激光所材料大

1、第一章 绪论1.1 课题来源锅炉高、低温过热器和再热器受飞灰磨损及管面腐蚀引起的爆管和泄漏是我国电力锅炉在运行中经常发生的事故之一。国内外虽然经过多年的研究，但是至今为止仍没有从根本上解决这一问题，锅炉管磨损爆管在不同容量的锅炉均有发生，严重影响电厂机组的稳定运行。飞灰磨损是常见的造成锅炉管面腐蚀的重要原因，行业内这样定义飞灰磨损Si02、Al2O3、 Fe203飞灰中含有等硬颗粒，这些硬质颗粒高速冲刷电厂锅炉管子管表面，使得锅炉管管面磨损，最终造成锅炉管爆管和以下几个方面的是使锅炉管产生失效的主要原因。Si02、Al2O3、 Fe203 等硬颗粒夹带在燃煤锅炉飞灰中；烟气含灰浓度分布不均，局

2、部灰浓度过高；局部烟气速度过高，如积灰时，烟气通道变小，烟气或管子的整体烟速偏高。速度得以增大；以锅炉管面腐蚀为例进行分析。当燃用含有一定量硫、钠和钾等化合物的燃料时，在 550700的金属管壁上还会发生高温腐蚀，在过热器与再热器受热面中易发生的主要是高温腐蚀。受热面管子磨损程度在同一烟道截面和同一管子圆周都是不同的。当燃用 K、Na、S 等成分含量较多的煤时，灰垢中 K2S04 和Na2S04；在含有 SO2的烟气中会与管表面氧化铁作用形成碱金属复合硫酸盐K2Fe(S04)5 及 Na5Fe(S04)5，这种复合硫酸盐在 550710范围内熔化成液态，具有强烈腐蚀性，在壁温 600700时腐

3、蚀最严重。本文对锅炉管高频熔覆感应加热机理、熔覆系统及熔覆工艺进行研究。设计制造出具有精确进给和稳定进给能力的高频熔覆数控机床和可对高频熔覆过程实时监测和控制的高频熔覆控制系统，同时将熔覆机床系统和熔覆检测控制系统整合集成以对锅炉管进行高频感应熔覆及对熔覆过程进行实时检测为一体的完善系统，并进行相关的熔覆实验，优化工艺参数。该系统集熔覆、检测、控制于一体，对提高锅炉管高频熔覆效率具有重要意义。为实现在锅炉管表面熔覆耐热、耐蚀、耐磨、耐高温且与管基体冶金结合的合金层，课题组研制了一套锅炉管高频熔覆设备。它主要由以下 9 个主要部分组成：高频感应加热电源、高频熔覆头、数控熔覆机床、适用于送粉熔覆工

4、艺的送粉系统、高频熔覆熔池温度检测系统、高可靠性的运动数字控制系统、人机交互数控操作柜、锅炉管高频熔覆构及原理图如图 1-1 所示。材料和工艺数据库等。其系统结1.2 表面改性技术磨损、腐蚀和断裂是机械零件、工程构件的三大主要破坏形式，其中由于磨损、腐蚀导致的构件失效与相应的经济损失占非常大的比例1。有关研究表明，工件表面的磨损和腐蚀造成的损失约占国民经济总产值的 2%-4%2。一般情况下，磨损和腐蚀都是发生于基体表面的材料损耗，而且其他形式的机件失效有很多是从表面开始的，采用表面防护措施即表面改性技术延缓和控制机件失效，成为解决上述问题的有效方法。表面改性技术通过对基体材料表面采用化学的、物

5、理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机械零件的材料性能。常用的基材表面形成合金保护层的表面强化技术有电镀、化学镀、热喷涂、喷焊、熔覆等这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、等各种新的特性，使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，可靠性得到增加了、使用 延长，表面强化技术具有很大的经济意义和推广价值3。电镀工艺对工件表面有一定的要求，首先要对工件表面进行整平、脱脂、酸洗（除锈）、浸蚀等处理，然后才能采用合适的电镀液进行电镀。因而电镀对象选择有很大的局限性。现在单金属电镀中镀镍、镀铬、镀锌、镀铜、镀锡等这些材料的电镀工艺相对比较

6、成熟。化学镀也称为无电解镀，是一种不使用外电源，而利用还原剂使熔液中的金属离子在基体表面还原沉积的化学处理方法。化学镀工艺不包含如电镀工艺所涉及到的直流电源设备部分，因而其前处理工艺比较简单，故化学镀工艺可以应用于金属或者非金属材料的镀覆。因为化学镀不使用外电源，可以不考虑电流分布的影响，所以在形状复杂的零件表面，照样也能获得厚度均匀的镀层，而且本身还原剂的催化作用，可以得到任意厚度的镀层，重复镀双层时也有很高的结合力。镀层几乎没有孔隙，致密性良好；镀层硬度高、耐蚀性和耐磨性强。但是，渡液中氧化剂和还原剂同时存在，化学镀过程中沉积速率慢、工作温度高，所以化学镀耗费时间长，热影响区大4。热喷涂工

7、艺对工件基体的热影响较小,但是热喷涂制得的涂层结合力低,因而耐磨性差，同时涂层孔隙率高,使得耐腐蚀性受到影响5。喷焊的涂层与基体形成一定程度的冶金结合，因而结合力高，但由于喷焊对基体的热影响非常大、喷焊还存在涂层氧化烧损严重、涂层质量易受人为组织变化和形变要求很小的场合5, 6。影响等问题，因而较难用于对熔覆就是将合金粉末（Ni 基、Co 基、Fe 基）用某种粘结剂（玻璃、松香、油脂等）调和后，均匀地涂覆在基体表面，然后放入烘烤箱烘干，再使用某种高温源进行热处理，使得合金粉末熔化，最终合金粉末与基体形成一种冶金结合。对比传统的表面淬火、表面渗碳等工艺，表面熔覆具有以下优良特点：表面熔覆工艺处理

