平面类零件的等离子熔覆修复技术研究

平面类零件的等离子熔覆修复技术研究摘要等离子加工过程是将等离子束照射在材质表面形成热效应从而完成加工的过程。等离子加工的技术包含了等离子焊接、等离子切割、等离子熔覆、等离子堆焊、微加工等。而等离子熔覆作为其中之一是近代的一种等离子涂层修复技术。能使加工的零件不产生形变，同时也不会改变其表面特新性。一般，整个修复过程将会涉及光、电、机、材料等技术以及车、铣磨削等过程。一般多用于修复轴类零件或平面类零件的损坏。本文主旨在于通过研究修复过程中不同的修复参数及不同的修复方式等等因素，通过对比来分析不同因素对零件的修复硬度有何影响。关键词：等离子熔覆，平面类零件，影响因素，硬度ABSTRACTTheprocessofplasmaprocessingistofinishtheprocessingbyirradiatingtheplasmabeamonthesurfaceofthematerialtoformthethermaleffect.Plasmaprocessingtechnologyincludesplasmawelding,plasmacutting,plasmacladding,plasmadrilling,micro-machiningandsoon.Asoneofthem,plasmacladdingisakindofplasmacoatingrepairingtechnologyinmoderntimes.CanNotmakethepartsprocesseddeformation,butalsowillnotchangeitssurfacecharacteristics.Ingeneral,thewholerepairprocesswillinvolveoptical,electrical,mechanical,materialandothertechnologies,aswellasturning,millingandgrindingprocesses.Generallyusedtorepairshaftpartsorplanepartsofthedamage.Themainpurposeofthispaperistoanalyzetheinfluenceofdifferentfactorsonthehardnessofthepartsbystudyingthefactorssuchasdifferentparametersanddifferentrepairingmethods.KEYWRDS:plasmacladdingflatpartsinfluencefactorshardness目录第一章.绪

