1、等离子束表面冶金复合材料技术研究 摘 要 定义了等离子束表面冶金复合材料技术特征。研制了等离子束表面冶金设备。对等离子束表面冶金技术和其他相近技术如等离子堆焊技术等进行了比较。等离子束表面冶金是一种快速非平衡冶金反应过程，类似粉末冶金。原则上可不受组成物的相溶性、熔点、密度等性质的限制，因此不需要预制合金雾化粉，可利用任意粉末的任意配比，获得通常冶 金方法不能得到的（组织与）物相。等离子束表面冶金方法效率高，操作简便，成本低，应用前景广阔。 关键词 等离子束；表面冶金；堆焊；非平衡相；表面强化 中图分类号 TG174 文献表识码 A 关键词致谢：作者在从事纳米材料的研究中得到国家自然科学基金委
2、（国家自然科学基金资助课题：59001447，59321001，59431021，59771019，59471014，59431022）、国家科委（攀登计划：纳米材料科学）、中国科学院的资助，谨在此对上述机构表示衷心感谢。Study on the Technology of Composite Material Production by Plasma-Jet Surface Metallurgy (University of Science and Technology, Beijing 100083;2 Institute of Material, Shandong University
3、of Science and Technology, Tai an 271019;3 Central Committee of Revolutionary Committee of the Kuomintang, 100006） Abstract The technical feature of composite material production by plasma-jet surface metallurgy is delimited.A plasma-jet surface metallurgical equipment is developed.The technology of
4、 plasma-jet surface metallurgy with the else corresponding technology such as plasma build-up welding technique is compared.Plasma-jet surface metallurgy is a kind of rapid, non-equilibrium metallurgical process, which is similar to powder metallurgy. The process can not be restricted by consistency
5、, melting point, density of constituents, so prealloy powders are not needed. And it can obtain some special structures and phases in random powder and random match. Plasma-jet surface metallurgy has such characteristics as high efficiency, simple operation, low cost, and has extensive application p
6、rospect. Key words plasma jet;surface metallurgy;build-up welding;non-equilibrium phase;surface strengthening;1 前言 金属零件往往要求同时具备高硬度高耐磨耐腐蚀和高强韧性。表面性能主要依靠表面技术来提高。电镀、等离子喷涂等技术生产的硬化层结合力差，不抗冲击和热疲劳，生产过程污水、粉尘、噪声等污染严重，难以推广应用。堆焊、熔覆、表面冶金等技术目前已成为工业上受欢迎的实用技术。耐磨焊条自由电弧堆焊可控性差， 熔深和稀释率不均匀，气孔夹渣多，发展潜力有限，本文不再过多论述。堆焊、熔覆、表面
