等离子表面处理技术发展及应用学习教案

1、会计学1等离子表面处理技术发展等离子表面处理技术发展(fzhn)及应用及应用第一页，共55页。磨损磨损(m sn) 为满足为满足(mnz)表面耐磨性能和耐腐蚀性表面耐磨性能和耐腐蚀性能能机械零部件失效机械零部件失效 腐蚀腐蚀 表面改性处理表面改性处理断裂断裂第1页/共55页第二页，共55页。喷涂层喷涂层激光束、电子束、离子束等为代表的高能束激光束、电子束、离子束等为代表的高能束表面改性新技术，具有表面改性新技术，具有(jyu)广阔的工业应用前景广阔的工业应用前景 传统表面传统表面(biomin)改性技术改性技术 渗层渗层镀层镀层第2页/共55页第三页，共55页。在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上

2、发展起来的。在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的。 热喷涂：技术成熟，应用广泛，但涂层与基体的热喷涂：技术成熟，应用广泛，但涂层与基体的结合力差，不能承受冲击载荷；结合力差，不能承受冲击载荷； 堆焊：设备简单，操作灵活，但电弧不稳定，组堆焊：设备简单，操作灵活，但电弧不稳定，组织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、稀织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、稀释率高等缺陷，生产效率释率高等缺陷，生产效率(xio l)低，合金元素浪费低，合金元素浪费大等；大等； 激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观好激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观好、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但生产效率

3、、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但生产效率(xio l)低，能量利用率低，设备投资大、维护费用高、低，能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成本高。使用成本高。第3页/共55页第四页，共55页。1 1 等离子束表面处理的优点等离子束表面处理的优点2 2 等离子束表面强化原理等离子束表面强化原理3 3 等离子束表面强化方式等离子束表面强化方式(fngsh)(fngsh)4 4 等离子束表面强化机理等离子束表面强化机理5 5 近年来开展的工作近年来开展的工作第4页/共55页第五页，共55页。 压缩电弧压缩电弧(dinh)：与一般的电弧：与一般的电弧(dinh)相比温度高、相比温度高、能量集中。能

4、量集中。等离子发生器工作时，在阴极和阳极之间加一高频高压等离子发生器工作时，在阴极和阳极之间加一高频高压电，使其间的气体介质电，使其间的气体介质Ar气电离形成电弧气电离形成电弧(dinh)，此，此电弧电弧(dinh)柱在经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这柱在经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为种作用称为“机械压缩机械压缩”。同时通过的高压气体介质均。同时通过的高压气体介质均匀地包围在电弧匀地包围在电弧(dinh)周围，使弧柱受到强烈的冷却，周围，使弧柱受到强烈的冷却，迫使带电粒子流向弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩，迫使带电粒子流向弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为这种作用称为“热

5、压缩热压缩”。此外带电粒子在弧柱中的运。此外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的动可看成是在一束平行的“导线导线”内移动，其自身的磁内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这些场所产生的电磁力，使这些“导线导线”互相吸引靠近，弧互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩柱又进一步被压缩,这种压缩作用称为这种压缩作用称为“磁压缩磁压缩” 。在上。在上述三种压缩作用下，弧柱被缩小到很细的范围内，并且述三种压缩作用下，弧柱被缩小到很细的范围内，并且由柔性变为刚性，能量密度高度集中，心部温度可达由柔性变为刚性，能量密度高度集中，心部温度可达104，称为等离子束。，称为等离子束。第5页/共55页第六页，共55

6、页。 第6页/共55页第七页，共55页。等离子熔覆基本原理图等离子熔覆基本原理图等离子熔覆等离子熔覆示意示意图图第7页/共55页第八页，共55页。高能高能(gonng)束熔覆束熔覆示意图示意图第8页/共55页第九页，共55页。等离子熔覆等离子熔覆示意示意图图第9页/共55页第十页，共55页。等离子熔覆等离子熔覆示意示意图图第10页/共55页第十一页，共55页。等离子束能量密度高、温度高、加热速度等离子束能量密度高、温度高、加热速度(sd)(sd)快、快、时间短时间短, ,处理工件变形小或无变形处理工件变形小或无变形, ,工作效率高工作效率高等离子束表面改性技术，一次性投资只有激光等离子束表面改