8、过的工件，其表面涂层具有硬度高、耐磨性良好、耐腐蚀性优良，而且涂层与基体间搭接属于牢固的冶金结合，这样使工件韧性高而表层具有高耐磨高耐蚀的特点。感应熔覆工艺不仅使工件的制造成本大大降低，也能更好地满足使用要求7,8。1.3 熔覆处理技术熔覆技术较多，根据加热方式不同，熔覆方法可以分为氧-乙炔火焰熔覆、氩弧熔覆、激光熔覆、等离子熔覆、感应熔覆等几种9。1.3.1 氧-乙炔火焰熔覆及氩弧熔覆氧-乙炔火焰熔覆由于氧-乙炔火焰的温度太低（小于 3000）,高温区域比较窄，熔覆时输入能量相对较小，不能满足熔覆工艺特殊的要求，目前主要用于喷入后重熔处理。氩弧熔覆热量集中，能量密度介于电弧和压缩弧之间，而且

9、一般实行手工操作，灵活性高。采用氩弧熔覆的涂层在加热冷却过程中无氧化烧损现象。氩弧熔覆技术是一种实用性很强的表面强化技术10。但是由于一般氩弧熔覆是手工操作，熔覆质量易受人为影响，熔覆层质量不稳定。1.3.2 激光熔覆自从 20 世纪中期激光器的研制成功以来, 激光已在打孔、切割、焊接、热处理、表面强化、快速成型等领域得到飞速发展。由于激光表面强化能显著提高金属零长使用表面的硬度、强度、耐蚀性和高温性能等，大大提高了产品质量，延，降低成本，因此激光表面强化在再制造领域备受青睐1113。激光熔覆作为激光表面强化领域的典型技术，它是利用低廉材料（如 A3 钢等）作基体，用高功率激光将某种高性能材料

10、熔敷到基体表面，生成一种新型的表面复合材料。激光熔覆具有对基材热影响小，熔覆材料范围广，熔覆层与基材结合强度高，熔覆层硬度均匀、无剥落、无气孔等优点。但是由于激光加工设备激光器价格昂贵，一次投入成本太大，CO2 激光器的光电转换效率10%,Nd:YAG 固体激光器光电转换效率 20%左右，半导体激光器的光电转换效率也在 40%上下，激光器整体光电转换效率偏低，以及目前难以实现大面积快速熔覆工件，使得激光熔覆技术尚未得到大面积推广应用14。1.3.3 等离子熔覆等离子熔覆需要一种特殊热源-热等离子弧。热等离子弧是二十世纪三十年代发展起来的一种新型热源，它的功率可以大到 150Kw,温度可高 30

11、000，经过几十年的发展，已经成为一项完善的技术，广泛应用与工业生产领域。等离子弧的能量介于激光和电弧之间，它比普通电弧更稳定、易于控制、容易实现大规模自动化生产、它也没有激光器价格昂贵、操作 、需要特殊的防护15。但等离子熔覆污染严重等缺点，使其在可持续先进加工技术领域应用受到限制16。1.3.4 感应熔覆感应熔覆技术是将电阻率、磁导率与基体材料不同的合金粉末预先涂敷于基体表面或者用同步送粉器将合金粉末送置于基体表面，当感应线圈通上交流电，线圈中会产生一个交变磁场，线圈中的工件产生涡流，涡流的趋肤效应产生大量的焦，这种电能转化为磁场能，磁场能转化为热能的过程使得合金涂层熔化，感应熔覆使得使涂

12、层与基体实现冶金结合，基体得到强化17,18。感应熔覆具有周期短、成本低、操作方便、对基体热影响小、获得的熔覆层硬度、耐磨性和耐蚀性均优于其他的方法；且熔覆层成形性好，表面平整，后续加工量比较少等特点，现已经得到大面积推广和普及19,20。感应熔覆可以分为以下四种，如表 1-1 所示高频感应熔覆具有明显的优点21241、加热速度快，热效率高；2、不燃烧气体，基本上不污染环境；3、 工作环境好，且成本低，其成本是同等厚度下电镀硬铬成本的 1/22/3,激光熔覆成本的 1/5；4、涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，没有夹渣；5、产品质量稳定，便于机械化和自动化；6、熔覆层圆整度高，后续加工余量小。

13、1.4 国内外研究现状1.4.1 国内研究现状近年来，感应加热向着高频感应钎焊、高频感应淬火、高频感应熔覆等方向快速发展，我国的部分高校以及在这些方面开展了大量的科学研究。哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家应加热的原理和特点，分析了高频感应钎焊设备中的主良的电源及合适的线圈是获得良好钎焊接头的前提25。的何鹏等阐述了高频感参数，另外强调优工业大学的丁毅等采用高频感应钎焊技术碳钢/不锈钢复合板，并对三种钎焊温度（910/930/950）下钎焊接头的显微组织进行了观察分析以试分析26。及钎焊接头组织的化学成分进制造厂的薛忠明等采用 Ag-Cu-Ti 钎料进钛合金与不锈钢异种金属组合薄壁小直径管路结

14、构的真空高频感应钎焊工艺试验研究，研究表明，影响钛合金与不锈钢高频感应钎焊接头质量与性能的最主要是钎焊接头形式27。兴平工程管理的杨国正对高频感应淬火过程中转向节产生裂纹的原因进行初步分析，加热温度过高，使得奥氏体晶粒粗大，导致高频感应淬件淬火开裂，应采取措施避免工件加热温度过高，如：键槽部位填塞紫铜片，增大感应圈与台阶部位间隙等28。辽宁工业大学机械工程与自动化学院的李卫民利用有限元ANSYS 对 45 钢制轴类零件的感应加热过程进行了电磁 / 热耦合场的模拟分析，得到高频频率范围内的感应电流透入深度随频率变化曲线，并列举了工件截面节点温度随淬火时间的变化情况。最后模拟数据与实际生产数据进行