7、冶金都涉及到高能量束流。高能量束流能量集中、效率高、无三废排放、 应用方式灵活、可实现其他方法无法获得的优异性能，近年来获得了快速发展。目前已获得工业应用的高能量束流有激光束、电子束、离子束、等离子束、聚集太阳 能等，其中DC-Plasma-Jet直流放电压缩电弧等离子束具有束流能量密度大，能量转换效率高，可大气中操作，设备维护简便等特点，因而广泛应用于 快速扫描表面淬火、多元共渗合金相变强化、快速熔凝白口硬化、喷涂、堆焊、熔覆和表面冶金等119，发展速度超过了其他高能量束流。利用等离子束进行表面冶金可获得与基体呈冶金结合、组织性能均匀一致、性能优良的金属复合材料。 2 等离子束表面冶金技术特
8、征 等离子束表面冶金技术特征的定义是：在按照程序轨迹运行的转移弧等离子束流的高温下，金属零件表面率先依次形成与弧截面尺寸相近且有一定深度的熔池，然后 将物理混合搅拌均匀的混合粉末或者预先冶炼喷雾而成的合金粉末注入到熔池中，粉末吸收熔池的热量迅速熔化，与熔池金属混合扩散反应，随着等离子弧柱的向前 移动，新的熔池不断生成，而后面的熔池迅速凝固，形成与基体金属之间存在冶金过渡层且成分与基体完全不同的高合金或伪合金层。 按照等离子束表面冶金的技术特征，其与熔覆技术的差异在于，熔覆是预先将混合好的浆料涂敷于基体材料表面，干燥后用高能束流照射涂敷层使之熔化，基体表面 产生微熔层，冷却后凝固结合到一起。涂敷
9、的材料在熔覆前后主要经历了熔化凝固过程，没有与基体显著的混合扩散反应过程。为了达到基体表面的微熔，涂敷材 料的熔点一般应不小于基体材料熔点。 按照等离子束表面冶金的技术特征，其与表面涂敷烧结技术的差异在于，涂敷烧结是把预涂好的基体材料整体加热，类似钎焊或搪瓷，基体不熔而涂敷材料熔化流平形成涂层，因此涂敷材料的熔点须低于基体材料。 按照等离子束表面冶金的技术特征，其与堆焊技术的差异在于，堆焊焊条或焊丝作为熔化电极比基体金属熔化快得多，尽管其稀释率比熔覆要高，但仍远低于等离子束表面冶金，堆焊层成分主要是焊条及焊药成分。另外焊条或焊丝制造工艺限制了其成分的选择范围，选择范围比等离子束表面冶金小得多。
10、 按照等离子束表面冶金的技术特征，其与等离子喷涂技术的差异在于，等离子喷涂层组织呈叠片状，与基体主要是机械嵌合，在剧烈频繁的机械或热冲击下易剥落。为了提高涂层结合力，要求有严格的前处理和高的射流速度，喷涂粉末熔点不能太高，凝固区间要宽、粉末粒径分布要窄，这就造成了前处理和喷涂过程中的粉尘噪声污染和合金粉末的高散失率，也限制了选材空间，增大了粉末预制成本。等离子喷涂的放电方式与等离子束表面冶金不同，为非转移弧放电，其优点是不受基体形状和导电性的影响，缺点是热效率低，大量的热量被喷嘴的冷却水带走，喷嘴烧蚀快。等离子喷焊是在喷涂基础上增大了重熔因素，与熔覆是相近的。另外喷涂对象一般是连续、连贯或大面
11、积均匀的，工作过程中不 要求频繁中断和起动，对送粉和等离子弧的同步开关性要求不十分严格。而等离子束表面冶金对象一般是机械零部 件上某一或某些局部耐磨部位，连续化工业生产过程要求工件一次装夹，三轴数控，设定程序，按照程序多次频繁起弧灭弧。如果起弧时送粉滞后会产生熔蚀坑，如果灭弧后停粉滞后，会产生合金粉末的大量散失，这都是不允许的。因此等离子束表面冶金中送粉和弧的起灭要严格同步，粉末喷射速率也不能太高。 3设备按照等离子束表面冶金的技术特征，相应的设备、工艺与材料系列都需要按照工业需求开展研究。等离子束表面冶金的主要目的是得到呈冶金结合的均匀密实的高质 量梯度复合冶金层，以满足某些机械零部件的高抗
12、冲击、高耐磨以及耐高温氧化的使用要求。为此，要对影响等离子束冶金涂层质量的各种因素进行研究。大量的试 验和生产结果表明，影响等离子束表面冶金质量的主要因素有：加入粉末的成分与配伍方式、粉末流量及送粉位置、自熔性、流平性、对基体的润湿性、等离子工作 气、保护气、送粉气的种类和流量、等离子炬的放电方式、功率、喷嘴的直径与形状、扫描速度、基体预热温度以及基体零件的冷却方式等。 等离子束表面冶金设备由等离子电源、等离子炬、送粉系统、机床、控制系统、冷却系统等组成，其核心部件为专用的表面冶金送粉器和等离子炬，其基本要求是能 够稳定、可控地定量送入不同粉体颗粒形状、不同密度、宽粒度分布的任意混合粉末，能够稳定地在大气环境中产生束流截面功率密度分布较为均匀的等离子束。 为了实现任意合金体系的表面冶金研究，首先要解决各种材料的粉体制备技术，不然的话表面冶金研究就只能是无本之木。但是由于不(漀%讀缁缀鳤節貔%頀h搀椀褃褃褃褃鬃匃一吀皑蒑驭鼀偓瀀搀昀瀀椀挀最椀昀匀一吀皑蒑驭齛偓瀀搀昀尀尀昀戀昀搀戀攀愀戀挀戀戀昀挀甀圀甀洀圀焀樀戀欀夀琀堀昀漀匀倀甀樀娀搀樀吀欀匀刀渀堀攀椀栀搀礀儀猀渀皑驭鼀偓撌戀挀挀戀戀戀愀戀攀愀搀挀昀昀攀攀挀挀愀漀愀氀愀戀攀愀爀蕖匀矴胔-鑻+棙i缀
