热喷焊技术的研究综述

热喷焊技术的研究综述 一 前言 随着现代工业的发展 对材料的性能也提出了越来越高的要求 磨损是材 料的主要失效形式之一 它严重影响着机械产品的性能质量和使用寿命 也造 成了巨大的经济损失 据报道 目前全世界用于机械行业的能量 有1 3消耗 在磨损上 机械零部件由于磨损失效的约占零部件总数的60 80 因此 如何提高材料的耐磨性一直受到人们的关注 所以 研究和发展材料的表面处 理技术就具有重大的技术和经济意义 而表面处理技术也在这种需求的推动下 获得了飞速的发展和提高 热喷焊技术就是这种表面防护和强化的技术之一 1 热喷焊技术是2O世纪6O年代出现的一种进行表面防护与强化的喷焊技术 属于表面强化技术领域 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化 实现图层与基体之间 涂层内颗粒之间的冶金结合 消除孔隙 这就是热喷焊 技术 根据采用的热源不同 热喷焊技术有氧 乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种 具有施工效率高 喷焊材料范围广 成本低等优点 因此 近年来其技术和生 产应用发展很快 现已广泛应用于航空 石化 机械等领域 1 二 热喷焊技术的发展现状及应用 热喷焊的特点 1 热喷焊层组织致密 冶金缺陷很少 与基材结合强度 高 2 热喷焊材料必须与基材相匹配 喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多 3 热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多 4 热喷焊层的成分与喷焊材 料的原始成分会有一定差别 热喷焊过程中基体表面会少量熔化 并与喷焊材 料发生合金化 导致喷焊层的成分与原来设计的喷焊材料会有差异 2 采用氧 乙炔火焰作为喷焊热源的工艺称作氧 乙炔火焰喷焊技术 氧 乙炔喷焊设备简单 主要有喷焊枪 氧气瓶和乙炔瓶 等离子弧热喷焊是采用转移型等离子弧为主要热源 在金属表面喷焊合金粉 未的方法 一般采用两台整流电源 将负极并联在一起 通过电缆接至喷枪的 电极 其中一台电源的正极接喷枪的喷嘴 用于产生非转移弧 另一台电源的 正极接工件 用于产生转移弧 喷枪的喷嘴和电极通水冷却 采用氩气作等离 子气 首先用高频火花点燃非转移弧 然后利用非转移弧在电极和工件之间选 成的导电通道引然非转移弧 在建立转移弧的同时 由送粉器向喷枪输送粉未 粉未通过电弧后喷射到工件上 所以 转移弧一建立 就在工件上形成了熔池 使合金粉未在工件上熔融 随着喷枪和工件的相对移动 液态合金逐渐凝固 便形成了合金喷焊层 国内热喷焊技术的研究始终受到国家的重视 一直是 六五 七五 规划的重点推广项目 并获得了技术经挤效益 随着对新材料的进一步开发 和应用 热喷焊技术将不断的完善和发展 热喷焊技术是基于热喷涂技术发展起来的 早在1910年 瑞士工学博士M J Schoop发明了第一个金属喷涂装置 金属熔液式喷涂 Mctal Spraying 3 此后 Schoop致力于喷涂装置的改进 于1912年制成了线材火焰喷枪 1913年Schoop提出了电弧喷涂的设计 并于1916年制成了实用型的电弧喷枪 线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法 在30年代得到了发展 美国 METCO金属喷涂工程公司成立后 相继研制出用空气涡轮送丝的E型系列喷涂枪 和用马达送丝的K型系列喷枪 第二次世界大战初期 自熔性合金粉末出现 粉 末火焰喷涂风靡一时 火焰喷涂 FlameSpraying 几乎成了热喷涂的同义词 3 5O年代末期 随着现代航空工业和宇航业的发展 美国联合碳化物公司研 制成功燃气重复爆炸喷涂 同时 美国Plasmadyne公司开始研制等离子喷涂 Plasma Spraying 设备 相隔不久 美国METCO公司和其它公司也致力于能够 喷涂陶瓷涂层的等离子喷涂设备的研究 到了6O年代 等离子喷涂技术已经在 工业上应用 6O年代中期等离子弧热喷焊技术研制成功 随着各种热喷涂 热 喷焊技术的全面发展 国际间的交流逐渐开展 1965年在英国召开了第一届国 际金属喷涂会议 此后每2 3年召开一次 