等離子噴焊鎳基合金.doc

西 南 交 通 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）等離子噴焊鎳基合金耐磨性能研究年 級(jí):2007級(jí)學(xué) 號(hào):20075301姓 名:孫 兵專 業(yè):材料成型及控制工程指導(dǎo)老師:車小莉、李達(dá) 2011 年 06 月 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)院 系 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 材料成型及控制工程 年 級(jí) 2007級(jí) 姓 名 孫 兵 題 目 等離子噴焊鎳基合金耐磨性能研究 指導(dǎo)教師 車小莉、李達(dá)評(píng) 語(yǔ) 指導(dǎo)教師 (簽章)評(píng) 閱 人評(píng) 語(yǔ) 評(píng) 閱 人 (簽章)成 績(jī) 答辯委員會(huì)主任 (簽章) 年 月 日 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書班 級(jí) 成型2007-01班 學(xué)生姓名 孫 兵 學(xué) 號(hào) 20075301 發(fā)題日期： 2011年 3 月 8 日 完成日期： 2011年6月 16 日題 目等離子噴焊鎳基合金耐磨性能研究 1、本論文的目的、意義 隨著列車速度的提高，高速鐵路關(guān)鍵材料，如鋼軌、軸承以及搗搞等材料的磨損、腐蝕等失效情況也變得日益嚴(yán)重。因此如何提高高速 列車關(guān)鍵材料的耐磨性及疲勞壽命是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。利用等離子熱源在材 料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，具有合金材料消耗少，能 夠噴焊各種合金粉末材料，可得到稀釋率低，結(jié)合強(qiáng)度高的致密合金層。同時(shí)，根據(jù)材料實(shí)際工況的使用要求，可以對(duì)不同的合金粉末進(jìn)行噴焊，成本低、生產(chǎn)率高。鎳基合金具有良好的高溫性能和耐磨耐蝕性，是國(guó)內(nèi)外普遍采用的合金粉末。因此，本文擬對(duì)等離子噴焊鎳基合金噴焊層的耐磨性能進(jìn)行基本的研究，同時(shí)和現(xiàn)階段使用的堆焊搗鎬耐磨性能進(jìn)行對(duì)比，為后續(xù)耐磨噴焊層的制備以及具體的工程應(yīng)用提供理論參考的實(shí)際指導(dǎo)作用。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)（1） 閱讀中英文文獻(xiàn)，熟悉等離子噴焊相關(guān)理論及其應(yīng)用； （2） 采用等離子噴焊設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行噴焊試驗(yàn)； （3） 對(duì)噴焊層顯微組織形貌、硬度以及耐磨性等進(jìn)行試驗(yàn)及分析； （4） 根據(jù)以上學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)?zāi)苷莆盏入x子弧噴焊的基本原理、應(yīng)用，熟悉材料學(xué)中顯微組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試的基本知識(shí)，并完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 14 周）第一部分文獻(xiàn)閱讀及文獻(xiàn)綜述的撰寫 (3周) 第二部分合金粉末準(zhǔn)備以及噴焊試驗(yàn) (3周) 第三部分噴焊試樣制備，硬度測(cè)試及顯微組織觀察 (2周)第四部分耐磨性測(cè)試 (1周) 第五部分論文撰寫及修改 (4周)評(píng)閱及答辯 (1周)備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日審 批 人： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)摘 要 現(xiàn)代高速鐵路技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí)對(duì)高速鐵路關(guān)鍵材料提出了新的挑戰(zhàn)；現(xiàn)役高速鐵路關(guān)鍵材料的磨損、腐蝕失效情況也阻礙著高速鐵路的發(fā)展。利用等離子熱源在材料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，具有合金材料消耗少，能夠噴焊各種合金粉末材料，可得到稀釋率低，結(jié)合強(qiáng)度高的致密合金層。本文使用等離子噴焊技術(shù)制備噴焊鎳基合金噴焊層以提高材料的耐磨性。本論文中主要使用等離子噴焊技術(shù)在不同轉(zhuǎn)弧電流下噴焊DG.Ni60A和DG.Ni60WC25兩種鎳基合金粉末。