15、了分析比较，验证了模拟结果的可靠性29。等采用了高频和中频两种方法在基材 45 钢淮海工学院化学工程系的熔覆 Ni 基合金粉末涂层，并研究了感应涡流在涂层中的分布规律，结果表明：高频感应比中频感应致热快，涂层组织更为致密，基体热影响更小30。中国矿业大学的张增志等研究了感应熔覆涂层涡流分布规律，并对涡流控制方法进行了探讨，利用 SEM(扫描电子显微镜)研究了高、中频感应熔覆涂层和基体显微组织的变化规律，结果表明熔覆前对涂层进行 200预热是实现涡流控制的有效措施31。工业大学的贺定勇等采用高频感应熔覆方法，以 Q235 低碳钢为基体，了不同含量的微米 WC(20wt%、30wt% 、40wt%

16、、50wt%、60wt%)余量为Ni60A 合金复合涂层，结果表明当 WC 含量达到 50wt%时，涂层的耐磨性最佳，相对耐磨性为 Ni60A 涂层的 6.5 倍32。兰州理工大学的张新子等针对冷敷涂层感应熔涂的工艺要求，设计出几种涂层保护配方，得出最佳涂层配合(wt%)为 75%的 SiO2、15%的 B2O3、10%的 Al2O3和 10%的外加物(铝粉和 MgO 粉)33。矿冶研究总院的张乐等采用四种粘结剂(松节油+乙醇、磷酸二氢铝、A粘结剂+乙醇、A+B 粘结剂)将 Ni60 合金粉末预涂在基材 45 钢表面。采用高频感备 Ni60 熔覆层，结果表明 A+B 粘结剂可以应重熔的方熔覆盖

17、效果良好的熔覆层，过渡区呈冶金结合34。四种粘结剂重熔时间及实验效果如表 1-2 所示。青岛理工大学许福海等，研究了粘结剂对高频感应熔覆涂层的影响。结果表明松香和松节油的混合物以及水玻璃，都可以作为高频感应熔覆冷预涂的粘结剂使用35。备了两种 Ni45B 合一种基础上，合金全部青岛理工大学的刘方强等采用高频感应熔覆的方金涂层，方法 A 只在真空箱中感应熔覆，方法 B 是熔融时增加了保温 10s 这一步骤，结果表明增加保温时间这一步骤可以使过渡层厚度增加(如图 1-3 所示)，涂层中的各种元素分布更加均匀(如图 1-4 所示)36。莱钢粉末冶金的等采用高频感应真空熔覆技术，钴基、镍基合金涂层，并

18、用扫描电子显微镜（SEM）观测到两种涂层都很致密；同时用显微硬度计测量涂层的硬度，表明镍基合金涂层的硬度要高于钴基合金涂层的硬度37。的许新军等采用高频感应熔覆方法在基体为 42o东华大学机械圆钢表面了 0.6mm 厚 WC 增强镍基合金熔覆层。观测了熔覆层的显微组织，白亮带形成表明基体和熔覆层呈冶金结合，WC 增强镍基合金熔覆层的显微组织均匀致密、无明显的气孔、熔覆层的平均显微硬度可达 600700HV0.238。1.4.2 国外研究现状国外在高频熔覆方面工作开展的比国内早，例如在 20 世纪 80 年代就开始了高频熔覆方面的研究。技术管理中心的H.NAKATA 和T.INOUE 等采用神户

19、制钢频熔铸技术进行钢胚熔铸实验，结果表明：电磁铸造技术有利于钢胚的成型及减少次表层的开裂和胚体表面39。的 Takuya Tamura 等研究了 Mg 基 AZ31 合金先进工业科学与在电磁场力作用下微观凝固成型机理，结果发现：在交流电频率取为 5002000Hz范围时，得到的试件的微观组织晶粒为精细的等轴晶粒，频率高于 2000Hz 或者小于 500Hz 得到粗大的组织40。的 Son Jin-Hyug 等对客车的中心柱进行了高频感应加韩国的机械工程热实验，结果表明：由硼钢制造的中心柱通过高频感应试验，硬度和强度显著增加41。的 Kim Na-Ri 等研究了通过高频感应加热快速烧结韩国金属T

20、iAl 合金，他们研究了在 2 分钟内用两种方法快速烧结TiAl 合金，一种采TiAl 合金粉末，另一种采用的是 Ti 和 Al 研磨粉末。结果TiAl 合金,得到前者的纳米颗粒大小为 40nm，后者为用的粉末是机械表明用高能球20nm42。楮拉隆可大学冶金工程系的 T.Umeda 和 P.Thirathipviwat 采用低频电磁铸造直径为 200mm 的 Al-10Zn-2.7Mg-2.3Cu 合金坯，得到的坯料的晶粒精细，尺寸约 50m，研究表明，低频电磁铸造能有效减少铸造冷却过程中热开裂43。1.5 研究内容、研究意义及技术路线1.5.1 研究内容具体研究内容主要包括如下几个方面：建立

21、锅炉管感应加热数理模型，分析不同熔覆参数下锅炉管高频熔覆中管壁温度场变化规律；锅炉管高频熔覆系统及相关配套设备（高频熔覆送粉器、侧向送粉嘴）的设计与开发；开展不同工艺条件下锅炉管高频熔覆试验，并对试验后的试样的显微组织、成分和硬度进试分析。1.5.2 研究意义高频感应熔覆技术处理过的回转体工件具有熔覆层厚度均匀、表面规整、耐高温、强度、耐磨和耐蚀性高等特点。国内外相关理论研究与应用表明，未来几年高频感应熔覆技术将向应用开发方向发展。钢铁、石油化工、冶金矿山、工程机械及再制造等行业有大量的柱状工件表面（如轧辊、抽油杆、截齿、支撑柱、柱塞、轴及重要零表面修复等）需要强化，发电厂行业急需成熟可行的生

22、产制造耐高温、耐腐蚀、耐磨损的复合锅炉管方法和对现有锅炉管进行强化修复或再制造工艺。例如锅炉管的加热温度由现有的 500600提高到 700，则电力锅炉效率提高 25%。高频感应熔覆技术应用于锅炉管表面强化是当前我国电力行业向着低碳、高效、环保方向发展的重要途径之一。高频感应以得到耐磨、耐蚀、高强度涂层。本文的研究，对于发展我国电力工业、有效降低企业生成本、提高生率生产效益、节能减排有重要意义；同时，对于建设资源节约型，环境友好型社会也具有非常重要意义，其应用前景、前景十分广阔。1.5.3 技术路线试验的工艺流程如图 1-5、图 1-6，主要从以下几个方面进行研究。第二章 高频感应加热原理2.

