5 为原 等离子熔焊枪。由于原等离子熔焊枪设计制造过程中存在的不合理，使 得等离子熔焊试验的进展非常缓慢。为了试验能够顺利进行下去，新的 1 2 哈尔滨工程大学硕士论文 等离子熔焊枪被设计出来以取代原等离子熔焊枪。 原先使用的等离子熔焊枪为俄罗斯制造的等离子熔焊枪，该枪存在 许多问题，如：由于结构设计的不合理，钨极与阳极铜嘴的对中很困难； 枪体材料为热固型塑料，受热不均后容易发生微小的变形导致漏水，为 设备的安全运行带来很大隐患：枪体的连接采用胶接方式，每次漏水后 要拆开枪体，清理干净后重新抹上绝缘胶，然后花费大量的时间等侯绝 缘胶固化；而且该枪每工作几分钟就必须停枪冷却，否则就很容易因受 热而发生变形导致漏水，使得工作效率大为下降。原等离子熔焊枪见图 2 5 ，新设计的等离子熔焊枪见图2 6 。 图2 5 原等离子熔焊枪图2 6 新设计的等离子熔焊枪照片 新设计的等离子熔焊枪具有以下特点：第一，采用了创新的钨极对 中结构设计，使得钨极与阳极铜嘴获得了非常好的同轴度；第二，屏弃 了端盖与枪体常见的螺栓连接或胶接，采用了新的连接方式，使得端盖 与枪体的接触面受力均匀，大大提高了密封圈的密封效果，完全杜绝了 漏水的现象；第三，加宽水道和枪水冷组件大部分铜件，大大改善了水 冷效果；第四，采用比原等离子熔焊枪更大的压缩比，使热输出和能量 更大、更集中：第五，阳极铜嘴与端盖采用分体式设计，即使在最坏的 情况下发生阳极铜嘴烧损，也可以方便地通过更换阳极铜嘴来修复而不 需更换端盖整体，既节约了材料又大为简化了枪的修复程序，还可以根 据生产以及试验的需要，采用不同的阳极铜嘴，既可以应用于焊接也可 以应用于喷涂等其他领域。 哈尔滨工程大学硕士论文 该枪主体部分于2 0 0 5 年暑假期间设计完成，迄今为止，按该设计 制造的等离子熔焊枪已经工作了将近一年，工作状态良好，各项性能完 全满足实验及生产要求，基本达到了设计时的目标。 2 3 物相分析 用d k 7 7 4 0 型数控线切割机床将等离子熔化注射试件切割成 5 x 6 x 2 0 m m 的小块，然后将切好的小块上的等离子熔化注射层在金相砂 纸上磨平整，不仅要有比较好的平整度，而且必须确保去除等离子熔化 注射加工过程在表面形成的附着物。 进行物相分析的x 射线衍射仪为日本理光电机株式会社生产的 d m a x r b 旋转阳极x 射线衍射仪。c u 阳极，石墨单色器，电压4 5 k v ， 电流5 0 m a ，扫描速度2 0 5 0 分，取数间隔o 0 2 0 。 2 4 组织及成分分析 将等离子熔化注射试件沿垂直于扫描方向截取成小块作为试样，试 样在金相砂纸上磨平，然后用武汉理工大学武汉三超科技发展有限公司 生产的0 1 哪高效金刚石喷雾抛光剂抛光，抛光后的试样用2 硝酸酒 精溶液进行浸蚀，浸蚀时间约为2 0 秒。 用日本n i k o n 金相显微镜、德国z e i s sm c 8 0 d s 金相显微镜和用日 本日立s 5 7 0 、s - 4 7 0 0 型扫描电镜( s e m ) 对等离子熔化注射层组织进 行观察，用t n 5 5 0 2x - r a y 能谱仪( e d s ) 和e d a x 能谱仪( e d s ) 对 等离子熔化注射层组织进行成分分析。 2 5 显微硬度 采用上海第二光学仪器厂生产的h x d - 1 0 0 0 型显微硬度仪对熔化 注射层的硬度进行测量，载荷1 0 0 9 ，加载时间1 5 s ，每种相测量三次取 平均值进行分析。 