隨后對(duì)各噴焊層進(jìn)行了顯微組織、硬度特性和耐磨性分析，最后還將各種噴焊層耐磨性和搗鎬堆焊層耐磨性做出了對(duì)比分析。結(jié)果表明：硬質(zhì)相WC的加入通?？梢允沟貌牧嫌捕仍黾樱痪唧w噴焊時(shí)，小電流下噴焊層的硬度更高。一定條件下，轉(zhuǎn)弧電流大小對(duì)噴焊鎳基合金耐磨性具有很大的影響；硬質(zhì)相WC的加入在有些時(shí)候可以提高噴焊層的耐磨性，但在另外一些時(shí)候反而使得耐磨性降低；結(jié)果顯示出轉(zhuǎn)弧電流越小，耐磨性能越好。最后還通過(guò)噴焊層和搗鎬堆焊層耐磨性的對(duì)比，得出耐磨性優(yōu)于堆焊搗鎬的合金粉末及相應(yīng)的工藝條件。這就為在以后的工作中進(jìn)一步尋求更優(yōu)的工藝參數(shù)，尋找耐磨性、韌性更好的合金粉末，使用噴焊合金粉末的方法制備搗鎬提供了可能性。關(guān)鍵詞： 鎳基合金； 噴焊層； 耐磨性 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)Abstract The development of modern high-speed railway technology puts forward new challenges to key materials of high-speed railway; The high-speed railway key materials active wear and corrosion failure situation also hindering the development of high-speed railway. Using plasma heat source spray welding in high-performance alloy material be one of surface strenged technology, with low alloy material consumption, can spray welding various alloy powder materials, can get diluted with high strength, low rate of the density of alloys layer. This paper use plasma spray welding technology to prepare nickel-based alloy spray welding layer to improve material wear resistance.In this thesis, Use plasma spray welding technology to spary DG. Ni60A and DG. Ni60WC25 two kinds of nickel-based alloy powder in different transfer current. Then to analysis the microstructure and hardness properties and wear resistance of all kinds of spray welding layer , finally will also compare spray welded layers with clad layer oftamping pick. Results show that: The addition of hard phase WC can usually increase hardness of material ;In this plasma spray welding process,the lower current provided,the higher hardness will be shown.General speaking,the size of transfer current has a great influence on the wear resistance of nickel-based alloy.The addition of hard phase can improve wear resistance in sometimes,but will be not in another time. The result also show that the smaller transfer current,the higher wear resistance.We also gain some high quality spray layer in corresponding process conditions through compare with clad layer.So it is to provide opportunity for us to find new alloy powder、new process parameters to prepare the high wear resistance of tamping pick for using plasma spary weling.Key words: Nickel-based alloy; spray welding layer; wear