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1、,等离子束表面处理技术及应用 材料科学与工程教研室 2013-01-15,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,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,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；
2、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,1 等离子束表面处理的优点 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 近年来开展的工作,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
3、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,等离子熔覆基本原理图,等离子熔覆示意图,高能束熔覆示意图,等离子熔覆示意图,等离子熔覆示意图,1 等离子表面处理的优点,等离子束能量密度高、温度高、加热速度快、时间短,处理工件变形小或无变形,工作效率高,等离子束表面改性技术，一次性投资只有激光的1/3-/1
4、/2，运行成本只有激光处理的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。,2 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气或氮气等气体放电形成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，加热速度非常快。当利用等离子束扫描材料表面时，其表面温度在瞬间可迅速升至相变温度以上或至熔点，由于加热时间短，加热层很浅，靠工件自身以很大冷却速度快速冷却，形成细密的白口组织、隐晶马氏体、高硬度化合物等高硬度组织，从而实现表面强化之目的。,3 等离子表面强化方式,（1）固态相变硬化,等离子束流 快速扫描工件,工件被加热到固态相变温度以上
5、,依靠工件自身快速冷却发生淬火,淬硬层组织细小，硬度比常规淬火工艺高出20%以上，耐磨性可提高23倍，工件几乎无变形，处理后的材料表面形貌无改变，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 快速扫描工件,表面形成熔池,依靠工件自身冷却和向空气散热快速凝固,硬化效果显著，但硬化层的形成过程中，发生了液态到固态的转变，产生铸造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化层因凝固反应而突起，采用该种硬化方式处理的工件，一般需经过珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（适于铸铁和高合金钢）,3 等离子表面强化方式,（3）等离子束熔覆强化,表面预涂敷合金粉末或同步送粉,等离子束流快速扫描工
6、件，合金元素熔入等离子束扫描形成的微熔池中，反应形成新相,依靠工件自身快冷和向空气散热快速凝固,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：Q235、20、45、16Mn 合金钢：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ； 铸铁：HT200、QT600、合金铸铁； 有色金属合金：Al合金、Ti 合金,3 等离子表面强化方式,（3）等离子束熔覆强化,熔覆材料： 铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末 需要时加入：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： 铁基
7、合金粉末：熔覆层具有优良的耐磨性，但脆性较大 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： 镍基合金粉末：熔覆层耐磨、耐蚀、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： 钴基合金粉末：熔覆层具有优良的高温性能，较好的热强性、热蚀性、韧性以及冷热疲劳性能
8、。 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,等离子束表面处理过程属于非平衡快速凝固过程。 （1）相变硬化 （2）细晶强化 （3）弥散强化 （4）固溶强化,5 近几年来开展的工作,1) 等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的 影响（2005届毕业设计，材控01级 李征） 2) 等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能（2006届 毕业设计，材科02级 鲁煜） 3) 316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与性能（2007 届毕业设计，材科03级 谢
9、涛） 4) H13钢等离子熔覆Ni基合金35%W涂层的组织与性能（2008届毕业设计，材科04级 刘海青） 5) 等离子熔凝处理对球铁组织及性能的影响（2009届毕业设计，材科05级 吴广东） 6) H13模具钢等离子熔凝处理硬化层的组织和性能（2010届毕业设计，材科06级 王硕） 7) 304不锈钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究（2011届毕业设计，材科07级 栗志涛）,5 近几年来开展的工作,等离子束扫描速度对硼铸铁 微熔处理硬化层组织与性能的影响,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,1熔化层，2固态相变层
10、，3基体 图 2 硬化层全貌 35,硼铸铁经等离子表面微熔处理后，其耐磨性大约提高了2倍。,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,图 3 熔化区组织 莱氏体少量未溶石墨 400,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化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,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,图5 固态相变区SEM组织：针状马氏体残余奥氏体片状石墨少量含硼碳化物和磷共晶的复合组织,（a）右边为熔化区底部 500,（b）相变区上部放大组织 3000,等离子束扫描速度对硼
11、铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,图9 相变区与基体交界处SEM组织 针状马氏体珠光体残余奥氏体片状石墨含硼碳化物和磷共晶的复合组织 2000 右边靠近相变区为非完全淬火区，左边靠近基体,等离子束扫描速度对硼铸铁微熔处理硬化层组织与性能的影响,针状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,5 近几年来开展的工作,等离子束表面熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,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,铸铁表面等离子
12、熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,熔覆层组织,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,图4 熔覆层界面组织,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层,界面附近各元素分布图,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,a）熔覆层 b)基体 图8 试样磨损后表面的SEM形貌,等离子熔覆处理后其耐磨性提高了约5倍。,铸铁表面等离子熔覆Fe-Cr-Si-B涂层的组织和性能,5 近几年来开展的工作,316L不锈钢等离子熔覆 Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,熔覆道宏观形貌,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的
13、组织与耐蚀性能,熔覆层低倍形貌,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,熔覆层组织,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,熔覆层与基体的界面组织,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,熔覆层的X射线衍射图,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,界面处的溶质分布,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,熔覆层的硬度分布曲线,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,不锈钢基体和熔覆层的塔菲尔曲线,316L不锈钢等离子熔覆Ni基合金涂层的组织与耐蚀性能,喷焊层的宏观形貌,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,喷焊层的低倍组织,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,喷焊层的低倍组织,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,喷焊层组织,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,喷焊层组织,45钢等离子喷焊钴基合金涂层组织与性能研究,喷焊层硬度分布曲线,45钢等离子喷焊铁基合金涂层组织与性能研究,等离子表面处理技术及应用,谢 谢！,