论

1.1等离子熔覆研究的背景和意义

1.2等离子熔覆在国内外研究的现状 1.3本文研究的内容与意义

第二章.等离子熔覆技术

2.1等离子熔覆设备的组成

2.2等离子熔覆的原理

2.3等离子熔覆的预处理 2.4等离子熔覆技术的分类 2.5等离子熔覆的特点 2.6等离子熔覆和激光熔覆的区别 2.7影响等离子熔覆的基本因素

第三章.等离子熔覆的修复及实验过程

3.1准备工作

3.2待修零件的实验参数

3.3修复方案

3.4实验后的修复数据

3.5修复数据的对比分析

第四章.熔覆结合强度观测

5.总结

6.致谢 7.参考文献 第一章绪论1.1等离子熔覆研究的背景和意义1.1.1研究的背景等离子熔覆是在激光熔覆和等离子堆焊等表面硬化处理技术的基础上发展优化出来的一项表面硬化处理技术，通过特殊的送粉装置在被熔覆基体表面上放置被选择的涂料层，经等离子辐照使之与基体表面形成一薄层熔化与基体材料成冶金结合的表面涂层。该项技术能够熔覆多种合金材料并且适合处理零件，从而达到表面改性或修复的目的。由于等离子改性技术所拥有的显著特点，致使等离子改性金属表面的技术得到了很大的关注，其不仅在应用上得到了更为广泛的引入，同时在技术研究上也得到了改进，除了高效还兼备了无污染、材料消耗量低、修复表面质量高等优点。这一技术在零件表面加工和修复领域得到了重视。1.1.2研究的意义等离子熔覆技术对工件表面的处理，使得工件表面具有较高的耐磨性、耐蚀性等。不仅提高了工件表面的特性而且熔覆加工后的熔覆层表面稳定、致密，拥有更高的寿命等优异的表面综合性能。这对工件的表面改性研究及应用来说是一项重要的进展。而等离子熔覆表面改性技术对于损坏的零件、工件的再制造及显著减少再制造的周期而言有着重要的应用意义。且对于增强表面的性能而言也较其他的表面改性技术有着更少的工期和更少的贵重耗材的损耗。工件如果直接报废则造成的资源损失会更大，而从前的修复大多需要模具和较长的制造周期，成本较高且耽误的工期较长。如果应用等离子熔覆技术则可以直接对工件表面进行修复，再进行表面的车削、打磨、抛光，就可以达到较高的机械密封性及精度。不仅显著降低了工件的修复周期，还显著降低了工件之间磨损的作用，对延长工件的使用寿命有着重要的作用。1.2等离子熔覆在国内外研究的现状1.2.1国内研究现状我国的等离子熔覆技术修复的研究起步比较晚，开始于上个世纪九十年代。1990年中国科学院金属腐蚀与防护研究所的王茂才等使用等离子修复解决了燃机轮叶片问题以及叶片冠部等离子熔覆层的强化与修复等。1995年西北工业大学开始研究金属材料的3D打印技术，并在生物学和医学领域进行应用。经过多年的发展，等离子熔覆强化和修复发动机叶片叶片也取得巨大的进展但缺乏具体的工艺标准，其发展仍然处于初期。1.2.2国外研究现状国外的等离子熔覆技术更多的进入到了实际的工业应用当中，例如机械零件运用较多且损耗率较高的的汽车业，件复杂且精细的航空航天业，运行环境较为复杂的模具领域等，且在技术上开始探索更加精细的应用。1.3本文研究的内容与意义本文研究的主要内容是等离子熔覆技术对齿轮或套筒零件修复的研究，通过对等离子熔覆机的工艺加工过程，对等离子光束的特性参数、母材的形状工件厚度、金属粉末的工艺参数、加工设备的工艺参数和环境条件的工艺参数进行分析研究为目标进行加工参数的优化。本文的研究方向主要是通过确定零件，对单一零件修复过程中等离子熔覆的熔敷速率、出粉速率、电流强度、主轴转速、熔覆长度等可变参数或因素的改变。分析研究不同参数或因素对零件修复后，对其表面的硬度存在何种差异，以此来确定该零件的最优修复方法，从而降低该零件的修复成本和修复周期。第二章等离子熔覆技术2.1等离子熔覆设备的组成一般完整的等离子设备由等离子器、冷却机组、送粉机构、加工工作台、控制台等组成。图2.1等离子熔覆设备图（1）等离子器作用：在金属部件表面熔覆具有特殊性能的金属基复合材料涂层，对磨损部位进行表面改性与强化或修复。图2.2等离子器（2）冷却装置作用：由于激光器的转换效率比较低，大部分转换成了热能，配置冷却装置，才能保证激光器的正常运行。图2.3冷水机（3）送粉机构作用：能够在要求的速率下，提供高精度的连续均匀的粉末流。送粉器将合金粉末经过送粉管定量地送入工件表面的激光辐照区，粉末先经过激光束在到达熔区之前被加工到红热的状态，落入熔区之后粉末熔化和基体表层同时熔化，粉末和基体冶金结合在一起，随着粉末的连续送入和工件的移动从而形成熔覆带。图2.4送粉机（4）控制台作用：控制等离子喷头高度、熔敷速度、工作台转速、焊接圈数圈距、递进速度距离等等。图2.5控制器面板2.2等离子熔覆的原理等离子熔覆是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的参数，可对熔覆层的厚度、宽度在一定范围内自由调整。