8O年代 热喷涂技术又有了新的发 展 突出表现在研制成功超音速火焰喷涂和将电子计算机应用于热喷涂设备之 中 使热喷涂涂层向着更高的质量和精密化方向发展 此后 热喷涂技术进一 步向工业部门民用产品大批量生产 其增长速度有了大幅度提高 热喷涂工 业 真正成长起来 我国热喷涂技术的应用始于4O年代末期 5O年代开始制造 线材火焰喷枪和粉末气喷枪 6O年代初研制成功封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和 陶瓷粉末气喷枪 60年代中期开始研制等离子喷涂设备和自熔性合金粉末制造 技术 6O年代末期开始研究等离子弧热喷焊技术 同时开始应用粉末火焰喷焊 技术 70年代各种喷涂方法相继运用于生产 其中火焰喷涂和电弧喷涂技术大 量应用于旧件修复 4 1981年我国召开了推广应用热喷涂技术工作会 开始 在全国推广应用 已基本形成了热喷涂设备和材料的生产体系 国内等离子弧 热喷焊技术的研究始终受到国家的重视 直是 六五 七五 规划的重点推 广项目 并获得了技术经挤效益 随着对新材料的进一步开发和应用 等离子 弧热喷焊技术将不断的完善和发展 欧美国家从事等离子弧热喷焊技术的研究比较早 现已形成大规模的开发 研制 生产基地 涌现出一大批跨国公司 如美国的Miller公司 M o公司 瑞 士的CastCin公司等 他们分别开发了自己的系列产品 并在实际应用中不断加 以改进 在日本 等离子弧热喷焊起步相对较晚 但比较注重世界一流设备的 引进和研究 特别是近几年来发展迅速 与先进国家相比 我国对等离子弧热 喷焊先进技术的研究主要集中在高校和科研机构 在设备改进方面 西北工业 大学开展了脉动等离子弧热喷焊技术研究 通过在工件和喷枪阳极 喷嘴 问接 入高频的IGBT无触点开关 成功地实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作 实现了单一电源下的等离子弧热喷焊 4 西安交通大学开展了适宜于AI Mg 及其合金的变极性等离 弧焊设备的研究 主弧的正 负半波分别由两台直流电 源供电 对工件 铝 实现了变极性焊接 它不仅使电弧稳定 而且还有可靠的 阴极清理作用 天津大学的王惜宝 张文钺分析了等离子弧粉末喷焊时粉末在 转移弧中的输运行为及其主要影响因素 计算了铁基合金粉末和碳化硼粉末 不同参数下在弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布 在应用 方面 西安航空发动机公司利用自制的电源设备配以进口的等离子焊枪 实现 了某航空发动机工艺的改进 南京船舶设备配件有限公司从美国引进的等离子 粉末喷焊机对气阀阀面 阀座阀面进行有效的强化处理 并对杆身 端部进行 各种强化 以保证可靠的性能 取得了良好的效果 在控制方面 等离子弧热 喷焊工艺程序比较复杂 等离子焊接设备中要控制的对象比较多 包括转移弧 整流电源 高频振荡电源 喷焊机床 送粉器 摆动机构等 对其中任何一部 分的改进都可能影响喷焊层的性能 使用传统的继电器逻辑电路及二极管矩阵 逻辑电路作为程控系统 系统组件集成程度不高 维修或因加工对象改变而修 改工艺程序时均不方便 系统反应也比较速度慢 适于在设备中引入单片机或 可编程控制器 以提高设备的稳定性 可靠性和工艺适应性 5 兰州理工大 学研制了以高性能单片机80C196KC为核心组成的自动等离子弧热喷焊控制系统 实现了等离子弧热喷焊设备的小型化 控制微机化和操作自动化 南昌航空工 业学院进行了用可编程控制器改进等离子弧热喷焊装置的研究 并通过试验证 明该控制系统抗高频干扰能力强 运行可靠 目前 随着等离子弧热喷焊技术 的研究不断深入 等离子弧热喷焊设备正向设备大功率 小型化 喷焊过程智 能化和等离子弧喷枪高效大功率化方向发展 随着近代高新技术的发展 复合 材料得以广泛的研究和应用 等离子弧热喷焊技术所采用的粉料易于调节 是 一种制备复合材料的新方法 同时 等离子弧热喷焊可利用喷焊枪自身的摆动 制备厚度和面积都比较大的块材 根据天津大学杜则裕等人对铁基粉末 Ee07 Fe9A的研究 采用等离子弧热喷焊工艺可以提高金属零件表面的耐磨 耐腐蚀性能 获得符合质量要求的喷焊层 对于改善机械零件的表面性能有重 要意义 昆明理工大学利用等离子弧热喷焊技术制取了AI 