23、1 感应加热基本知识2.1.1 电磁感应和法拉第电磁感应定律1831 年 8 月，迈克尔.法拉第分别将两个线圈缠绕于一软铁环两侧，其中一组设为闭合回路，他并将一平行于导线磁针放置于该组导线下端附近，另外一组线圈与电池组相连，当开关闭合，有电源的闭合回路得以形成。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针向反方向偏转。这一实验现象表明感应电流存在于在无电池组的线圈中，这就是电磁感应，它为以后的一切感应加热奠定了深厚的基础。电磁感应本质上就是磁转化成电，电转化成磁的过程。感应加热的原理图如图 2-1 所示。从图 2-1 来看，当将通以交流电 I 的感应线圈包围金属工件时，相同频率的交变磁场（磁通

24、量为 ）将会形成于线圈与工件内的空间。在交变磁场的作用下，工件中将产生感应电动势 e，工件表面形成涡流。而涡流促使工件发热，进而工件加热得以实现。由法拉第电磁感应定律知，感应电动势 e 的大小为44：由式（2-4）可以得知，感应电动势与感应线圈的圈数 N、磁场变化的频率 f以及磁通最大值正相关。感应加热的能量并非通过像传统热加工零件与零件相互接触传热的，而是通过被加热金属工件与感应线圈之间存在的涡流磁场来完成的，因此感应加热方便。其实在金属工件加热过程中，除了工件自身产生的热效应之外，还存在磁滞热效应，一般它的值很小，可以忽略不计。若被加工的工件和感应加圈空隙很小，磁滞损失就更小了，这时可以认

25、为金属工件吸收感应线圈所产生的磁能转化成电能最终由电能转化成焦的全部能量。2.1.2 毕奥萨伐尔定律感应加热时给感应线圈通的是交流电，因而感应线圈中的磁场分布是非均匀的。在研究高频感应加热时，线圈中的工件的磁场分布情况急需知道，可以利用毕奥萨伐尔定律进行推导分析高频为了确定电流与磁场的关系熔覆中工件中的磁场分布情况。并建立相关数理模型。如图 2-2 所示，有一半径为R0，长为 L0，且通有电流I 载流线圈，线圈的总匝数为 N，由圆形电流磁场公式：0=0r0真空磁导率（H/cm）； r相对磁导率；电阻率（cm）；高频感应加热电源频率（Hz）。由此电流深度的常用计算式：2.2.1 锅炉管高频感应加

26、热温度分布锅炉管在进行感应加热时，其热量是由锅炉管的表面向心部传导，所以锅炉管的表面与心部存在一定的温差。特别是在感应加热时，当管的直径较大，而使用的电流频率又比较高时，锅炉管表面与中心的温差就很大。为了减小锅炉管表面与中心的温差，一方面采用较低的电流频率以得到较大的电流深度；另一方面是延长加热时间或者使用保温室进行均温，这将影响到生产率的提高并影响到产品的质量与模具的使用。因此，研究中心的温差，就具有重要的意义。感应加热时锅炉管表面与在温度为 tR，半径为 R2cm 圆柱体的 R 点上的热流方程式为45规传热”阶段。在已经达到正规传热阶段后，即可确定表面温度 t2 和中心温度 tc 之间的温

27、度差。令 R/R2=1 和 R/R2=0，则高频熔覆中，锅炉管吸收的有效功率 P（w）为45：A工件的辐射面积（cm2）。总能量守恒：第三章 锅炉管高频感应熔覆温度场有限元分析3.1 有限元理论据有关统计，在我国机械制造业中，采用有限元开发和设计的新产品达到70%以上；在车辆工程、机械工程、土木工程、航空航天和材料加共等领域中，中，约有 90%以上，有限元方法起了决定性从事工程设计和优化、材料宏微观模拟等各类工作和采用有限元方法作为分析工具，并且有 80%以上的作用；从以上可以看出，有限元方法已经成为各个方面广泛使用的工具。而近年（如 ansys）的普及，有限元分析已经成为设计来，由于有限元分

28、析商业化广泛使用的通用分析工具47。在数学中，有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为求得偏微分方程边值问题近似解的数值技术。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并产生稳定解。类比于连接多段微小直线近圆的，有限元法包含了一切可能的方法，这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单所代替。由于大多数实际问题

29、难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结

30、果就与实际情况相符合。涉及到复杂几何形状、载荷以及材料特性问题时，一般情况下都不能得到解析形式的数学解答。由数学表达式表示出的形式的解答，得到物体内任何位置所要求的未知量的数值，因此，对于物理中无限多个位置是可靠的。这些通常要求解常微方程或者偏微分方程，对于复杂的几何形状、载荷和材料，通常得不到解，所以需要靠数值方法，例如通过有限元的数值计算方法，可以接受的解答很容易求出。求解一个问题时，采用的有限元方法关键在于求解连立的代数方程组，而非求解微分方程。连续体中多个离散点的未知量的近似值在这些求解数值中得以很好的体现。所以在模拟物体时，这个过程是将一个物体划分成等价系统，而这个等价系统是由小的物

31、体或者单元（有限元）组成，这些所划分的单元通常连接两个或者连接的，划分的也可以与边界线或者表面相互连接，这一个过程叫做离散化。有限元方法本质是代替一次求解整个物体，每一个有限单元方程得以建立，并且最后把这些方程进行组合，得出整个物体的解答47。有限元方法是解决工程问题和数学物理问题的数值方法。有限元方法可以解决有关工程和数学领域内的典型问题，包括结构分析、热传导、质量传输、电磁电位和热传导47。总之，结构问题的求解，通常是确定每个节点的位移和承载结构的每个单元的应力。在非结构问题流体压力。点未知量可以是流体产生的温度或者热流或者3.2 有限元ANSYS 介绍ANSYS 程序是大型通用有限元。它

