等离子表面处理技术发展及应用.ppt课件

1、磨损磨损 为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性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，具有广阔的工业应用前景表面改性新技术，具有广阔的工业应用前景 传统表面改性技术传统表面改性技术 渗层渗层镀层镀层在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的在热喷涂、堆焊、激光熔覆等基础上发展起来的。 热喷涂热喷涂：技术：技术成熟成熟，应用广泛应用广泛，但，但涂层与基体涂层与基体的结合的结合力差，不能承受冲击载荷；力差，不能承受冲击载荷； 堆焊堆焊：设备

2、简单，操作灵活，但电弧不稳定设备简单，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、组织成分极不均匀，易出现夹杂、过烧、烧不透、稀释率高等缺陷，生产效率低，合金元素浪费大等；稀释率高等缺陷，生产效率低，合金元素浪费大等； 激光熔覆激光熔覆：涂层与基体呈冶金结合，涂层外观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，好、硬度高、耐磨性好、抗冲击等，但但生产效率低，生产效率低，能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成本高。本高。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

3、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 压缩电弧压缩电弧：与一般的电弧相比温度高、能量集中。与一般的电弧相比温度高、能量集中。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，此电弧柱在气电离形成电弧，此电弧柱在经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为经过细孔道的喷嘴时被强迫缩小，这种作用称为“机械机械压缩压缩”。同时通过的高压气体介质均匀地包围在电弧周。同时通过的高压气体介质

4、均匀地包围在电弧周围，使弧柱受到强烈的冷却，迫使带电粒子流向弧柱中围，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，这种作用称为心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为“热压缩热压缩”。此外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的此外带电粒子在弧柱中的运动可看成是在一束平行的“导线导线”内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这些些“导线导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩,这种压这种压缩作用称为缩作用称为“磁压缩磁压缩” 。在上述三种压缩作用下，弧柱。在上述三种压缩作用下，弧柱被缩小到很细的范围内

5、，并且由柔性变为刚性，能量密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，心部温度可达度高度集中，心部温度可达104，称为等离子束。，称为等离子束。 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高能束高能束熔覆熔覆示意示意图图等离子熔覆等离子熔覆示意示意图图等离子熔覆等离子熔覆示意示意图图 等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、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, ,工作效率工作效率高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性技术，一次性投资只有激光的的1/3-/1/

6、21/3-/1/2，运行成本只有激光处理的，运行成本只有激光处理的1/31/3，且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面工程技术。工程技术。 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/cmkW/cm2 2，弧柱中心温度可达，弧柱中心温度可达1000010000，加热速度非，加热速度非常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度

7、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，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，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成加热层很浅，靠工件自身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、高硬度化合物等高硬度组细密的白口组织、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。织，从而实现表面强化之目的。（1 1）固态相变硬化）固态相变硬化 等离子束流等离子束流快速扫描工件快速扫描工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依靠工件自身快速冷却发生淬火速冷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

8、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。无改变，可直接使用。3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（2 2）表面熔凝硬化）表面熔凝硬化 等离子束流等离子束流快速扫描工件快速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依靠工件自身冷却和向空气散热向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，熔凝硬化层因的转变，产生铸造

9、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，一般需经过珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸铁和过珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸铁和高合金钢）高合金钢） 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化表面预涂敷表面预涂敷合金粉末或合金粉末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描熔入等离子束扫描形成的微熔池中，形成的微熔池中，反应形成新相反应形成新相依靠工件自身快依靠工件自身快冷和向空气散热冷

10、和向空气散热快速凝固快速凝固 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化基体材料：基体材料：碳钢碳钢：Q235、20、45、16Mn合金钢合金钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ；铸铁：铸铁：HT200、QT600、合金铸铁；、合金铸铁；有色金属合金：有色金属合金：Al合金、合金、Ti 合金合金 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化熔覆材料：熔覆材料：铁基铁基合金粉末、合金粉末、镍基镍基合金粉末、合金粉末、钴基合金粉末钴基合金粉末需要时加入：需要时加

