等离子堆焊.doc

一、表面工程引言 表面工程技术是表面处理、表面涂(镀)层及表面改性的总称，是20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为21世纪主导技术之一。表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体表面具有不同于基体的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术不仪用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术、表面薄膜制备技术和表面涂层技术。 1热喷涂 热喷涂是一种重要的表向工程技术，通过在普通材料的表面喷涂保护层、强化层和装饰层，来实现耐磨、耐蚀、耐局温、绝缘、导光的功能特性。近20年来发展迅速，由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层，由产品的维修发展到大批量的产品制造:由单一涂层发展到包括产品失效分析、表向预处理、喷涂材料和设备的选择、涂层后加工的热喷涂系统工程。其应用领域从宇航业开始，迅速发展到各民用工业部门。热喷涂所用热源从电弧到等离子体、激光、电子束等，其喷涂粒子飞行速度从最初的几十m/s、提局到1000m/s、(爆炸喷涂)，在我国“六五”、“七五”、“八五”期间连续被列为重点推广项目。 热喷涂技术有许多工艺方法，目前应用比较厂泛的主要有火焰喷涂(丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂)、等离子喷涂和电弧喷涂。 由于电弧性能不断改善，电弧喷涂在20世纪80年代再次兴起。其原理是通过送丝装置将两根丝状金属喷涂材料送进喷极中两导电嘴内，作为阴、阳极，利用其接触短路生成电弧，熔化丝材，井用压缩空气雾化喷射到工件表面形成致密结合层。由于用电能作为能源，在节能和经济方面都优于其它喷涂方法，喷涂效率局，涂层结合强度高，对于恶劣环境下的工件防腐，如煤矿井筒、水冷壁十分有效，用电弧喷涂Cr13修复造纸烘缸既耐磨又耐蚀。目前我国的研究主要集中在封闭式电弧喷枪、推丝式送丝机构、平特性电源、药芯丝材喷涂材料等方面，国际上己研究高速射流电弧喷涂技术。2激光表面处理 激光表面处理技术是把传统的表面热处理与焊接技术相结合的一门新技术，与其它传统的表湘工程技术如热喷涂等相比，突出特点在于能够得到其它表面工程技术很难达到或不能达到的效果，在航空航天、石油、汽车等行业应用前景厂阔，在我国的具体应用有冶金工业的冷轧辊激光毛化、热轧辊激光表面强化、导向板激光表面融合等，经济效益显著5。用于表面处理的激光主要有三种类型:CO2激光、Nd:YAG激光和激元激光。目前CO2激光应用最广泛，最近ND:YAC激光发展很快，尤其是在需要自动拎制、小公差和高重复率的场合，我国可以制造1一5 kw横流CO2激光器，高功率YAG尚处于开发阶段。3 堆焊技术 区别于其它表面工程技术，堆焊在使基体表面获得耐磨性能的同时，覆层材料与基体间形成牢固的冶金结合，因此，在一些要求表面不仅具有抗磨、抗蚀等性能血且还需承受强载荷作用的条件下，堆焊具有绝对优势，如冶金设备的轧辊等。堆焊厂泛应用于冶金、航空、机械等行业旧工件的修复和新产品的制造上，目前我国以修复为主。堆焊多属于异种钢焊接，良好的堆焊层需要从堆焊工艺和材料上来实现。3. 1堆焊方法 各国从20世纪50、60年代就开始发展各种各样的堆焊方法，基本上每种熔焊方法都可用于堆焊，文献11认为应从:焊件的尺寸和形状、堆焊材料的化学组分、合金化对母材性能的影响、表面变形和修整、操作的费用等s个方面来具体考虑堆焊工艺方法。采用每种堆焊方法都希望获得尽可能小的稀释率、好的堆焊层质量和经济效益，近年来堆焊工艺方法也都是围绕“优质、高效、低稀释率”来进行12的。埋弧焊是应用最厂泛的堆焊方法，焊材从最初的单丝发展到多丝、带极，焊机也从单机头到多机头，熔敷效率从单丝的4.5-11. 3 kg/h提高到多带极堆焊的22 - 68 kg/h. 而稀释率则由30% - 60%降到10% -2s%，在多丝埋弧焊中，近年日本开始了6 丝振动埋弧焊研究，为解决埋弧焊热输入大血工件冷却慢造成的晶粒粗大问题，国内外开展了高速带极堆焊工艺的研究，甘肃工大研制75 rnrn带宽，焊速达25一28 cm/min己获成功12。 等离子弧堆焊方法在各种堆焊方法中稀释率最低，但堆焊效率也几乎是最低的，通过改进设备，德国在20世纪90年代研制大功率等离子弧粉末堆焊设备，当电流在400 A时，堆焊效率可达8. 