32、融结构、流体、热、电磁、声学于一体，可广泛应用于石油化工、铁道、核工业、机械制造、航空航天、电子、能源、造船、汽车交通、工、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该可在大多数计算机和操作系统运行，从 PC 到工作站直至巨型计算机，ANSYS 文件在其所有的产品系列和工作上均兼容；该基于 Motif 的菜单系统使用户能够通过框、下拉菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，此举大大方便了用户的操作。世界上最大的有限ANSYS 公司开发了 ANSYS，ANSYS 能与多数CAD元公司之一的接口，并且它们之间可以实现数据的共享和交换，现代产品设计中的高级 CAD 工具中 AN

33、SYS 起了关键作用，截至目前世界范围内唯一通过 ISO9001 质量体系认证的分析设计类 就只有 ANSYS。与其他的有限元计算 相比，ANSYS 具有以下技术特点：能实现多场及多场耦合功能；集前后处理、分析求解及多场分析于一体；独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的 CFD；具有强大的非线性分析功能；具备快速求解器；最早采用并行计算技术的 FEA；无论是微机还是工作站、大型机甚至巨型机，全部数据文件都可以在这些硬件上兼容；从微机、工作站、大型上具有的用户界面；大多数的 CAD机直至巨型机所有硬件集成可以和 ANSYS 有接口；网格划分可以智能化；产品系列具有多层次多框架；具备良好的用户

34、开放环境48。3.3 ANSYS 有限元模拟过程3.3.1 锅炉管高频感应熔覆温度场有限元分析的意义高频感应熔覆涉及电磁学、材料学、热力学、物理学、热处理、机械等学科，且熔覆过程伴随大量的光热及辐射能产生，使得熔覆过程中温度场变化情况及规律难以确定。高频熔覆过程中，由于管的热容量比较小，过多的热注入会导致对基体热损害，热注入会导致合金层和基体不能形成冶金结合，甚至出现“夹生”现象。因此，实际工艺中对热注入量有比较精细的要求。在实际生产中，人们一般凭经验控制加工过程中工艺参数，工艺具有随机性和不稳定性，也使得生产效率不高。生产中常用红外谱仪对工件表面进行温度测量，但是由于干扰很多，误差较大，效果

35、并不理想，且只能得到工件表层温度，基体与合金层界面处温度无法测得，严重影响高频熔覆过程工艺参数控制及生产加工中产品质量的稳定性。因此，对高频熔覆中锅炉管壁的温度场变化规律的研究对指导实际工艺生产具有重要意义。3.3.2 模型的建立考虑到锅炉管为回转体，且在高频熔覆中涡流层周向分布均匀，锅炉管和合金层受热均匀，因此可以取 1/2 管做分析，这样可以简化网格划分，提高分析速度。如图 3-1 所示是计算区域和边界条件，模拟计算时，先将合金层和基体层内的物质流态定义为固态（solid），采用于分布在合金层的表面进行分析。时间的热流量功率 P0 作用面积内3.3.3 网格的划分网格是离散的基础，网格节点

36、是离散化物理量的位置，网格在离散化过程中起着关键作用，网格的形式和密度等对计算结果有重要影响49，网格生成是后续迭代求解的前提，也是整个计算过程中关键的一步。考虑到合金层壁厚相对于基体很薄（厚为基体的 1/10），网格划分时，将基体层分为 11 段，合金层分为 4 段，锅炉管和合金层周向分为 80 段。对基体层和合金层均采用 Brick8 node70（8 节点三维六面体单元）进行体网格划分，网格划分结果如图 3-2 所示。在温度场分析计算中作如下假设：（1）合金层和基体材料均匀，各层内的材料的导磁率和导热率基本一致。（2）锅炉管高频熔覆中感应加热时间在期内非常短暂，由于锅炉管及合金层管壁发生

37、辐射或者与空气发生对流换热损失的热量相对于高频加热电源提供给工件的热量很小，因此分析中忽略这方面的影响。（3）假定实际工艺过程中，水冷熔覆工作头损失的能量对分析基本没有影响，忽略水冷带走的热量。3.3.4 数值计算锅炉管高频熔覆过程中，涡流层（趋肤层）先是分布在锅炉管基体表层，随着感应加热的进行，涡流层逐渐外移至合金层表面并将合金熔化；作为热源的涡流层到达合金层表面后，通过热传导将向锅炉管内壁方向导热直到锅炉管基体表层熔融与合金形成冶金结合进而完成整个高频熔覆过程。在温度场分析中，合金材料为 Ni35，锅炉管材料为 12oV（合金结构钢），查阅相关材料物理性能手册，得到如表 3-1 所示的材料

38、的物理性能参数。当感应加热电源频率取为 250kHz，由式 2-14 可计算出首先在基体产生的涡流层厚度w 为 0.107mm，涡流层外移至合金层表面后分布在合金层的趋肤层厚度为0.025mm。图 2-3 为涡流层外移至合金层表面至熔覆完成这段时间内感应加热理模型，P0为将表层厚度为的趋肤层作为热源后，热源面积的热功率，P0 可通过式 3-1 计算。L0工件在高频熔覆工作头内的长度（m），取为 0.025m。3.4 模拟结果与分析3.4.1 高频熔覆电流的影响选取 f=250kHz，I=250A、400A、500A、600A 分别进行计算、有限元分析，可以得到高频感应加热中不同熔覆电流下熔覆层