11、入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度等陶瓷相提高硬度 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化熔覆材料：熔覆材料：铁铁基基合金粉末：合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大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的强化和修复。的强化和修复。3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化熔覆材料：熔覆材料

12、：镍基镍基合金粉末：合金粉末：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：2565HRC，综合性能优良，用途广综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种低泛，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应力磨料磨损的零件，耐蚀件和工作温度不超过700 的的零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（3 3）等离子束熔覆强化）等离子束熔覆强化熔覆材料：熔覆材料：钴钴基基合金粉末：合金粉末：熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强

13、熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能。性、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蚀条件下的飞机发动机部件用于热腐蚀条件下的飞机发动机部件 等。等。4 4 等离子束表面强化机理等离子束表面强化机理等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固过程。等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固过程。（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

14、化5 5 近几年来开展的工作近几年来开展的工作1) 1) 等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的 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)3) 316L 316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆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，

15、材科0303级级 谢涛）谢涛）4 4) ) H13 H13钢等离子熔覆钢等离子熔覆NiNi基合金基合金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届毕业设届毕业设计，材科计，材科0505级级 吴广东）吴广东）6 6) ) H13 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 7) ) 304不锈

16、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（20112011届毕业设计，材科届毕业设计，材科0707级级 栗志涛）栗志涛）5 5 近几年来开展的工作近几年来开展的工作 等离子束扫描速度对硼铸铁等离子束扫描速度对硼铸铁 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等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁

17、微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响图图 3 3 熔化区组织熔化区组织 莱氏体少量未溶石墨莱氏体少量未溶石墨 400400 等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响图5 熔化区上部SEM照片 3000图6 熔化区中部SEM照片 3000图7 熔化区底部SEM照片 3000等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响图图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的复合组织石墨少量

18、含硼碳化物和磷共晶的复合组织（a a）右边为熔化区底部）右边为熔化区底部 500 500（b b）相变区上部放大组织）相变区上部放大组织 3000 3000 等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织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 针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和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磷共晶的复合组织 20002000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，左边靠近基体等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化

19、层组织与等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响性能的影响 针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和硬化层的显微硬度分布曲线硬化层的显微硬度分布曲线 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 5 5 近几年来开展的工作近几年来开展的工作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涂层的组织和性能涂层的组织和性能a)b)c)d)e)f)表示从表层到结合界面的组织表示从表层到结合界面的组织

20、熔覆层的组织，（熔覆层的组织，（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涂层的组织和性能涂层的组织和性能熔覆层组织熔覆层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涂层的组织和性能涂层的组织和性能图图4 4 熔覆层界面组织熔覆层界面组织 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涂层的组织和性能涂层的组织和性能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涂层涂层铸铁表面等离子熔覆铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-BFe

21、-Cr-Si-B涂层的组织和性能涂层的组织和性能a a）熔覆层）熔覆层 b)b)基体基体图图8 8 试样磨损后表面的试样磨损后表面的SEMSEM形貌形貌 等离子熔覆处理后其耐磨性提高了约等离子熔覆处理后其耐磨性提高了约5 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涂层的组织和性能涂层的组织和性能5 5 近几年来开展的工作近几年来开展的工作 316L316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆 NiNi基合金涂层的组织与耐蚀性能基合金涂层的组织与耐蚀性能熔覆道宏观形貌熔覆道宏观形貌316L316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆NiNi基合金涂层的组织与耐蚀性能基合金涂层的组织与耐蚀性能熔覆层低倍形貌熔覆层低倍形貌316L316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆NiNi基合金涂层的组织与耐蚀性能基合金涂层的组织与耐蚀性能熔覆层组织熔覆层组织316L316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆NiNi基合金涂层的组织与耐蚀性能基合金涂层的组织与耐蚀性能熔覆层与基体的界面组织熔覆层与基体的界面组织316L316L不锈钢不锈钢等离子熔覆等离子熔覆NiNi基合金涂层的组织与耐蚀性能基合金涂层的组织与耐蚀性能熔覆层的熔覆层的X X射线衍射图射线衍射图316L316L不