resistance 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第頁(yè)第一章 緒論11.1 問(wèn)題的提出11.2 等離子弧噴焊技術(shù)11.2.1 等離子弧的基本知識(shí)21.2.2 等離子弧的工作形式31.2.3 等離子弧的基本特點(diǎn)41.2.4 等離子弧熱噴焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景51.3 鎳基合金及鎳基合金噴焊71.3.1 鎳基合金71.3.2 鎳基合金噴焊及發(fā)展現(xiàn)狀71.4 材料磨損失效理論101.4.1 磨損的基本理論101.4.2 磨料磨損的基本知識(shí)101.4.3 影響材料磨料磨損失效的因素111.4.4材料組織和硬度對(duì)耐磨性的影響121.5 本文研究的內(nèi)容及意義121.5.1 本論文研究的內(nèi)容以及試驗(yàn)方法121.5.2 本論文研究的意義13第二章 試驗(yàn)設(shè)備材料及研究方法142.1噴焊方法簡(jiǎn)介142.2 等離子噴焊設(shè)備142.2.1 等離子噴焊過(guò)程142.2.2 噴焊設(shè)備162.2.3 噴焊送粉系統(tǒng)172.2.4 非轉(zhuǎn)移弧工作形式172.2.5 直焊道噴焊裝置172.2.6 噴焊過(guò)程中的勞動(dòng)保護(hù)182.2.7 等離子弧噴焊操作流程192.3 試驗(yàn)材料192.3.1 試驗(yàn)基體材料192.3.2 噴焊合金粉末192.3 實(shí)驗(yàn)研究方法202.3.1 等離子噴焊工藝試驗(yàn)202.3.2 噴焊金相組織試驗(yàn)222.3.3 硬度測(cè)試試驗(yàn)232.3.4 耐磨性測(cè)試24第三章 噴焊層基本性能分析263.1 噴焊工藝試驗(yàn)及分析263.1.1 DG.Ni60A合金噴焊263.1.2 DG.Ni60WC25合金粉末噴焊263.2 金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論273.3 硬度結(jié)果分析及討論30第四章 鎳基噴焊層耐磨性分析394.1磨損的實(shí)驗(yàn)方法及材料耐磨性評(píng)定方法394.1.1 材料磨損程度評(píng)定方法394.2磨損失重量分析404.3磨損后試樣形貌分析454.3.1 磨損后宏觀形貌分析454.3.2 磨損后微觀形貌分析46結(jié)論48致謝50參考文獻(xiàn)51 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第56頁(yè)第一章 緒論1.1 問(wèn)題的提出隨著世界范圍內(nèi)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，新的焊接方法也隨之發(fā)展；隨著人們對(duì)構(gòu)件性能要求的提高，新的制造和修復(fù)方法也隨之發(fā)展。作為擁有諸多優(yōu)勢(shì)的等離子弧噴焊技術(shù)，在冶金、礦山、機(jī)械、電力和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)已廣泛使用，同時(shí)等離子弧噴焊技術(shù)也可以作為一種構(gòu)件修復(fù)手段。鎳基合金具有良好的耐磨性能，使用等離子弧噴焊技術(shù)制備出鎳基合金噴焊層具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 鐵路的電氣化和高速化是現(xiàn)代軌道交通的重要標(biāo)志。高速鐵路巨大的發(fā)展同時(shí)也對(duì)我國(guó)列車高耐磨材料、大型養(yǎng)路事業(yè)提出了更高的要求。隨著列車速度的提高，高速鐵路關(guān)鍵材料，如鋼軌、軸承以及搗搞等材料的磨損、腐蝕等失效情況也變得日益嚴(yán)重。因此如何提高高速列車關(guān)鍵材料的耐磨性及疲勞壽命是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。利用等離子熱源在材料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，具有合金材料消耗少，能夠噴焊各種合金粉末材料，可得到稀釋率低，結(jié)合強(qiáng)度高的致密合金層。同時(shí)，根據(jù)材料實(shí)際工況的使用要求，可以對(duì)不同的合金粉末進(jìn)行噴焊，成本低、生產(chǎn)率高 H Wang et al. Investigation on the deposition rate and the dilution ratio of plasma surface weldingJ.China Welding.2002,11(1) : 56-58 。鎳基合金具有良好的高溫性能和耐磨耐蝕性，是國(guó)內(nèi)外普遍采用的合金粉末。因此，使用等離子弧噴焊技術(shù)噴焊合金粉末來(lái)開(kāi)發(fā)新的耐磨材料、制造高耐磨關(guān)鍵材料及設(shè)備配件是具有重大現(xiàn)實(shí)意義的。