39、刚好完全熔化和感应加热结束时刻工件温度场分布云图，如图 5-35-6。图 3-3(a)、3-4(a)、3-6(a)是熔覆电流 I 选为 250A、400A、600A 时，合金层刚好完全熔化时管温度场分析云图；图 3-3(b)、3-4(b)、3-5、3-6(b)是熔覆电流 I取 250A、400A、500A、600A 时感应加热结束时锅炉管壁温度场分布云图。由图 3-33-6 可知：熔覆电流分别取 250A、400A、500A、600A 时，感应加热时间分别为 2.6822s、1.6822s、0.66091s、0.66091s，感应加热结束时锅炉管内壁温度分别为 1250、1200、950、14

40、50；在频率一定的条件下，当熔覆电流在小于 500A 这个范围内，感应加热结束时刻高温热影响区的深度和宽度随着熔覆电流的增大越小，感应加热对管的热损伤越小；当熔覆电流大于 500A 时，感应加热结束时刻高温热影响区的深度和宽度随着熔覆电流的增大越大，感应加热对管的热损伤越厉害。由于锅炉管为回转体工件，在假定锅炉管各向材料均匀的情况下，可认为锅炉管高频感应加热时管周向受热均匀。分别在锅炉管内壁和外壁上取一个参考点，进行有限元分析 到如图 3-7 所示的锅炉管壁温度随熔覆时间的变化关系曲线图。在一定的范围内，随着熔覆电流的增加，工件表面升温速度加快，熔覆效率提高，锅炉管内外壁的温差增大。这是由于采

41、用较高的熔覆电流时，热源表层单位体积内功率密度高，锅炉管合金层能在较短的时间内达到高温而锅炉管内壁温度还来不及大幅度上升到高温，使得基体的结构和力学性能基本没有变化；采用较低的熔覆电流时，趋肤层体积内感应电流密度低，锅炉管表层升温慢，合金层内的热量逐渐传导到基体层，使得感应加热结束时锅炉管内壁温度上升到上千度，严重破坏基体材料，甚至导致合金涂层内合金的流淌。因此，在保证熔覆效果的前提下，在高频熔覆中尽量选用较大的电流。因此频率 f 选为 250kHz，熔覆电流 I 选为 500A。3.4.2 高频熔覆频率的影响选取 f=20、100、250kHz，熔覆电流 I=500A 分别进行计算、有限元分

42、析，到不同感应加热频率下中间时刻和高频熔覆结束时锅炉管温度场分布云图，如图 3-83-10 所示。图 3-8(a)所示的 t1 时刻，涡流层刚外移至合金层最外层，合金层刚好完全熔化；图 3-9(b)所示的 t2 时刻，分布在合金层最外层的涡流层向内导热，使得基体和合金层界面处温度达到 1550，基体表面薄层的材料熔化并与界面处的合金相互渗透形成冶金结合。图 3-9 是 f=100kHz、I=500A 时，锅炉管在 t1、t2时刻的温度场分布云图；图 3-10(a)和 3-10(b)分别为涡流层外移至合金层最外层完成合金层的熔化时刻和基体、合金层界面处形成冶金结合时刻。对比图 3-83-10 可

43、以看到，随着感应加热频率的增大，感应加热的速度越来越快，而感应加热结束时高温热影响区的深度越来越浅，热影响区的宽度越来越窄。由于锅炉管为回转体工件，在假定锅炉管各向材料均匀的情况下，可认为锅炉管高频感应加热时管周向受热均匀。分别在锅炉管内壁和外壁上取一个参考点，进行有限元分析系曲线图。到如图 3-11 所示的锅炉管壁温度随熔覆时间的变化关由图 3-11 可以看出：随着频率的增加，锅炉管表面温度上升速度越来越快，高频熔覆时间越来越短，熔覆效率越来越高，感应加热结束时管内外壁的温差越来越大。通过对比图 3-11(a)3-11(c)，可以发现：频率越高，工件表面升温越快，短时间内管内壁温度来不及上升

44、到高温，合金层和基体界面处已经发生冶金结合，这就是高频感应加热的特点；采用低频时，趋肤层功率密度小，工件表面升温慢，表层的热量逐渐传导到锅炉管壁，管内壁的温度逐渐升高，熔覆结束时管内壁温度已达上千度（或与表层温度相差不大），这会对基体造成严重的热损伤、变形，容易造成熔融态的合金的流淌，这在工艺上是不允许的。因此， 考虑到高频熔覆感应加热电源设备的技术参数（ 振荡频率200250kHz），高频熔覆中选用的频率 f=250kHz。3.5 小结本章简要介绍了有限元原理及应用，ANSYS 的应用范围，并用 ANSYS 对熔覆过程中锅炉管管壁和合金层温度场进行了数值模拟和分析，由数值计算和分析，得出如下

45、结论：锅炉管高频熔覆过程中，趋肤层（涡流层）先是分布在锅炉管表层，随着感应加热的进行，涡流层逐渐外移至合金层表层并将合金逐渐熔化，涡流层外移至合金层表层后不再移动，并将热量向管内壁传导，一直到合金层和基体界面处达到冶金结合。锅炉管高频熔覆中，高频感应加热电源频率主要影响熔覆速率和效果。随着频率的增加，锅炉管表面升温速度加快，管表面和内壁的温差增大，对基体的热影响减小。锅炉管高频熔覆中，熔覆电流主要影响熔覆效率。在一定范围内即电流小于 500A 时，随着电流的增加，锅炉管表面升温速度增大，管内壁在感应加热结束时温度减小，感应加热对基体的热影响减小。当频率为 250kHz、熔覆电流为 500A 时

46、，熔覆效果较好。第四章 实验材料与方法4.1 实验材料4.1.1 基体材料高频感应熔覆基体材料选择 12oV 合金结构钢材质的锅炉管。试件尺寸为 44.55mm，其外径为 44.5mm，锅炉管壁厚为 5mm。其化学成分（质量百分比,wt%）见表 4-14.1.2 熔覆层材料的选材原则在实际应用中，为减少高频感应熔覆层的裂纹敏感性，使熔覆层具有合适的组织结构、优良的力学性能和良好的成形工艺性，具体选择何种材料体系对基体材料表面进行熔覆，可以从以下几个方面考虑。(1)应采用与基体具有适宜的熔覆材料。如果熔覆材料的和基体的相差较大，采用高频感应熔覆工艺获得的熔覆层难以与基体形成良好冶金结合，而且熔覆