2 6 磨损性能 磨损试样的制备：用d k 7 7 4 0 数控线切割机床将等离子熔化一注射试 1 4 啥尔滨工程大学硕士论文 件切割成5 x 6 2 0 m m 的试样，试样表面在金相砂纸上磨平整后，用丙酮 清洗干净试样上的磨屑，基体试样的制备过程与之相同。 磨损试样在进行磨损试验之前用北京赛多利斯仪器系统有限公司 生产的s a r t o r i u sb s 2 2 4 s 型万分之一克电子天平进行称重，磨损试验在吉 林通化机床厂生产的m 2 0 0 型摩擦磨损试验机上进行，该试验机的工作 原理是采用环块接触式，见图2 7 。对磨环的外径为9 5 0 m m ，内径为 9 1 6 m m ，宽1 7 m m ，材料为奥地利伯乐钢厂生产的s 7 0 5 ( w 6 m 0 5 c r 4 v 2 c 0 5 ) 钢，经过1 2 2 0 5 分钟奥氏体化，5 5 0 回火l h x 3 次处理，硬度达到h r c 6 6 ，外圆至精磨8 级r a 0 ，4 。转速为4 0 0 r r a i n ， 载荷5 k g ，磨损时间共计2 小时，每0 5 小时用电子天平进行称一次重 量，以便比较磨损率和磨损性能。 n i 图2 7 磨损试验机的原理 哈尔滨工程大学硕士论文 第3 章等离子熔化一注射w c - c o 工艺研究 3 1 前言 本文的工艺试验主要研究等离子熔化注射工艺参数对外观形貌的 影响规律。由于等离子熔化- 注射的工艺参数众多，而且工艺参数对等离 子熔化注射层外观形貌和组织结构影响很大，本文通过试验确定出最佳 的工艺参数。 在影响等离子熔化- 注射工艺的参数众多中，本文将等离子工作电 压、等离子工作电流、等离子工作气体压力、等离子工作气体流量、保 护气压力、保护气流量、送粉气压力等作为既定参数。以等离子熔化枪 倾斜角度、粒子注射角度、等离子熔化枪枪嘴距基体距离、扫描速度、 送粉气流量、送粉量和送粉嘴直径、粒子粒度作为可调参数。表3 1 为 等离子熔化注射w c c o 工艺试验中既定工艺参数值。 表3 1 等离子熔化注射w c c o 工艺试验中既定工艺参数值 工艺参数数值及单位工艺参数数值及单位 工作电压 4 0v工作电流7 5a 工作气压力o 4 m p a工作气流量 3 l r a i n 保护气压力0 4 m p a保护气流量 3 l r a i n 送粉气压力0 4 m p a枪嘴母6 m m 这里需要指出的是：每个参数之间并不是孤立的，而是相互联系、 相互影响的。另外，各个参数的确定并不是任意的丽是有先后顺序的。 本文首先确定等离子熔化枪倾斜角度、粒子注射角度、等离子熔化枪枪 嘴距基体距离，因为它们是一组相关因数，是等离子熔化注射工艺能够 得以进行的前提条件；然后确定扫描速度、送粉量、送粉气流量和送粉 嘴直径等重要影响因数和相关因数，这些参数决定着熔化注射层成型， 只有先确定这些参数，才能保证制备出成型良好的熔化注射层。 1 6 哈尔滨工程大学硕士论文 3 2 等离子熔化一注射工艺试验 3 2 1 高速粒子等离子熔化一注射试验 采用俄罗斯a 3 m o p o t 职型等离子淬火设备产生的转移弧在基体 上形成熔池，同时用瑞士s u l z e rp l a s m at e e h n i k 公司生产的r - 7 5 0 c 型 等离子喷涂装置将熔融状态的硬质合金颗粒喷入熔池中，但是由于等离 子设备产生的转移弧的挺度差，转移弧总是被吹断，高速( 几百米) 粒 子熔化一注射试验失败。