1.2 等離子弧噴焊技術(shù) 等離子弧噴焊是應(yīng)用氬氣等離子弧作為高溫?zé)嵩矗捎煤辖鸱勰┳魈畛浣饘俚囊环N表面熔敷合金的新技術(shù)，是新的表面硬化或材料保護(hù)方法之一 高榮發(fā) 馬小雄編著 等離子弧噴焊M.機(jī)械工業(yè)出版社,北京.1979:2-4,9。目前等離子弧噴焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工等行業(yè) Nefedov Lyalyakin. Development of plasma welding and surfacing abroadJ.Welding International.1998,(9):736-741。同時(shí)在現(xiàn)在等離子弧的應(yīng)用過(guò)程中，等離子弧可與激光、其他電弧共同作用且取得了一定的效果 Claus Emmelmann et al. Development of Plasma-Laser-Hybrid Welding ProcessJ. Physics Procedia.2011,(12):194-200。1.2.1 等離子弧的基本知識(shí)等離子弧本身是一種壓縮電弧，是通過(guò)外部拘束使自由電弧被強(qiáng)烈壓縮形成的電弧 楊春利 林三寶主編 電弧焊基礎(chǔ)M.哈爾濱工業(yè)出版社,哈爾濱.2003:114,116。等離子弧焊搶中，陰極和水冷紫銅噴嘴之間或陰極和工件之間形成的電弧通過(guò)較小的噴嘴孔道，弧柱的直徑受到限制，使弧柱受到強(qiáng)行壓縮。壓縮電弧和自由電弧相比弧柱直徑更細(xì)、弧柱電流密度顯著提高。通過(guò)噴嘴的氣體受到劇烈的碰撞和熱作用，氣體能夠充分電離來(lái)產(chǎn)生等離子體弧柱，這種壓縮電弧叫等離子弧2。圖1-1是自由電弧及壓縮電弧的基本示意圖。 圖1-1自由電弧和壓縮電弧基本示意圖關(guān)于通過(guò)噴嘴孔道之后的電弧就形成了等離子弧的原理。通常認(rèn)為主要是噴嘴本身以及氣流兩方面的原因促使電弧內(nèi)部熱電離過(guò)程的變化。各種因素主要通過(guò)熱收縮作用、機(jī)械壓縮作用以及自磁壓縮作用使自由電弧至等離子弧轉(zhuǎn)變的發(fā)生: 1.熱收縮作用 紫銅噴嘴本身有著較優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，當(dāng)受到水冷時(shí)，孔道壁面溫度很低。氣體連續(xù)地流過(guò)孔道在靠近壁面的氣體受到冷卻，迫使電弧電流往電離度高的中心部位流過(guò)，即電弧向中心部位壓縮。這種使得弧柱溫度升高和能量密度提高的作用叫“熱收縮作用”2,3。2.機(jī)械壓縮效應(yīng)水冷孔道對(duì)電弧有機(jī)械式壓縮作用。噴嘴孔徑大小也就基本確定了相應(yīng)的等離子弧弧柱的粗細(xì)，使得電弧弧柱截面積減小、能量密度提高。顯然，噴嘴孔徑及其幾何尺寸，除通過(guò)熱收縮效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧不同程度的壓縮外，還起到對(duì)電弧機(jī)械壓縮的作用。 3.自磁壓縮效應(yīng)電弧電流有一定的流向，整個(gè)弧柱電流線之間的自磁收縮作用進(jìn)一步增強(qiáng)，可以使得弧柱的電流密度進(jìn)一步增加、溫度和能量密度進(jìn)一步提高。在磁場(chǎng)的作用下，每根導(dǎo)體受到的電磁力都是指向這一束導(dǎo)體的中心；這種自身磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力作用的結(jié)果，使弧柱受到一個(gè)指向弧柱軸心的壓縮力，從而使電弧受到壓縮，如圖1-2所示。熱壓縮和機(jī)械壓縮效應(yīng)使弧柱變細(xì)后，自磁壓縮效應(yīng)更強(qiáng)。在三個(gè)作用中，噴嘴的機(jī)械式拘束是前提條件，而熱壓縮是最本質(zhì)的原因。以上三個(gè)效應(yīng)對(duì)電弧作用的結(jié)果，使電弧受到強(qiáng)行壓縮而產(chǎn)生等離子弧，其溫度可達(dá)2.41045.0104K。等離子弧擁有著很高的溫度，在焊接應(yīng)用中有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。這三個(gè)效應(yīng)是相互依存、共同作用的。 圖1-2 平行導(dǎo)線同向電流受力示意圖1.2.2 等離子弧的工作形式等離子弧的工作形式主要有以下幾種形式2：（1）非轉(zhuǎn)移型弧 噴嘴接正極，鎢極接負(fù)極，電弧建立在鎢極與噴嘴內(nèi)表面之間，高溫的等離子焰流從噴嘴內(nèi)噴出。一般用于噴鍍、切割等。（2）轉(zhuǎn)移型弧工件接正極，鎢極接負(fù)極，電弧建立在鎢極和工件之間。其溫度比非轉(zhuǎn)移型等離子弧高，能量集中。工作中，等離子弧引燃后，通過(guò)開(kāi)關(guān)切斷引燃弧。轉(zhuǎn)移性弧可用于金屬切割、熔煉、焊接、送絲堆焊和粉末噴焊等。（3）聯(lián)合型?。ɑ旌闲突。┓寝D(zhuǎn)移型弧和轉(zhuǎn)移型弧并存時(shí)叫聯(lián)合型弧，即當(dāng)電弧引燃并形成轉(zhuǎn)移弧后，引燃弧仍然保持。