7、性技术，一次性投资只有激光的的1/3-/1/21/3-/1/2，运行成本只有激光处理，运行成本只有激光处理(chl)(chl)的的1/31/3，且硬化效果与激光相当，是，且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面工程技术。非常有前途的表面工程技术。第11页/共55页第十二页，共55页。等离子表面强化的基本原理是利用用氩气或氮气等气体放等离子表面强化的基本原理是利用用氩气或氮气等气体放电形成压缩电弧的高密度能量束（等离子束），其能量密电形成压缩电弧的高密度能量束（等离子束），其能量密度达数百度达数百kW/cm2kW/cm2，弧柱中心温度可达，弧柱中心温度可达1000010000，加热速度，加热速度

8、非常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在非常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短瞬间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短，加热层很浅，靠工件自身，加热层很浅，靠工件自身(zshn)(zshn)以很大冷却速度快以很大冷却速度快速冷却，形成细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合速冷却，形成细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合物等高硬度组织，从而实现表面强化之目的。物等高硬度组织，从而实现表面强化之目的。第12页/共55页第十三页，共55页。（1 1）固态）固态(gti)(gti)相变相变硬化硬化 等离子束流等离子束流

9、快速扫描快速扫描(somio)工工件件工件被加热到固工件被加热到固态相变温度以上态相变温度以上依靠工件自身快速冷依靠工件自身快速冷却发生淬火却发生淬火淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出20%20%以上，耐磨以上，耐磨性可提高性可提高2 23 3倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌无倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌无改变，可直接使用。改变，可直接使用。第13页/共55页第十四页，共55页。3 等离子表面强化等离子表面强化(qinghu)方式方式（2 2）表面）表面(biomin)(biomin)熔熔凝硬化凝硬化 等离子束流等离子束流快速快速(

10、kui s)扫描工件扫描工件表面形成表面形成熔池熔池依靠工件自身冷却和向依靠工件自身冷却和向空气散热空气散热快速凝固快速凝固硬化效果显著，但硬化层的形成过程中，发生了液态到固态的硬化效果显著，但硬化层的形成过程中，发生了液态到固态的转变，产生铸造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固转变，产生铸造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固反应而突起，采用该种硬化方式处理的工件，一般需经过珩磨反应而突起，采用该种硬化方式处理的工件，一般需经过珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸铁和高合金钢后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸铁和高合金钢） 第14页/共55页第十五页，共55页。3

11、 等离子表面等离子表面(biomin)强化方式强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)表面预涂敷表面预涂敷合金粉末合金粉末(fnm)(fnm)或或同步送粉同步送粉等离子束流快速扫等离子束流快速扫描工件描工件，合金元素合金元素熔入等离子束扫熔入等离子束扫描形成的微熔池描形成的微熔池中，反应形成新中，反应形成新相相依靠工件自身依靠工件自身快冷和向空气快冷和向空气散热散热快速凝固快速凝固 第15页/共55页第十六页，共55页。3 等离子表面强化等离子表面强化(qinghu)方式方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)

12、基体材料：基体材料：碳钢：碳钢：Q235、20、45、16Mn合金合金(hjn)钢：钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ；铸铁：铸铁：HT200、QT600、合金、合金(hjn)铸铁；铸铁；有色金属合金有色金属合金(hjn)：Al合金合金(hjn)、Ti 合金合金(hjn) 第16页/共55页第十七页，共55页。3 等离子表面等离子表面(biomin)强化强化方式方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)熔覆材料：熔覆材料：铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉

13、末需要时加入：需要时加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷等陶瓷(toc)相提高硬相提高硬度度 第17页/共55页第十八页，共55页。3 等离子表面强化等离子表面强化(qinghu)方式方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)熔覆材料：熔覆材料：铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大铁基合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大铁铬硅硼合金粉末：铁铬硅硼合金粉末：50HRC以上，适用于铁路钢轨的修补以上，适用于铁路钢轨的修补,以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件(ln ji

14、n)的强化和修复。的强化和修复。第18页/共55页第十九页，共55页。3 等离子表面强化等离子表面强化(qinghu)方方式式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)熔覆材料：熔覆材料：镍基合金粉末镍基合金粉末(fnm)：熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化：熔覆层耐磨、耐蚀、抗氧化镍铬硼硅合金粉末镍铬硼硅合金粉末(fnm)：2565HRC，综合性能优良，综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种低应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过，各种低应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过700