4 kg/h，稀释率为8%，焊速为14 cm/min。据最新消息，德国己达到70kb/h的最大熔敷速度，稀释率控制在10%以下:在我国，哈尔滨焊接研究所利用研制的新焊枪，可达到15 kh/h的熔敷速度，将稀释率拎制在1%以下123. 2堆焊材料 堆焊材料按使用形式可分为焊丝、焊带、焊条、焊剂等，焊条堆焊适用于工作量比较小或用其它自动化焊接方法难以处理的场合，堆焊质量依赖焊工的水平，质量不稳定，由于我国自动化水平比较低，焊条堆焊占的比重还相当大。与焊条相比，利用焊丝、焊带堆焊可获得较高的工作效率，稳定的质量，焊材的消耗量也低。药芯焊丝近几年发展很快，具有合金成分自由可调、燃弧稳定、经济高效等优点，尤其适合硬度高、冷作硬化严重、轧制拉拔困难的合金材料的堆焊。堆焊药芯焊丝的发展已在国内外引起重视。上海斯太立已引进并开发了若干种用于堆焊的药芯焊丝，天津大学也针对冷轧辊、热轧辊、连铸辊堆焊开发了系列药芯焊丝，井己在工程上得到成功应用。但至今堆焊药芯焊丝的发展仍远不能满足工程的需要，还处于发展阶段。目前我国使用的焊剂90%以上为熔炼焊剂，而工业发达国家烧结焊剂占80%，近年来，烧结焊剂才在我国引起重视，以锦州焊条厂为代表的焊剂生产和科研单位相继引进和开发了高速埋弧焊用烧结焊剂、高速带极堆焊焊剂、窄间隙埋弧焊剂等产品，使效率大为提高。总之，与国外相比，国内堆焊材料品种过少，不能满足实际生产的需要。3.3国内堆焊存在问题 堆焊材料品种少，不能满足生产实际需要。 堆焊设备不配套或无专用设备，影响堆焊推厂应用如药芯焊丝用电源，一般多是借用有关设备或国产CO2实心焊丝专用设备，轧辊堆焊机通常由自动埋弧焊机改装等。3. 4应用 堆焊广泛应用于模具、刀具、挖掘机、轧辊等需高耐磨性和承受强载荷工件的修复和制造，其中轧辊堆焊占相当大的比重。轧辊是冶金行业的三大耗件之一，目前我国年用量在80万t以上，堆焊修复费用仅为新辊价格的1 /4一1 /2. 而且经修复后，其寿命往往高于新辊，其经济效益和社会效益十分显著，现在国内大多大、中型钢铁厂都有轧辊堆焊的能力。4其它 表面工程技术多达几十类，除上述3类外，还包括传统的表向工程技术如电镀、刷镀、化学镀、涂装、粘结、喷丸强化等和20世纪60年代以后发展的等离子弧表面处理、电子束表面处理、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、离子束合成薄膜技术等，限于篇幅不再一一叙述。各种表向工程技术都有各自的优缺点，如利用气态物质在固体表面发生化学反应来生成固态沉积物的化学气相沉积技术，可以用来制备玻璃态薄膜、结晶薄膜和纯金属薄膜、合金膜及金属间化合物薄膜，其沉积层质密均匀且与基体结合强度高，设备和操作也简单，但主要缺点是沉积温度高，通常在700一1 100 C .限制了许多材料的应用:再如离子入技术，优点是几乎所有可电离的元素都可用来注入材料表面，可获得各种过饱和的固溶层、非晶态和某些化合物层，有效增加表面硬度，但往往对材料表面造成辐射损伤，设备也较复杂”3。 随着材料使用要求的不断提高，单一的表面工程技术因自身的局限性往往不能满足需要，通过将各类表面工程技术的复合和综合运用可获得意想不到的效果。目前已开发的复合表面工程技术有热喷涂与喷丸强化复合、表面强化与喷丸强化复合、化学热处理与电镀复合、激光处理与化学热处理复合、化学热处理与气相沉积复合、热喷涂与有机涂装复合等，都取得了很好的效果145结语表面工程是一门内容繁杂，涉及到诸多学利知识的应用性很强的边缘性、综合性、复合型学科。随着新材料的不断涌现、对材料性能要求的提高及新表向工程技术的推广应用，表面工程技术必将在生产、科研中大放异彩。 等离子堆焊是以联合型或转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，堆焊时将零件表面以及堆焊材料同时熔化，并使2种金属相互混合构成熔池，经熔池冷凝结晶形成堆焊层。其实质上是一种熔化焊工艺。 等离子堆焊作为一种表面修复技术在我国已经有40多年的历史，在机械、能源、交通、电力和冶金工业等领域有着广泛的应用。发展初期，主要用于修复损坏的器件，如恢复零件的形状尺寸等。20世纪60年代，已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合。80年代以后，等离子堆焊技术的应用领域进一步扩大，从表面修复扩展到制造业。90年代受先进制造技术的影响，等离子堆焊技术与智能控制技术(CAD/CAM)和精密磨削技术相结合的近净型技术(Near Net Shape)引起制造业的广泛关注。