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1、材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域【1】，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。激光束、电子束、离子束同为高能密度束，由于能量密度高，穿透性强，已广泛应用于金属表面改性【2】，其中，压缩电弧等离子束表面处理技术是近年来发展的一种材料表面处理新技术，其特点在于获得高的表面加热、冷却速度或直接把元素注入或熔入材料表面，通过改变材料表面的物理结构或化学组分，使材料的性能得以显著改善和提高。目前，等离子表面处理因其性能的优势和低廉的成本已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。等离子体是一种电离的气态物质，存在具有一定能
2、量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。一些粒子还会注入到材料表面引起碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化及非晶化，从而改变材料的表面性能。根据温度不同 ,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)3。高温等离子体的温度高达 106 K108K，在太阳表面、核聚变和激光聚变中获得。低温等离子体的温度为室温310K，其中热等离子体一般为稠密等离子体，冷等离子体一般为稀薄等离子体。在材料表面改性技术中，溅射、离子镀、离子注入、等离子化学热处理工艺应用的是在低压条件下放电产生的低压(冷)等离
3、子体，而等离子喷涂、等离子淬火及多元共渗相变强化、等离子熔覆或表面冶金等工艺中应用的是低温等离子体中的稠密热等离子体，通常指压缩电弧等离子束流。等离子熔覆技术是采用等离子束为热源，在金属表面获得优异的耐磨、耐蚀、耐热、耐冲击等性能的新型材料表面改性技术。其基本原理如图 1 所示：在按照程序轨迹运行的 DC - Plasma - Jet 等离子束流的高温下，高能束流熔敷的过程是把合金粉末利用同步送粉器送到需要进行强化处理的工件表面，同时利用高能束流辐照使合金粉末熔化，工件表面浅层同时熔化，在工件表面形成合金熔池，高能束流束移开之后，在工件自身的快速热传导以及工件周围空气的辐射传热作用下，合金熔池
4、快速凝固，从而形成成分均匀、致密、组织细小均匀、无显微气孔及裂纹，同工件形成良好冶金结合的高质量冶金涂层。目前，等离子束熔覆大多采用喷涂用 Ni 基、Co 基和 Fe 基自熔合金粉末，向自熔合金中添加 WC、TiC 等陶瓷相及陶瓷形成元素，可形成陶瓷复合涂层或梯度涂层。热喷涂粉末结晶温度区间大，应用于等离子束熔覆时，涂层气孔和裂纹倾向增大。等离子熔覆属于一种表面快速冶金过程，可得到符合相图的各种合金，也可得到远离平衡的超合金。因而开发等离子熔覆专用材料将是等离子熔覆研究的重要方向之一。熔覆材料的引入方式将直接影响熔覆层的质量和服役性能。预引入法(或预涂覆法)易于涂覆混合成分的粉末，但难以使预置
5、层厚度均匀，基材的熔深和稀释率不易控制，多道搭接时易翘曲，粘接剂挥发易造成粉末飞溅和形成气孔，另外，生产效率低，粉末浪费大。因此 ，近年来同步送粉熔覆技术逐步受到重视，成为国内外研究的重点。与预引入法相比，同步送粉法要求预制合金粉，但仅限于符合平衡相图的合金匹配。如要得到超合金层，则须使用混合粉，但要求混合粉末中各成分的密度、粒度、粉末形状和固态流动性基本一致，且流动性要好，否则会带来送粉技术中的问题，影响熔覆层的内在和外观质量。这为进一步研究熔覆专用同步送粉技术与装置提出了一个新课题。等离子熔覆是一种快速非平衡凝固过程，同时具有过饱和固溶强化、组织强化、弥散强化和沉淀强化等不可忽视的作用。与
6、激光熔覆、电子束熔覆相比，等离子熔覆是一种优质、高效、低成本的表面改性新技术。负压等离子束熔覆复合新材料强化技术标志着在这一领域的领先水平，已成功应用于煤矿采掘运输设备中。工程机械、矿山机械中有许多零部件在服役过程中受到苛刻的冲击磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。目前根据零部件工艺要求和冲击韧性，一般都采用锻造及焊接性能良好的高强度低碳低合金钢制造，但这类钢经热处理后的硬度和耐磨性能较低，少量采用耐磨钢(如Mn13 等)及高铬铸铁等制造。前者表面受冲击部位加工硬化后才能提高其耐磨性，两者都存在成本高、加工成型与焊接性能差等缺点。耐磨堆焊技术焊条利用率低，熔深和稀释率不一致导致硬度不均匀，硬度和耐磨性的