原因是由于等离子喷涂枪功率为8 0 k w ，而等 离子熔化枪的功率为5 k w ，二者的功率不相匹配。要想试验成功，需 要另加工一把与等离子熔焊枪功率相匹配的等离子喷涂枪。 3 2 2 低速粒子等离子熔化一注射试验 3 2 2 1 等离子熔焊枪倾斜角度的确定 等离子熔化一注射的最大特点是将粒子直接注射到熔池中，由于等 离子弧能量密度比较集中，产生的熔池小，将粒子精确的注射到熔池中 难度很大。因此，在相同热输入的情况下，如何得到较大表面积的熔池 和熔池“拖尾”就显得至关重要。经过大量实验发现，在其它工艺参数一 定的情况下，将等离子熔焊枪沿扫描方向倾斜一定角度后，熔池表面积 和“拖尾”明显增大。倾斜角度的选取很重要，当等离子熔化枪倾斜角度 过小时，熔池表面积和“拖尾”增大不明显，但是倾斜角度过大会使熔化 注射层表面平整度下降。表3 2 为测定等离子熔焊枪倾斜角度的工艺参 数，图3 1 是等离子熔焊枪为不同角度时制备的试样外观形貌。 表3 2 等离子熔焊枪为不同角度时的工艺参数值 试样号工作气保护气送粉气送粉量速度枪角度 l 撑2 0 0 2 群3 0 。 3 l m i n6 5 m m s 3 撑3 5 0 4 群 4 0 0 哈尔滨工程大学硕士论文 a ) l 撑试样枪角度2 0 。b ) 2 撑试样枪角度3 0 0 c ) 3 群试样枪角度3 5 0d ) 4 撑试样枪角度4 0 0 图3 1 等离子熔焊枪为不同角度时用p m i 法制备试样的外观形貌 从图3 1 我们可以看出：a ) 1 撑试样既具有一定良好的外观成形，又 兼具一定的熔宽和熔深。但其枪角度过小，熔池的拖尾现象不明显，很 难精确的将粒子注入到熔池中去。b ) 2 拌试样既具有一定良好的外观成 形，也兼具一定的熔宽和熔深，虽然熔宽和熔深比a ) 窄和浅，但熔池的 拖尾现象良好，可以精确的将粒子注入到熔池中去。c ) 3 群试样和d ) 4 群 试样虽然具有一定的熔宽和熔深，但外观形貌逐渐变差，使得熔化注射 层表面平整度下降，尤其是d ) 4 捍试样，原因是由于等离子熔焊枪工作 时产生较大等离子流压力，等离子熔焊枪倾斜角度过大时，等离子流压 力分解成向下和向后的分力，向后的分力作用在熔池就形成向后的“吹 力”，并且随着角度的增大，开始产生断弧现象，使得熔化注射工艺很 难进行。为了使熔化注射过程连续进行，并有良好外观形貌，通过反复 试验，最后将等离子熔化枪沿扫描方向倾斜角度确定为3 0 0 。 3 2 2 2 粒子注射角度的确定 粒子注射角度和等离子熔焊枪倾斜角度是一对密切关联的参数，粒 子注射角度受等离子熔化枪倾斜角度影响，同时，也受等离子弧弧距影 响，因此粒子注射角度的选择是直接关系到等离子熔化注射试验成败的 前提。由于粒子注射角度和等离子熔焊枪倾斜角度的配合问题，加上要 考虑等离子弧弧距和成形，所以粒子注射角度的选择是综合因数配合考 虑的结果。表3 3 为测定粒子注射角度的工艺参数，图3 2 是粒子注射 哈尔滨工程大学硕士论文 为不同角度时用p m i 法制备试样的外观形貌。 表3 3 粒子注射为不同角度时的工艺参数值 试样号工作气保护气送粉气送粉量速度枪角度注射角 5 舟2 5 。 6 群3 l m i n3 l m i n3 l r a i n 7 7 m g s 6 5 m m s3 0 。3 0 0 7 拌 3 5 。 8 群 4 0 0 a ) 5 样试样注射