等离子堆焊技术，不仅是延长材料或零件服役寿命的一种工艺方法，而且已成为先进制造技术的发展基础:.，。此外，粉末等离子堆焊工艺具有较高的熔敷率、相对低的稀释率、易于保证涂层质量以及加工成本较低等优点3，利用等离子堆焊技术直接成型金属零部件成为必然发展的趋势。本文综合介绍了等离子堆焊技术的原理、应用以及最新的技术发展现状。二、等离子堆焊技术1等离子堆焊技术的原理 等离子发生器又叫等离子喷枪，根据工艺的需要通人氮气或氮气作工作气体，其原理如图i所示。稳弧气体(如氢、氦或者氮)通过气路进人喷枪，金属粉末材料借助送粉气流(一般用氢气或氮气)送人喷枪。工作时，喷枪内在钨电极和喷嘴之间的工作气体将被电离，产生高温等离子体(等离子弧区的温度高达10000一SOOOOK)，从而熔化粉末，并使其跟随高速焰流喷射到底板的表面。这种熔化的颗粒高速撞击底板表面并粘于其上，在此表面形成牢固粘结的喷涂层，连续地进行下去，一层一层地相互叠加堆积，形成高密度、高结合强度的堆焊组织结构。2等离子堆焊的特点及应用状况 粉末等离子堆焊有如下特点l,4: (1)等离子弧区的温度高达(1.0一5. 0 ) x 104 K，因此可以堆焊各种金属，使用材料范围广，制备简单，可配置不同性能的粉末; (2)工艺稳定性好，熔化材料的喷射速度可高达600m/s,因此，堆焊层的材料密度高、机械性能好; (3)沉积效率比较高(可高达98kg/h); (4)调节性好，易于自动化操作; (5)稀释率低，小于5%，能充分保证合金材料性能，并且采用氢气、氮气等作为工作气体，被堆焊材料不易氧化; (6)堆焊层平整光滑，尺寸范围宽，且可精确控制，一次可以堆焊宽1一150mm，厚0. 25一8mm; (7)被堆焊的上件温度较低，一般不易变形，为了进一步降低堆焊时工件的温度，还可以用气体对工件进行冷却。 因此，等离子堆焊与其它堆焊技术相比具有明显的优势:堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，并且在工艺上有很大的灵活性。 在实际的工业生产中，等离子堆焊主要用于表面技术团以提高诸如阀门密封面、气阀密封面、模具刃口、输煤机中部槽板、槽帮、无缝钢管顶头、运动部件摩擦副等的耐磨性能，以及石化工业设备的耐腐蚀性能，延长使用寿命。另外，等离子堆焊技术也广泛应用于模具制造行业困。 采用各种堆焊材料提高零部件的性能，也是生产和研究的重点。近几年，随着材料技术的发展，研究人员把堆焊材料研究的视野逐步扩展到利用金属、陶瓷、复合材料f一，等作为堆焊层，以提高零部件的性能。但是，这些研究工作仅限于材料的表面改性。 等离子堆焊技术在高温合金的成型和加工方面也有广泛的应用。高温合金已应用于航空航天、工业燃汽轮机及高速机车等方面，但不同的用途对高温合金的成分、组织、性能的要求有所不同。比如GH163，主要用于航空发动机燃烧室和加力燃烧室板材焊接结构件和承力件，如火焰筒、加力筒体等。在长期使用中就要求具有高的强度、较佳的抗氧化性能、耐蚀性能和良好的低周疲劳抗力。通常合金的成分对其性能有重大的影响，但是，获得均匀细小的组织结构也成为改进合金综合性能的重要手段。 研究人员广泛研究了用等离子堆焊技术制备各种高温合金涂层的性能、组织结构及各种力学行为n -zzj。例如，J M Miguel等研究了NiCrBSi涂层的耐磨性能，Thompson J A等研究了热障涂层MCrAIY的热力学性能。这些Ni基高温合金涂层大多属于Ni-Cr系自熔性合金粉末，主要用来提高工作部件的疲劳抗力以及抗氧化、抗热蚀能力，广泛应用于石化工业、玻璃模具等领域。利用等离子堆焊技术制备的这些涂层，皆有均匀细小的组织结构特征，能显著改善材料的抗疲劳、氧化及热蚀的能力。 随着制造业的快速发展，为了满足各种行业的需要，尤其是在快速制造领域，等离子堆焊技术日益引起重视，等离子沉积制造技术23也开始进人人们的视野。等离子沉积制造(plasmadeposition manufacturing,PDM)技术是在等离子粉末堆焊和快速原型技术的基础上发展起来的一种新的材料添加式制造(mate-vials additive manufacturing MAM)技术，是一项先进的制造技术，它首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将该模型按照一定的厚度进行分层剖分，将零件的三维数据信息转换成一系列二维轮廓数据，再经过逐层涂覆的方式制造出三维零件 由于等离子弧的温度极高，粉末融化得比较充分，微观组织可以生长，制造出类似铸造组织的结构，且层层之间为典型的冶金结合，所得到的材料组织细小、均匀、致密，同时，还具有一些与快