15、 的零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。的零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。 第19页/共55页第二十页，共55页。3 等离子表面等离子表面(biomin)强化方式强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化(qinghu)(qinghu)熔覆材料：熔覆材料：钴基合金粉末：熔覆层具有钴基合金粉末：熔覆层具有(jyu)优良的高温性能，较好的热强性优良的高温性能，较好的热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。 一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。如高温高压一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。如高温高压阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及用于热腐

16、蚀条件下的阀门板和阀座，各种发动机的排气阀密封面以及用于热腐蚀条件下的飞机发动机部件飞机发动机部件 等。等。第20页/共55页第二十一页，共55页。4 4 等离子束表面等离子束表面(biomin)(biomin)强化机理强化机理等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固(nngg)过程。过程。（1）相变硬化）相变硬化（2）细晶强化）细晶强化（3）弥散强化）弥散强化（4）固溶强化）固溶强化第21页/共55页第二十二页，共55页。5 5 近几年来开展近几年来开展(kizhn)(kizhn)的工作的工作1) 1) 等离子束扫描速度等离子束扫描速度(sd)(sd)对硼

17、铸铁微熔处理硬化层组对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的织与性能的 影响（影响（20052005届毕业设计，材控届毕业设计，材控0101级级 李征）李征）2) 2) 等离子束表面熔覆等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层的组织和性能（涂层的组织和性能（20062006届届 毕业设计，材科毕业设计，材科0202级级 鲁煜）鲁煜）3) 316L3) 316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层的组织与性能（基合金涂层的组织与性能（2007 2007 届毕业设计，材科届毕业设计，材科0303级级 谢涛）谢涛）4) H134) H13钢等离子熔覆钢等离子熔覆NiNi基

18、合金基合金35%W35%W涂层的组织与性能（涂层的组织与性能（20082008届毕业设计，材科届毕业设计，材科0404级级 刘海青）刘海青）5) 5) 等离子熔凝处理对球铁组织及性能的影响（等离子熔凝处理对球铁组织及性能的影响（20092009届毕业届毕业设计，材科设计，材科0505级级 吴广东）吴广东）6) H136) H13模具钢等离子熔凝处理硬化层的组织和性能（模具钢等离子熔凝处理硬化层的组织和性能（20102010届届毕业设计，材科毕业设计，材科0606级级 王硕）王硕）7) 3047) 304不锈钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究（不锈钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究（20

19、112011届毕业设计，材科届毕业设计，材科0707级级 栗志涛）栗志涛）第22页/共55页第二十三页，共55页。5 5 近几年来开展近几年来开展(kizhn)(kizhn)的工作的工作 等离子束扫描速度等离子束扫描速度(sd)(sd)对硼铸铁对硼铸铁 微熔处理硬化层组织与性能的影响微熔处理硬化层组织与性能的影响第23页/共55页第二十四页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理(chl)(chl)硬化层组织与硬化层组织与性能的影响性能的影响第24页/共55页第二十五页，共55页。等离子束扫描速度等离子束扫描速度(sd)(sd)对硼铸铁微熔处理硬化对硼铸铁微

20、熔处理硬化层组织与性能的影响层组织与性能的影响第25页/共55页第二十六页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织(zzh)(zzh)与性能的影响与性能的影响图图 3 3 熔化熔化(rnghu)(rnghu)区组织区组织 莱氏体少量未莱氏体少量未溶石墨溶石墨 400 400 第26页/共55页第二十七页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理(chl)(chl)硬化硬化层组织与性能的影响层组织与性能的影响图5 熔化(rnghu)区上部SEM照片 3000图6 熔化(rnghu)区中部SEM照片 3000

21、图7 熔化区底部SEM照片 3000第27页/共55页第二十八页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织(zzh)(zzh)与性能的影响与性能的影响图图5 5 固态相变区固态相变区SEMSEM组织：针状马氏体残余奥氏体片状组织：针状马氏体残余奥氏体片状石墨少量含硼碳化物和磷共晶石墨少量含硼碳化物和磷共晶( (nn jn jn) )的复合组的复合组织织（a a）右边）右边(yu bian)(yu bian)为熔化区为熔化区底部底部 500 500（b b）相变区上部放大组织）相变区上部放大组织 3000 3000 第28页/共55页第二十九