2.3等离子熔覆的预处理由于工件表面并不光滑，存在杂质或有凹陷，所以熔覆前需要将工件表面进行打磨使其相对的光滑，才能使熔覆的金属与工件更好的结合。除此之外还能防止在熔覆时因为表面不平整而产生裂纹、气孔或未焊透等问题。图2.6工件表面预处理2.4等离子熔覆技术的分类按熔覆过程分：同步送粉熔覆、预置粉末熔覆。预置粉末熔覆：预置法，也称两步法，采用黏结剂预先将熔覆层材料均匀涂在基材表面需要熔覆的部位，然后用激光束扫描熔化熔覆材料，实现其与母材的冶金结合。预置材料可以是粉、丝等状态，最常用的是合金粉末。其优点是操作灵活，工艺简单，不受材料成分的限制容易进行复合成分的粉末熔覆。缺点是:在结构复杂的零件上要保证厚度均匀的涂抹层很难，这样会使加工后的熔覆层出现变形、有气孔、裂纹等现象，此外熔覆层的稀释率也很难控制、粉末材料在激光辐照下难以定位。图2.7预置粉末法同步送粉熔覆：同步送粉法是将合金粉末由送粉器经送粉管定量地直接送入工件表面的激光辐照区域，激光光束在粉末到达熔区前将其加热到红热状态，落入熔区后熔化，跟随基材移动和粉末的连续送入迅速凝固而形成熔覆层[10]，熔覆层结合性、稀释率和厚度容易控制，重复性好。图2.8同步送粉法按工作电流大小分：等离子熔覆、微束等离子熔覆。等离子熔覆：工作电流一般为200~350A，主要用于修复、强化较大的零部件，制备较厚的熔覆层。微束等离子熔覆：一般把工作电流小于30A的等离子电弧称为微束等离子，该电弧的最小稳定工作电流可以再0.5A以下，所以能够精准的控制焊接过程和成形过程中的热输入量。2.5等离子熔覆的特点由于热压缩效应，磁压缩效应和机械压缩效应的综合影响，等离子火焰速度可达1000m/s，非转移型等离子弧的形成可以获得15000K或更高的温度，热量集中，它可以熔化高熔点，高硬度的粉末材料，速度可达180-600m/s。所以可以得到组织致密，孔隙率低，与基材粘接强度高易于控制涂层厚度的涂层。等离子熔覆过程中热影响区相对较小，零件变形小，熔覆过程中，显微组织和性能也无改变，不改变性质。特别适合高强度钢，薄壁件，细长零件。等离子喷焊具有以下特点：热影响区小，结构不发生变化。工件的加热温度可控制在小于250°C。涂层的氧化物和杂质含量少，比电镀，渗碳，渗氮的涂层更厚，更硬，更防腐。熔覆层与工件呈冶金结合，耐冲击，不脱落。涂层光滑平整，并且可以精确地控制厚度。由于等离子喷焊火焰温度非常高，速度快，几乎任何材料都可熔化，喷焊形成的涂层具有粘接强度高，孔隙率低，喷焊效率高，使用广泛的优点，它在航空，冶金，机械，机车车辆和其他方面有广泛的应用。2.5.1等离子熔覆的优缺点优点：等离子弧具有热量集中、可控性好、电弧稳定、保护气氛等优点，用作热源。工艺稳定，易于获得优质熔覆层。适于易制成粉而难于制成丝材的高硬合金或复合材料熔覆。合金粉末及其熔池对电弧有缓冲作用，能有效控制熔深，母材冲淡率低。熔覆层硬度均匀，组织均一，易于避免质量缺陷。焊道成形平整、美观，尺寸及熔覆率可调范围宽，适应工作大小的范围宽。采用细粉易于熔化的优点，可采用微束等离子弧作热源，实现精细熔覆。熔覆过程连续，易于实现全自动熔覆，劳动强度低，生产效率高。缺点：因粉末飘散有少量浪费。因粉末飞溅，长时间施焊有粘嘴现象。熔覆质量对粉末质量的依赖性大，大部分熔覆材料系自熔性合金。2.6等离子熔覆和激光熔覆的区别2.6.1等离子熔覆技术特点:等离子熔覆机所采用的等离子束，是一种电离弧，比弧焊机热量更集中，所以加热速度更快，为了获得更集中的离子束，一般采用高压缩比孔径，小电流，以便控制基体温度不致太高，避免引起退火变形。当然这与YAG激光器加热速度无法比拟。由于等离子弧为连续工作，造成机体冷却相对较慢,形成的过渡区域比激光熔覆要深-些，这对硬面材料熔覆来说，应力会释放好一些。工艺特点:第一前期处理简单:只需除锈去污去疲劳层即可。第二送稳:采用氩气送粉，送分精度要求低，可以有一定的倾斜度。这样就允许手工操作，对于金属修复比较适用。第三等离子稳定性好:等离子的稳定性好,熔池的形成也易于控制，敷材与机体融合充分，区域过度较好。第四加热和冷却速度低于激光:熔融状态维持时间长，有利于金相组织均匀形成，排气浮渣较好，在粉末喷出过程中就已经加热，賄氩气和离子气的保护，所以熔覆层均匀度更好，气孔夹渣等缺陷更少。第五材料选择:等离子加热方式对材料限制少，材料选择更广泛，对碳化物,氧化物的熔覆更容易一些。2.6.2激光熔覆（1）技术特点:激光熔覆最重要特点是热量集中，加热快冷却快热影响区小，特别对不同材质之间熔融有着它热源无法比拟的特点，也正是这特殊的加热和冷却过程,在熔铸区域产生的组织结构也不同于其它熔覆手段，甚至可以产生非晶态组织，特别是脉冲激光更为明显。这就是所谓激光熔覆不变形无退火的原因。（2）工艺特点：第一前期处理:激光熔覆-般只需将工件打磨干净，除油,除锈，去疲劳层等,比较简单。第二送粉:

C02激光器功率较大，一般用氩气送粉;

YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。这两种方式在熔覆时都基本在水平位置形成熔池，倾斜稍大粉末便不能正常送达，激光的使用范围受到限制，特别是YAG激光器。第三从熔池形成的状态看:由于激光的控制精度高，输出功率恒定，且没有电弧接触，所以熔池大小深度一致性好。第四加热快冷却快:影响金属相形成的均匀度，也对排气浮渣不利，这也是造成激光熔覆形成气孔，硬度不均的重要原因，特别是YAG激光倾向更严重。第五材料选择:由于不同材料对不同波长激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料选择限制较大，激光更适于镍基自熔性合金等一些材料，对碳化物，氧化物的熔覆更困难一些。2.7影响等离子熔覆的基本因素等离子熔覆的影响因素体现了熔覆中的平衡状态，对得到高质量的熔覆层、达到好的熔覆效果至关重要，它们相互作用和影响，成为等离子熔覆的关键。例如：主轴转速、焊接电流强度、送粉速度、使用的保护气体、熔覆材料等。当电流的大小不同、送粉的速度不同、转速不同时会影响到熔覆层熔覆的是否完美或薄厚程度，不同的材料会影响熔覆后的结合强度。同样的当送粉方式不同时也会对熔覆造成影响，可能会使粉末没有完全熔化致使焊不透。主轴转速对熔覆的影响主轴转速是根据工件直径大小来决定的：标准主轴转速n₀=（直径D×3.14）÷（2.3×60×60）单位：r/min当主轴转速大于或小于n₀，其他参数不变时，会影响粉末是否被完全熔化或者熔覆层堆积过高。等离子电流强度对熔覆的影响一般而言电流的强度决定了等离子对粉末材料熔化程度以及喷嘴到工件的高度。如果电流过低，等离子弧变很小所以喷嘴需要里工件很近；而电流过大会使粉末熔化后温度过高不易冷去而产生形变或崩裂。正常情况下电流一般会在100A以上，根据出粉速率调节大小，防止熔覆过程中产生问题。出份速率对熔覆的影响当基本参数一致时，过快的出粉速率会使等离子无法完全熔覆焊透而存在气孔或产生裂纹；而过慢的出粉速率则会时熔覆层出现不连续的现象或是熔覆层过薄不利于后期的打磨。第三章等离子熔覆的修复及实验过程3.1准备工作实验所需工具材料：准备两块同材质同大小的圆形工件、砂轮机、游标卡尺、镍基合金粉、铁基合金粉、砂纸、里氏硬度计等。准备两块相同材质的平面类实验工件，将两块工件的其中一面用砂轮机打磨光滑。图3.1实验工件图图3.2电动砂轮机使用游标卡尺测量打磨好的工件的直径和厚度并记录。图3.3工件测量图将工作台调整至水平方向，然后将工件装夹在上面。在送粉机中装入一种合金粉末材料。调整等离子喷头与工件的高度并测试是否有效。调整喷头与工件边缘的距离，确保为实验时多次熔覆有足够空间。启动机器，在控制台的控制面板上设置制定的实验参数，然后静等熔覆过程结束。3.2待修复零件的实验参数工件材料：20号低碳钢工件直径D：284mm厚度H：19mm标准主轴转速：n₀=284×3.14÷2.3÷60÷60=0.10r/min递进速度：48mm递进距离：10mm焊接圆距：0.5圈焊接圈数：1圈摆距微调：0.1mm初始半径：142s工件初始硬度：1234平均68.368.96770.868.75单位：HRB3.3修复方案方案一：采用镍基合金粉末材料。根据实验编号的参数及在实验工件上按照实验顺序完成熔覆九组半圈的熔覆层。表3.1实验参数表主轴转速等离子电流出粉速率实验编号n（r/min）I（A）C（r/min）10.1110520.1120630.1130740.15110750.15120560.15130670.290680.2100790.21105实验顺序：3、6、2、5、1、4、9、8、7方案二：采用铁基合金粉末材料，实验参数和实验顺序和方案一相同，重复实验一的熔覆过程熔覆第二块工件。