7、提高受到限制，表面粗糙难以加工，工件变形大。激光束熔覆复合陶瓷涂层可以实现表面的高质量和性能，但激光设备投资大，操作环境要求严格，熔覆效率低，成本高。因此，有必要寻求新的优质、高效及低成本的材料表面改性技术，以满足日益发展的工程技术需要。复合板具有良好的综合性能及优越的性价比，国内外都非常重视它的研究与开发。在品种方面，根据不同的材料服役条件，开发了钛系列、不锈钢系列、铝系列、铜系列复合板等，在成形工艺方面则研究了如爆炸复合法、轧制复合法、扩散焊接法等。新技术新工艺的不断研究与开发将对复合板生产实现高质量、低成本、高效率有很大的促进作用。目前金属复合板的制备方法有3种, 即固-固相复合法、液-
8、固相复合法和液-液相复合法。固-固相复合法包括直接轧制法、爆炸制坯-轧制法、挤压复合法、烧结法等； 液-固相复合法包括复合浇铸法、反向凝固法、铸轧法等； 液-液相复合法有电磁连铸法。复合板的优点金属复合材料是由两种或两种以上金属经复合而形成的一种新型材料，由于其工艺的先进性和材料本身的技术特性，因而复合板材具有单种金属材料不可比拟的优点。（1）复合板的结构中，基、复材的比例比较大，节约了贵重金属，显示了价格上的优越性。如钛/钢、镍/钢复合板的价格仅相当于纯钛和纯镍板的1/5-1/10。（2）良好的综合性能。如不锈钢/ 碳钢复合材料在弱腐蚀行业的应用既解决了材料的耐蚀性，又解决了其设计强度。（3
9、）解决了材料的可焊性问题。由于其优越的技术特性以及其优越的性价比，也使得复合板的应用前景非常广阔。如不锈钢复合板可广泛应用于石油化工、机械、医药卫生、环境保护等行业。钛复合板在航空工业、宇航、冶金等行业的应用将会有很大的发展空间。稀土元素的影响：以上分析表明：稀土的加入改善了熔覆层与基体的结合界面，增加了结合强度，同时，熔覆层内溶质分布更加均匀，提高了熔覆层的微观质量。工艺参数对熔覆层质量的影响：良好的等离子熔覆层应该是表面光滑，无裂纹，合金化层成分均匀，基体与熔覆层界面为冶金结合，较小的稀释率和比较高的熔覆效率。扫描速度、工作电流与电压、等离子炬与工件之间的距离、喷嘴大小等都将影响粉末的加热
10、状态，进而影响熔覆层的宏观及微观质量。(1) 工作电流:当电流较小时(如 I 5mm)，一方面需增大工作电流，另一方面涂层物料反应或粘结剂熔化蒸发所产生的气体不容易上浮逸出，熔覆层中将产生气孔、夹渣等缺陷。总之，需经过试验才能使工艺参数达到最佳组合，得到最优的熔覆效果，尤其是工件速度、工作电流、涂层厚度等的优化，对熔覆层质量更加重要。在冶金、矿山、电力、建材等行业生产中，机械设备运行条件比较恶劣，最突出的是采用钢板制作的构件冲击磨损严重，造成大量的原料漏失，影响生产，破坏工作环境，增加了劳动强度。目前工程设计与检修时大部分对付易磨损钢板构件的材料，主要还是采用传统的普碳钢板、低合金锰钢板和耐磨
11、合金整体铸造衬板。尽管低合金锰钢板的耐磨程度比普碳钢板要高一些，但其使用周期仍然很短，导致板件修补更换频繁。因为这些钢板根本没有设计耐磨性能。同时大部份耐磨铸件结构较笨重，耐磨性能并不是很理想，脆性较大，不耐冲击,易发生断裂。因为耐磨铸件笨重给安装维修带来很多不便，耐磨铸件钢板是整体合金材料做成。因此造价很高，也不利于降低材料成本。最不方便的是，耐磨铸件钢板不能采用灵活方便的焊接方法与其它部件焊接，（因为它是整体合金材料，焊接会开裂脱落，只能用螺栓连接法）给维修更换工作带来了困难。等离子束流作为冶金热源的潜在优势，具体表现为以下主要特征： （1）良好的导电性 常规气体的电阻是极大的，但一旦电离成等离子体，则自然成了导电体，其电阻常不 大于 1 欧姆。这一特性成为了设计电源的重要考虑。 （2）能量高度集中，加热速度极快 等离子束流能量高度集中，这对实现表面快速冶金是十分有利的。当气体进入电弧的 瞬间即成为离子态，反之一旦离开，离子马上复合成原子、分子，放出大量的热，获得常 规冶金过程中所无法实现的高温。 （3）具有高的电热转换效率和传热效率 与非转移弧相比，等离子体转移弧的焓值则更高。 （4）良好的可控性 转移型压缩电弧等离子束流具有良好的稳定性和指向性。 （5）氩气对熔体有良好的保护作用。 （6）在高温等离子束流作用下 S、P、Pb、Sb、Be、Sn、As 等杂质易挥发。