22、页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织(zzh)(zzh)与与性能的影响性能的影响 图图9 9 相变区与基体交界处相变区与基体交界处SEMSEM组织组织(zzh) (zzh) 针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和磷针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和磷共晶的复合组织共晶的复合组织(zzh) 2000(zzh) 2000右边靠近相变区为非完全淬火区，左边靠近基体右边靠近相变区为非完全淬火区，左边靠近基体第29页/共55页第三十页，共55页。等离子束扫描速度对硼铸铁等离子束扫描速度对硼铸铁(zhti)(zhti)微熔处

23、理硬化层微熔处理硬化层组织与性能的影响组织与性能的影响 针状马氏体珠光体残余针状马氏体珠光体残余(cny)(cny)奥氏体片状石墨含硼碳奥氏体片状石墨含硼碳化物和化物和硬化层的显微硬度硬化层的显微硬度(yngd)分布曲线分布曲线 硬化层的硬化层的耐磨性是耐磨性是基体的基体的3倍倍 第30页/共55页第三十一页，共55页。5 5 近几年来开展近几年来开展(kizhn)(kizhn)的工作的工作等离子束表面等离子束表面(biomin)(biomin)熔覆熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层的涂层的组织和性能组织和性能第31页/共55页第三十二页，共55页。铸铁铸铁(zhti)(zhti

24、)表面等离子熔覆表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层的涂层的组织和性能组织和性能a)b)c)d)e)f)表示从表层表示从表层(biocng)到结合界面的组织到结合界面的组织第32页/共55页第三十三页，共55页。熔覆层的组织熔覆层的组织(zzh)，（，（Cr,Fe）7C 3 三维形貌三维形貌铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层的组织涂层的组织(zzh)(zzh)和性能和性能第33页/共55页第三十四页，共55页。熔覆层组织熔覆层组织(zzh)铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层涂层(t

25、 cn(t cn) )的组织的组织和性能和性能第34页/共55页第三十五页，共55页。图图4 4 熔覆层界面熔覆层界面(jimin)(jimin)组织组织 铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层涂层(t cn(t cn) )的组的组织和性能织和性能第35页/共55页第三十六页，共55页。铸铁表面铸铁表面(biomin)(biomin)等离子熔覆等离子熔覆Fe-Fe-Cr-Si-BCr-Si-B涂层涂层铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层涂层(t cn(t cn) )的组的组织和性能织和性能第36页/共55页第

26、三十七页，共55页。a a）熔覆层）熔覆层 b) b)基体基体图图8 8 试样磨损试样磨损(m sn)(m sn)后表面的后表面的SEMSEM形貌形貌 等离子熔覆处理等离子熔覆处理(chl)后其耐磨性提高了约后其耐磨性提高了约5倍。倍。 铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂层涂层(t cn(t cn) )的组织和性能的组织和性能第37页/共55页第三十八页，共55页。5 5 近几年来开展近几年来开展(kizhn)(kizhn)的工作的工作 316L 316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆 Ni Ni基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组织

27、与的组织与耐蚀性能耐蚀性能第38页/共55页第三十九页，共55页。熔覆道宏观熔覆道宏观(hnggun)(hnggun)形貌形貌316L316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组的组织与耐蚀性能织与耐蚀性能第39页/共55页第四十页，共55页。熔覆层低倍形貌熔覆层低倍形貌(xn(xn mo) mo)316L316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组织的组织与耐蚀性能与耐蚀性能第40页/共55页第四十一页，共55页。熔覆层组织熔覆层组织(zzh)(zzh)316L316L不锈钢等离子熔覆

28、不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组织与耐蚀的组织与耐蚀性能性能第41页/共55页第四十二页，共55页。熔覆层与基体熔覆层与基体(j t)(j t)的界面组织的界面组织316L316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组织与耐的组织与耐蚀性能蚀性能第42页/共55页第四十三页，共55页。熔覆层的熔覆层的X X射线衍射射线衍射(ynsh)(ynsh)图图316L316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组织与耐的组织与耐蚀性能蚀性能20406080100020040060080010001200140016001800 Intensity2-Ni,FeCr23C6第43页/共55页第四十四页，共55页。界面界面(jimin)(jimin)处的溶质分布处的溶质分布316L316L不锈钢等离子熔覆不锈钢等离子熔覆NiNi基合金涂层基合金涂层(t cn(t cn) )的组的组织与耐蚀性能织与耐蚀性能第44页/共55页第四十