203一 0y复合粉末 焊层 在质量分数为60 的硫酸与磷矿粉组成的混合介质中的抗腐抗磨能力为 l8 8不锈钢的7 46倍 为德产316L不锈钢的4 o6倍 应用在煤矿机械中 利 用等离子弧热喷焊技术喷焊铁基合金 30 WC能使煤矿井下溜煤道所用16Mn钢衬 板寿命提高约15倍 同时也减少停机检修造成的经济损失 在石化工业中 在 石油 化工行业中关键零部件 阀座 阀芯等 喷焊Ni基 co基材料对提高重要 部件的耐磨 耐腐蚀及高温性能有良好效果 三 热喷焊技术存在的问题 与喷涂相比 热喷焊的优点显著 但由于重熔过程中基体局部受热后温 度达 900 会产生较大热变形 因此 喷焊的使用范围有一定局限性 热 喷焊的缺点在于零件基体受热大 易变形 不适用于薄壁零件的修复 6 适于喷焊的零件和材料一般是 各种碳钢 低合金钢的工件表面载荷 大 特别是受冲击载荷 要求涂层与基体结合强度在 350 450N mm2 的工件 喷焊硬度 HRC150 65 涂层厚度从 0 3 至数毫米 喷焊层经磨削加工后表面粗 糙度可达 Ra0 4 0 1 m 以上 在腐蚀介质中使用 要求涂层致密 无孔 隙 工件表面原设计采用淬火 渗碳 渗氮 镀硬铬等工艺 要求表面有 很高的硬度 工件工作环境恶劣 如受强烈的磨粒磨损 冲蚀磨损 气蚀等 等 氧 乙炔焰合金粉末喷焊工艺适应各种碳钢 低合金钢零部件的表面 强化或修复 但应注意到零件材质的一些特点 当基体材质的线胀系数与合金 喷焊层的线胀系数差别较大时小于 12 10 6 大于 12 10 6 则应慎用 此工艺 以免造成裂纹 若基体金属中与氧亲合力大的元素含量较多如钨和钼 的含量大于 3 铝 镁 钴 钛 钼等元素总含量大于 0 5 或钢中含硫量 较多时 也会给喷焊带来困难 这是因为这些材料与氧作用极易生成致密而稳 定的氧化膜 阻挡熔融合金对基体的润湿作用 重熔时液态合金会呈珠状象 汗珠 一样地滚落 因此在采用喷焊工艺时 应该注意此工艺对于所喷基体 材料的适应性 无需特殊处理就可喷焊的金属材料 含碳量 0 25 的碳素结构钢 Mh Mo V Cr Ni 总含量 3 的合金结构 钢 18 8 不锈钢 镍不锈钢 灰铸钢 可锻铸铁 球墨铸铁 低碳纯 铁 紫铜 需预热 250 375 喷焊后需缓冷的金属材料 含碳量 0 4 的碳素结构钢 Mn Mo V Ni 的总含量 3 的合金结构钢 含铬量 2 的合金结构钢 喷焊后需等温退火处理的金属材料 含 铬量 13 的马氏体不锈钢 含碳量 0 4 的镍钼合金结构钢 7 不不能能采采用用喷喷焊焊工工艺艺的的是是 低于合金熔点的材料 如铝及其合金 镁及其 合金 黄铜 青铜 工件是细长的轴类或是很薄的板材而又不允许变形的 工件原设计要求很高 金相组织不允许有任何改变的 可硬性高的 镍铬钼合金钢 含铬量 18 的马氏体高铬钢 7 四 热喷焊技术发展前景 如上文所述 热喷焊技术可用于制备性能优良的复合材料 因此 如何改 变粉料的不同配比 使复合材料层与层之间的成分达到连续变化 同时通过调 节射流的速度和温度等工艺参数 使组织具有一定程度的变化 以制备性能优 越的梯度功能复合材料 对生产和科研工作都具有积极意义 在设备控制方面 在热喷焊设备中引入可编程控制器对设备进行控制的方法已逐步得到应用 但 是许多人将 PLC 仅作为一种逻辑顺序控制器替代传统的继电器控制系统 使 PIE 的软件功能不能充分发挥 8 因此在增强设备的工艺适应性和稳定性 更好的发挥 PIE 控制的软件功能方面 有广泛的研究前景 综上所述 热喷焊技术是一种具有发展前景的表面强化技术 随着工业发 展 对机械产品的寿命和新材料的制备都提出了更高的要求 9 等离子弧热 喷焊的产品质量稳定 且易于实现自动化 尤其在修补 如喷嘴环 转子等一 些昂贵的零部件时 有着显著的经济性和可靠性 随着等离子焊接设备和工艺 的发展 将在生产和维修中发挥越来越重要的作用 10 五 参考文献 1 邓世均 迎接热喷涂工业的兴起 J 材料保护 2000 33 I 78 82 2 王惜宝 张文钺 等离于弧粉末堆焊过程中粉末颗粒的输运行为 J 焊接 学报 2000 21 4 33 37 3 陈焕明 等离子喷焊过程的PI 控制 J 新技术新工艺 2003 7 35 37 4 陈克选 赫晓龙 李存旭 等离子喷焊单片机