在采用聯(lián)合弧時(shí)，一般非轉(zhuǎn)移型弧是輔助熱源?；旌闲偷入x子弧一般用于粉末噴焊。三種等離子弧的形式如圖1-3所示。 圖1-3等離子弧的形式1.2.3 等離子弧的基本特點(diǎn)等離子弧和一般自由電弧相比，顯著的不同是弧柱細(xì)、電流密度大、氣體電離充分，因而具有以下主要特點(diǎn)2：（1） 溫度高能量密度集中 根據(jù)焦耳-楞次定律知，通過(guò)導(dǎo)電導(dǎo)體的熱功率密度W為： (式1-1)式中代表電流密度（A/cm2）、代表導(dǎo)電率（1/cm）（2） 穩(wěn)定性好 等離子弧挺直度好，沒(méi)有自由電弧易于飄動(dòng)的缺點(diǎn)。（3） 可控性好 通過(guò)氣體選擇和改變壓縮效應(yīng)可以獲得所需要的參數(shù)。1.2.4 等離子弧熱噴焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景熱噴焊技術(shù)是基于熱噴涂技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。1910年,瑞士工學(xué)博士M.U. Schoop發(fā)明了第一個(gè)金屬噴涂裝置-金屬熔液式噴涂(Metal Spra-ying)。此后, Schoop致力于噴涂裝置的改進(jìn),于1912年制成了線材火焰噴槍、1913年提出了電弧噴涂的設(shè)計(jì)、1916年制成了實(shí)用型的電弧噴槍。二戰(zhàn)初期,自熔性合金粉末出現(xiàn),粉末火焰噴涂風(fēng)靡一時(shí)8。到了20世紀(jì)60年代,等離子噴涂技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用, 20世紀(jì)60年代中期等離子弧熱噴焊技術(shù)研制成功。隨著各種熱噴涂和熱噴焊技術(shù)的全面發(fā)展,國(guó)際間的交流逐漸開(kāi)展。20世紀(jì)80年代,熱噴涂技術(shù)又有了新的發(fā)展。突出表現(xiàn)在研制成功超音速火焰噴涂和將電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于熱噴涂設(shè)備之中,使熱噴涂涂層向著更高的質(zhì)量和精密化方向發(fā)展。此后,熱噴涂技術(shù)進(jìn)一步在工業(yè)部門民用產(chǎn)品大批量的生產(chǎn)中得到應(yīng)用,其增長(zhǎng)速度有了大幅度提高,“熱噴涂工業(yè)”才真正成長(zhǎng)起來(lái) 鄧世均. 迎接熱噴涂工業(yè)的興起J.材料保護(hù).2000,33(1):78-82。我國(guó)熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代末期，20世紀(jì)60年代末期開(kāi)始研究等離子弧熱噴焊技術(shù),同時(shí)開(kāi)始應(yīng)用粉末火焰噴焊技術(shù)。隨著熱噴涂（噴焊）技術(shù)的推廣應(yīng)用,現(xiàn)已基本形成了熱噴涂（噴焊）設(shè)備和材料的生產(chǎn)體系。國(guó)內(nèi)等離子弧熱噴焊技術(shù)的研究始終受到國(guó)家的重視,一直是“六五”、“七五”規(guī)劃的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，同時(shí)也獲得了技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益8。隨著對(duì)新材料的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,等離子弧熱噴焊技術(shù)將不斷得到完善和發(fā)展。國(guó)外從事等離子弧噴焊技術(shù)的研究相對(duì)比較早，尤其是歐美國(guó)家。歐美國(guó)家從事等離子弧噴焊技術(shù)的研究較早,現(xiàn)已形成大規(guī)模的開(kāi)發(fā)研制生產(chǎn)基地。與此同時(shí)也涌現(xiàn)出了一大批跨國(guó)公司,比如Miller（美國(guó)）、METco（美國(guó)）、CastCin（瑞士）等等。分別都研制了自己的系列產(chǎn)品、并不斷改進(jìn)和提升。雖說(shuō)日本等離子弧噴焊起步相對(duì)較晚,但比較注重世界一流設(shè)備的引進(jìn)和研究,特別是近幾年來(lái)的發(fā)展相對(duì)迅速。較之發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)等離子弧噴焊技術(shù)研究主要集中在高校和科研機(jī)構(gòu)，企事業(yè)單位相對(duì)很少。針對(duì)設(shè)備的改進(jìn)工作，西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了脈動(dòng)等離子弧熱噴焊技術(shù)研究,通過(guò)在工件和噴槍陽(yáng)極(噴嘴)間接入高頻的IGBT無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),成功地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧的高頻交替工作,實(shí)現(xiàn)了單一電源下的等離子弧熱噴焊。