在实验工件上共熔覆九组半圈的熔覆层，刚好可以形成每相邻的三组熔覆层的主轴转速相同。图3.4熔覆完成图如图所示从上至下对应实验编号。等待工件余温退却后，将完成熔覆的两块工件的熔覆层进行打磨，为之后的测试硬度做准备。该过程需要工件自然冷却，否则可能会影响到工件的熔覆结合强度和硬度，对之后的实验数据产生误差。3.4试验后的修复数据测量工具：里氏硬度计图3.5里氏硬度计里氏硬度计是一种测试器材，它的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力作用下冲击试样表面，测量冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回跳速度，利用电磁原理，感应与速度成正比的电压。它可实现六种硬度（HL、HRB、HRC、HB、HV、HS）间的相互转换及硬度与抗拉强度间的相互转换。表3.2镍基金属粉末熔覆硬度实验编号数值一数值二数值三数值四平均值①43.644.143.441.243.1②44.944.942.844.944.4③40.141.541.239.840.7④42.642.344.741.242.7⑤42.344.943.644.143.7⑥41.540.941.740.941.2⑦47.848.846.847.547.7⑧47.547.045.744.946.3⑨45.545.4单位：HRC表3.3铁基金属粉末熔覆硬度实验编号数值一数值二数值三数值四平均值①84.885.18484.684.6RHB②38.740.440.739.339.8HRC③38.737.636.238.537.6HRC④85.986.685.187.786.3HRB⑤23.520.622.427.823.1HRC⑥39.840.7HRC⑦87.788.889.288.588.6HRB⑧86.987.788.189.388.0HRB⑨8786.685.987.486.7HRB3.5修复数据的对比分析据实验所测量出的数据可知，由于不同材料、不同条件对熔覆后硬度产生了不同程度的修复和影响。从硬度单位看多为洛氏硬度单位，而洛氏硬度又有HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测量范围和应用范围也不同。一般生产中HRC用得最多。压痕较小，可测较薄得材料和硬得材料和成品件得硬度。其中HRB是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。而HRC则是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。通常，HRC适用范围HRC20--67，相当于HB225--650。若硬度高于此范围则用洛式硬HRA。相反，若硬度低于此范围则用洛式硬度HRB。根据对比，工件初始的平均硬度为68.75HRB，而在镍基合金熔覆后每组实验的平均硬度都在HRC40--50之间，明确显示了被修复工件增加了表面硬度，比之原先可以更加耐磨。而在铁基合金熔覆下的实验显示，相同材料的熔覆修复无法大幅度增强工件硬度，大部分只能在基础上提升。但若在一定条件下也可以有较大的提升。与镍基合金相比，在相同条件下其最高硬度却只有镍基合金最低硬度的硬度值。综上数据分析，我们在修复平面类零件时，需要注意尽量避免使用同类型材料的熔覆材料对受损工件进行修复。根据工件受损的情况采取相应的修复方式，才能更好更完美的修复受损工件。