47、层和基体的稀释率小导致熔覆层质量大大地降低。如果熔覆材料熔点过于高，当给工件加热时，有部分熔覆材料没有熔化，这样会导致熔覆层表面粗糙度高，同时基体表面过度熔化，熔覆层稀释率增大。反之，熔覆层材料低，熔覆层的稀释率很容易被控制，经过感应熔覆后的工件，覆层质量好，同时越低，液态性越好，对获得平整光滑的熔覆层越有利。但是，如果熔覆材料过低，熔覆材料会产生过度烧损现象，大量的空洞和夹杂存在于熔覆层与基体间，基体金属表面不能很好熔化，良好的冶金结合很难在熔覆层和基体形成。这样熔覆后的工件达不到性能要求。(2) 熔覆合金粉末须具有良好的性，以利于连续、均匀、流畅地将粉末送入锅炉管表面。球形粉末的性最好，且

48、球形粉末的比表面积最小，在高频感应熔覆温度下受到氧化及其它污染的程度比不规则粉末要小，有利于提高熔覆层的性能，因此高频感应熔覆粉末的外形最好球形。粉末过细，太粗，熔覆工艺性差。性差；粉末(3)所选用的熔覆材料还应有良好的造渣、除气、隔气性能。合金粉末在熔化状态时应具有良好的脱氧能力。其脱氧产物应形成小、低的熔渣覆盖在液态金属表面，对熔覆层表面起保护作用，以防止熔覆层产生夹渣、气孔、氧化等缺陷。(4) 熔覆材料的选择应满足熔覆层的使用性能要求， 一般来讲，镍基合金适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的零件；钴基合金适用于要求耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳、高温强度要求高的零件；铁基合金大多用于局部耐磨

49、的零件。4.1.3 高频感应熔覆材料的种类高频感应熔覆采用的材料多半是热喷涂类材料或热喷焊类材料，此类材料包括自熔性合金粉末和碳化物陶瓷粉末。此类材料的优点是具有良好的加工耐腐蚀、耐磨性能。现就熔覆材料进行简单的介绍。(1)自熔性合金粉末：自熔性合金材料主要有镍基合金、钴基合金和铁基合金等。三种材料都含有硅和硼元素，因而，其在脱氧和造渣方面有其优越性，这称为自熔性。硼和硅元素熔凝时被氧化，生成 B2O3、SiO2 氧化物，即在熔覆层表面形成氧化物薄膜。氧化物薄膜的产生可以防止熔覆层材料中其他元素被氧化。硅和硼元素的加入还可以使熔覆粉末的降低，起到浸润剂的作用。熔覆层的硬度关键取决于粉末合金中硼

50、含量和碳含量，其主要趋势是熔覆层的硬度随着硼、碳含量的增加呈线性增加，主要原因是通过合金粉末的再次凝结，在熔覆层中形成硬度极高的硼化物和碳化物。陶瓷粉末：陶瓷粉末是热喷涂材料中的典型的一种，其主要化学成分是氧化铝或者氧化锆，由于上述两种化合物具有良好的耐高温氧化、耐磨、耐腐蚀等性能。其中氧化铝陶瓷粉末相比于氧化锆陶瓷粉末，其可以在更高的温度下进行热传导，因此氧化锆陶瓷粉末具有更低的抗热震及热传导性能，因此常用作隔热材料。复合粉末：当零件处于多滑动、多冲击的变载荷条件下时，传统的 Co基、Ni 基合金粉末已不能完全承受，这时可以在自熔性合金粉末中加入适量的高 碳化物、氮化物、硼化物及氧化物陶瓷粉

51、末，形成复合熔覆层。4.1.4 高频感应熔覆材料的选择Ni 基合金粉末主要有 Ni-B-Si 和 Ni-B-Cr-Si 两种系列合金，其中 Ni-B-Cr-Si合金是高频感应熔覆中应用最广的熔覆材料。它是在 Ni-B-Si 系列合金中加入适量的 Cr 形成的。Cr 能溶于 Ni 中形成镍铬固溶体增强熔覆层强度，增强熔覆层抗氧化性和提高熔覆层耐腐蚀性，Cr 还能和 C、B 形成碳化物、硼化物，提高熔覆层硬度和耐磨性。Ni 的性能仅次于 Co，但是 Ni 基合金粉末价格远低于 Co 基合金粉末，因 Ni 基合金粉末具有较好的耐蚀性、侵润性和高温自润滑作用，因此镍基合金粉末广泛应用于局部要求耐磨、耐

52、热腐蚀及抗疲劳等零件上。钴基合金性能虽好，但是国内资源较少，不宜多用。铁基其最大优点是成本低和耐磨性好，但高、合金的抗氧化能力差、性不好、熔覆层气孔夹渣较多等缺点限制了它的应用。表 4-2 列出了这三种自熔性合金粉末各自的特点。本文研究的是在火力发电厂中常用的 12oV 合金结构钢作为基体材料的锅炉管表面高频感应熔覆耐磨耐腐蚀的 Ni 基合金粉末。锅炉管在使用过程中其由飞灰磨损造成的磨损和腐蚀大多是发生在锅炉管表面，高频感应熔覆技术可以从提高零件材料表面的综合性能出发来很好地解决这些问题。耐磨和耐腐蚀性能的提高可以采用不同的表面强化技术，但相比较于其他强化方法，高频感应熔覆是一个很好的选择。本

53、文采用的是自熔性合金粉末中的一种：Ni35。其目数为-140+320，自熔性合金粉末 Ni35 的化学成分如表 4-3 所示。4.2 实验过程准备4.2.1 锅炉管预处理、涂层材料预处理打磨锅炉管表面，去除氧化皮和铁锈部分，用和杂质物。溶液，洗去表面油污用电子天平称量所用熔覆 Ni35 合金粉末，用水玻璃混合合金粉末，并充分搅拌，使成分均匀。将材料水玻璃+合金粉末均匀地涂在锅炉管表面，并用金属胶对预置粉末进行固定。预置层厚度为 0.5mm。预置后的烘干后待用。图 4-1 所示为所示为冷涂预置法前后的试样形貌图。另外一种是用电子天平称量所用熔覆 Ni35 合金粉末，等离子喷涂的方式在锅炉管表面喷

