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1、专业综专业综专业综专业综 合合实验实验实验实验 二、等离子束表面二、等离子束表面处处处处理技理技术术术术等离子束表面处理技术简介等离子束表面处理技术简介磨损 为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能机械零部件失效 腐蚀 表面改性处理断裂等离子束表面处理技术简介等离子束表面处理技术简介喷涂层激光束、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 传统表面改性技术 渗层镀层等离子束表面处理技术简介等离子束表面处理技术简介在热喷涂、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，组织成分极
2、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； 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，但生产效率低，能量利用率低，设备投资大、维护费用高、使用成本高。等离子束表面处理技术简介等离子束表面处理技术简介1 等离子束表面处处理的优优点2 等离子束表面强化原理3 等离子束表面强化方式4 等离子束表面强化机理5 举举例 等离子弧等离子弧压缩电弧：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电，使其间的气体介质Ar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“机械压缩”。同时通
3、过的高压气体介质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心集中，弧柱被进一步压缩，这种作用称为“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“导线”内移动，其自身的磁场所产生的电磁力，使这些“导线”互相吸引靠近，弧柱又进一步被压缩,这种压缩作用称为“磁压缩” 。在上述三种压缩作用下，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104，称为等离子束。 等离子弧焊等离子弧焊1 1 等离子表面处理的优点等离子表面处理的优点 等离子束能量密度高、温度高、加热热速度快、时间时间 短,处处理工件变变形小或无变变形,工作效率高等离子束表面
4、改性技术术，一次性投资资只有激光的1/3-/1/2，运行成本只有激光处处理的1/3，且硬化效果与激光相当，是非常有前途的表面工程技术术。2 2 等离子表面强化原理等离子表面强化原理 等离子表面强化的基本原理是利用用氩氩气或氮气等气体放电电形成压缩电压缩电 弧的高密度能量束（等离子束），其能量密度达数百kW/cm2，弧柱中心温度可达10000，加热热速度非常快。当利用等离子束扫扫描材料表面时时，其表面温度在瞬间间可迅速升至相变变温度以上或至熔点，由于加热时间热时间 短，加热层热层 很浅，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成细细密的白口组织组织 、隐隐晶马马氏体、高硬度化合物等高硬度组织组织 ，
5、从而实现实现 表面强化之目的。3 3 等离子表面强化方式等离子表面强化方式（1）固态态相变变硬化 等离子束流快速扫扫描工件工件被加热热到固态态相变变温度以上依靠工件自身快速冷却发发生淬火淬硬层组织细层组织细 小，硬度比常规规淬火工艺艺高出20%以上，耐磨性可提高23倍，工件几乎无变变形，处处理后的材料表面形貌无改变变，可直接使用。3 等离子表面强化方式（2）表面熔凝硬化 等离子束流快速扫扫描工件表面形成熔池依靠工件自身冷却和向空气散热热快速凝固硬化效果显显著，但发发生了液态态到固态态的转变转变 ，产产生铸铸造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化层层因凝固反应应而突起，一般需经过经过 磨削后方可使用
6、，增加了制造工序和成本。（适于铸铁铸铁 和高合金钢钢） 3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化表面预预涂敷合金粉末或同步送粉等离子束流快速扫扫描工件，合金元素熔入等离子束扫扫描形成的微熔池中，反应应形成新相依靠工件自身快冷和向空气散热热快速凝固 3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化等离子熔覆示意图3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化基体材料：碳钢钢：Q235、20、45、16Mn合金钢钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ；铸铁铸铁 ：HT200、QT600、合金铸铁铸铁 ；有色金属合金：Al合金、Ti 合金 3 等离
7、子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化熔覆材料：铁铁基合金粉末、镍镍基合金粉末、钴钴基合金粉末需要时时加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度 3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化熔覆材料：铁铁基合金粉末：熔覆层层具有优优良的耐磨性，但脆性较较大铁铬硅硼合金粉末：50HRC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的强化和修复。3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化熔覆材料：镍镍基合金粉末：熔覆层层耐磨、耐蚀蚀、抗氧化镍铬硼硅合金粉末：2565HRC，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，各种低应力磨料磨损
8、的零件，耐蚀件和工作温度不超过700 的零件，以及铸铁、钢件缺陷的修补。 3 等离子表面强化方式（3）等离子束熔覆强化熔覆材料：钴钴基合金粉末：熔覆层层具有优优良的高温性能，较较好的热热强性、热蚀热蚀 性、韧韧性以及冷热热疲劳劳性能。 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 等。4 等离子束表面强化机理等离子束表面处处理过过程属于非平衡快速凝固过过程。（1）相变变硬化（2）细细晶强化（3）弥散强化（4）固溶强化 等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织层组织 与性能的影响 材控01级级 李征
9、等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织层组织 与性能的影响等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织层组织 与性能的影响1 1熔化熔化层层层层，2 2固固态态态态相相变层变层变层变层 ，3 3基体基体 图图图图 2 2 硬化硬化层层层层全貌全貌 35 35 硼硼铸铁经铸铁经铸铁经铸铁经 等离子表面微熔等离子表面微熔处处处处理后，其耐磨性大理后，其耐磨性大约约约约提提高了高了2 2倍。倍。等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织层组织 与性能的影响图图 3 熔化区组织组织 莱氏体少量未溶石墨 400 等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织
10、层组织 与性能的影响图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等离子束扫扫描速度对对硼铸铁铸铁 微熔处处理硬化层组织层组织 与性能的影响 针针状马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 硬化层的耐磨性是基体的3倍 等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层层的组织组织 和性能 材科02级级 鲁鲁煜铸铁铸铁 表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层层的组织组织 和性能a)b)c)d)e)f)表示从表层到结合界面的组织熔覆层的组织，（Cr,Fe）7C 3 三维形貌铸铁铸铁 表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂
11、层层的组织组织 和性能图图4 熔覆层层界面组织组织 铸铁铸铁 表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层层的组织组织 和性能熔覆道宏观观形貌316L不锈钢锈钢 等离子熔覆Ni基合金涂层层的组织组织 与耐蚀蚀性能熔覆层层低倍形貌316L不锈钢锈钢 等离子熔覆Ni基合金涂层层的组织组织 与耐蚀蚀性能熔覆层层的硬度分布曲线线316L不锈钢锈钢 等离子熔覆Ni基合金涂层层的组织组织 与耐蚀蚀性能喷焊层喷焊层 的低倍组织组织45钢钢等离子喷焊钴喷焊钴 基合金涂层组织层组织 与性能研究实验实验 内容1、以56人为一组，每组在45钢、HT250试样上分别进行等离子淬火硬化和等离子熔凝硬化处理实验。2、试验工艺方案制定好后经老师审查通过方可进行实验。3、处理试样、取样、制备金相试样、观察采集金相组织图片、硬化层硬度测试。参考文献1、等离子技术在材料加工中的应用2、铸铁等离子束淬火区的特点