在修复中对于能影响修复好坏程度的一些可控因素应尽量不要改变，如主轴转速、对应的修复熔覆材料等，为节省材料应尽量使熔覆材料完全熔化，防止在修复过程中出现其他的可能影响修复强度的问题。第四章熔覆结合强度观测金属的熔覆结合强度同样可以表明熔覆修复后的工件是否合格、耐磨程度。如果结合强度不够，那么工件在修复后投入使用时，会因为摩擦、冲击、受热等原因在短时间内再次受损或是直接报废，亦或者熔覆层会直接脱落也有可能。所以通过观测金属熔覆过后的结合强度，能更好的判断工件的修复好坏。为了更好地观测，我们将工件对半切开切成长条状。一致主轴转速相同的三组为一块切成三小块条状，然后将其中一侧面先用砂轮机打磨再用不同的砂纸打磨成几近镜面的程度。将全部的六块小工件全部打磨好并做好相对应的标记以防出现混淆。实验前需要使用稀释后浓度为4mol/L的盐酸将熔覆结合处进行一定的腐蚀，以便观察存在的细微差异。观察需要用到金相显微镜，金相显微镜是将光学显微镜技术、光电转换技术、计算机图像处理技术完美地结合在一起而开发研制成的高科技产品，可以在计算机上很方便地观察金相图像，从而对金相图谱进行分析，评级等以及对图片进行输出、打印。图4.1金相显微镜设备通过金相显微镜拍摄呈现的图像显示，在主轴转速相同时，硬度高的熔覆层与工件结合的相对较好，结合处的金属颜色会与熔覆金属材料和工件基体的金属颜色相对接近形成一小处过渡色（图中上部为熔覆层，下部为基体）。（1）如图所示为镍基熔覆结合处显微图：镍基第2组镍基第5组镍基第7组（2）如图所示为铁基熔覆结合处显微图：铁基第2组铁基第6组铁基第7组通过观察发现可以得知，熔覆后熔覆层硬度较高的几组的结合处都会存在较明显过渡层，而其他组的显微图结合处则是存在鲜明的色差，所以我们推断工件修复后硬度高的相对的结合强度也会比较高。5.总结根据各项试验可知，等离子熔覆对修复平面类零件的受损具有很有效作用。不同的的材料，对工件进行修复会有不同的效果。大多数平面类的零件或部件都是有钢铁铸成，同材料的修复相对的结合性会比较高，但是对修复的零件表面改性及提高硬度并不大。同时，在不同条件下铁基熔覆层的硬度会存在一定的大幅度起伏，虽然无法和镍基材料熔覆出来的熔覆层相比，但也有一定作用。而从镍基熔覆层的硬度和结合程度等方面来看，各方面都比铁基熔覆有优势。另外，在熔覆的过程中发现，等离子熔覆相比于激光熔覆，在耗费材料、粉末放置、材料质量需求上会有所不足，但是在质量、工艺、精细程度上却很不错，在细节上能够处理的更好。依据整个实验，修复工件除了要选取合适的修复材料外，还需要对熔覆时产生等离子电弧的电流及送粉速度进行相应的控制才能更好地对工件进行修复，使工件最大程度的被进行表面改性，提高硬度。但是要更为准确地掌握熔覆条件对工件修复和表面改性的影响还需要建立准确的数学模型。通过模型做更为细致的研究，得到更为精准的工艺参数定值。6.致谢本文是在指导老师朱红雨院长的悉心指导、关心和帮助下完成的。在课题进展过程中，导师提出了许多指导性意见，对本论文的顺利完成起到了至关重要的作用。在此期间的学习和生活中，朱院长认真的态度、严谨的作风、渊博的学识、使我受益颇深。在此，谨向我的老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！感谢刘朝正、胡春涛、吴石将等同学在实验过程中给予的支持和帮助。感谢南京硕安机电设备安装有限公司提供的实验支持和技术指导，感谢田总在实验期间所给予的各项帮助。再次向关心和支持我的老师、同学们表示最诚挚的谢意！7.参考文献[1]李晓薇，张嘉华.激光熔覆技术的研究进展[J].激光杂志，2007，28（2）:1-2.[2]陈浩，潘春旭，潘邻等.激光熔覆耐磨涂层的研究进展[J].金属热处理，2002,27,(9)：5-10.[3]江吉彬,练国富,许明三.激光熔覆