54、涂一层厚约为 0.5mm 的 Ni35 涂层。图 4-2 所示为热喷涂前后的试样形貌图。4.2.2 高频感应熔覆工艺原理及实验装置高频感应加热设备的工作原理：低压三相交流 380V、50Hz 电源输入到可控硅调压器，可控硅调压器输出 0380V，可任意调节的电压加到 380V/10kV 的升压整流变压器上，升压变压器高压侧能得到 012.5kV 范围内任何电压值，经高压硅桥三相全波整流得到 012.5kV 的直流高压，供电子管振荡器，电子管实际上是一个变换器，它与槽路一起将直流高压电源变换成高压高频的交流电流，如图 4-3 所示。利用磁场感应及涡流原理,从而达到感应加热的目的。高频感应加热电源

55、的特点如下：1)电源采用可控硅三相调压、变压器升压，三相全波整流、自激振荡产生高频电流，利用涡流加热,使工件瞬时到达所需温度,然后利用淬火液急速冷却,从而达到淬艺要求。电源控制板为全集成化数字电路控制板，采用数字触发，具有可靠性高、精度高、调试容易、继电元件少等特点。主回路进线可不分相序(相序自动调整)。自动跟随负载变化，功率手动调节从 10%100%。具有截流、截压、过流、过压、水压等保护系统，保证设备可靠运行。主控板具有完善的多级保护系统(水压、缺相、过流、过压、操作连锁等保护)，具有较广的负载匹配能力。振荡回路采用三回路振荡结构，更方便调整产品工艺。主电路元件选择：整流可控硅：电流安全系

56、数为：4.2；电压安全系数为：2.2主回路的主线电流密度取 2.5Amm2(铜排)振荡回路的主线电流密度取 2.0Amm2(铜排) 9)保护与控制主回路短路保护主回路缺相保护可控硅过压、过电流保护10)数字显示测量仪表：三相输出电压表、直流电压表、电流表、槽路电压表、阳流表、栅流表。图 4-4 是卧式高频感应加热电源、控制面板及电源变压器实物，变压器原边采用优质铜管绕制，外层包有沥青云母带及聚四氟乙烯薄膜，副边采用硫化工艺，保证层与层之间绝缘性。另外，变压器在出厂前要经过四道 0.4MPa 水压试验，以确保变压器质量。表 4-4 是感应加热电源设备性能参数，该电源可实现零至满功率无级调节，并可

57、通过外接信号控制如 PLC，实现全自动工作；也可通过温度传感器和变速模块来自动调节电源功率。在操作感应加热设备时，可按如下规程进行：给水看是否漏水及水路有无堵的现象，若有则进行处理；若有跑水时，及时关循环水，处理完毕后要进行吹干、风干燥；给水正常后，给主电源，再给一档灯丝，延时后给高压按钮，给加热按钮，将电位器调到零，给加热，调电位器到额定电压，此时栅流、阳流之比为 1:51:7；停用时，先停加热停高压灯丝总控开关；(5)设备停以后方能停循环水。(6)发现打火及修理设备时，必须停总空气开关。(7)严禁带电接触设备内的高压器件，因为电压达到 1 万多伏高压。高频感应加热电源的控制面板，在结构上做

58、成一块板，板规格 295mm 210mm，在电路功能上可以分为整流触发电路、调节器电路、操作保护电路三部分，各部分特点如下：(1)整流触发电路：采用脉冲一致性好，能力强的数字触发电路，同步信号直接取自可控硅进线端，自动实现与电网同步，而且具备相序自动适应能力，三相交流输入线不分相序，从而使其在主电路与触发板的连线上变得异常简单，可靠。免去调相序对同步整流 限定的工作，只需把晶闸管的门极线接入在控制板的接线端子上即可投入使用。整流触发脉冲变压器已包含在控制板上，整流触发脉冲强度为 Ip=1.5A,dA/dT0.5uS,脉冲宽度约 1Ms,绝缘耐压 4kV。调节器电路部分：采用直频电压，直流电流双

59、闭环 PI 调节器，在启动过程中双闭环也始终参与工作，系统工作稳定，而且在系统调试过程中和设备出现异常时，也很难发生过电流跳闸的现象。调节器的参数适应范围宽，一般的高频电源系统均能适应，无需再对调节器参数进行调整。操作保护电路部分：在控制电路中设有，保护电路，主电路与控制电路的上电掉电先后次序，以及使用的误操作等，均不会对系统产生任何影响。高频感应电源中电器元件和电阻在工作过程中，会产生大量的热量，熔覆系统配备了水冷装置对相关电器元件进行冷却。水冷装置采用全封闭压缩机，不锈钢水路系统，其主要性能参数如下：冷却水温度：1040；控制方式：自动；温度控制精度：1；水流量：14m3/h；配不锈钢水泵

60、；电源功率：55kw；整机噪声：70dB。由于高频熔覆设备内存在高压器件，为了实验的安全，将实验的输入电源与市电进行，这样就可避免实验碰到线路出现的触电等情况的出现。当然，电源还能实现地线噪声、共模电压等。锅炉管高频熔覆过程中，熔覆系统主要控制工件绕自身轴线的旋转运动和相对熔覆工作头的直线进给这两个方向的运动，这些控制由熔覆机床的数控系统完成。熔覆机床的数控系统采用广州数控及伺服系统，可控制高频感应加热电源加热的开启和停止、水冷的开启和关闭、进给速度及位置的设定、机顶尖的移动等，这些控制均有手动和自动控制两种方式。此外，针对不同的工件，可预先设置不同的控制程序，操作可根据需要选择相应的程序，即