西安交通大學(xué)開(kāi)展了適宜于Al、Mg及其合金的變極性等離子弧焊設(shè)備的研究,主弧的正、負(fù)半波分別由兩臺(tái)直流電源供電,對(duì)工件(鋁)實(shí)現(xiàn)了變極性焊接,它不僅使電弧穩(wěn)定,而且還有可靠的陰極清理作用。王惜寶、張文鉞 王惜寶 張文鉞. 等離子弧粉末堆焊過(guò)程中粉末顆粒的運(yùn)輸行為J.焊接學(xué)報(bào).2000,21(4):33-37分析了等離子弧粉末噴焊時(shí)粉末在轉(zhuǎn)移弧中的輸運(yùn)行為及其主要影響因素,以鐵基合金粉末和碳化硼粉末為例，計(jì)算了不同參數(shù)下在弧柱中的輸運(yùn)速度分布及沿弧柱橫截面上的粉通量分布。在應(yīng)用方面,西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司以自制的電源設(shè)備和進(jìn)口的等離子焊槍,實(shí)現(xiàn)了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)工藝的改進(jìn)。南京船舶設(shè)備配件有限公司從美國(guó)引進(jìn)的等離子粉末噴焊機(jī)對(duì)氣閥閥面、閥座閥面進(jìn)行了有效的強(qiáng)化處理,并對(duì)桿身、端部進(jìn)行各種強(qiáng)化,以保證可靠的性能,取得了良好的效果。噴焊工藝主要適合于沖擊載荷較大、熱疲勞環(huán)境及對(duì)工件變形要求不嚴(yán)格的地方 許雪 趙程. 等離子弧熱噴焊技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀J.冶金叢刊.2006,(3):44-46。 關(guān)于控制工作,等離子弧噴焊工藝程序相對(duì)是比較復(fù)雜的。等離子焊接設(shè)備中要控制的對(duì)象比較多,主要有電源、振蕩電源、噴焊機(jī)身、送粉器、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等等,而同時(shí)任何一部分都可以影響噴焊層的效果，故而對(duì)任何一部分的改進(jìn)都是具有相當(dāng)意義的。蘭州理工大學(xué)研制了以單片機(jī)80C196KC為核心的自動(dòng)等離子弧噴焊控制系統(tǒng),使得整個(gè)設(shè)備的體積和重量都大大減小并且實(shí)現(xiàn)了噴焊過(guò)程的自動(dòng)控制 陳克選 郝曉龍 李春旭. 等離子弧熱噴焊單片機(jī)控制系統(tǒng)研究J.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào).2004,30(2):15-17。南昌航空工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了用PLC改進(jìn)等離子弧熱噴焊裝置的研究,并通過(guò)實(shí)踐證明該控制系統(tǒng)抗高頻干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠、故障率低、操作方便 陳煥明 江淑園 葛志雄. 等離子弧熱噴焊過(guò)程的PLC控制J.新技術(shù)新工藝.2003,(7):35-37。目前,隨著等離子弧噴焊技術(shù)研究的不斷加強(qiáng)和深入,等離子弧熱噴焊技術(shù)需要朝著大功率、小型化、智能化、自動(dòng)化、高精度的發(fā)展。隨著復(fù)合材料等技術(shù)的廣泛研究和應(yīng)用。噴焊所采用的粉末易于調(diào)節(jié),也是一種制備復(fù)合材料的新方法。杜則裕 杜則裕 宋均 熊慰軍等. 等離子噴焊工藝研究J.焊接技術(shù).1996,(3):2-3等人采用正交試驗(yàn)方法對(duì)Fe07、Fe9A等鐵基合金粉末的等離子弧焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，并找出了最優(yōu)值。在試驗(yàn)中采用正交的試驗(yàn)方法為后續(xù)的試驗(yàn)研究工作提供了重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際意義。在煤礦機(jī)械中,應(yīng)用等離子弧熱噴焊技術(shù)在金屬零部件工作表面堆焊耐磨耐蝕合金材料能滿足石油化工行業(yè)的“三高”工況，同時(shí)也減少停機(jī)檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失 汪瑞軍 徐林 黃小鷗. 等離子粉末堆焊技術(shù)在石油化工業(yè)的應(yīng)用J.焊接.2003,(1):24-26。邵德春等 邵德春 李慕勤 馬臣. 稀土對(duì)噴焊層耐磨性的影響機(jī)制J.中國(guó)稀土學(xué)報(bào).1991,9(3):248-252通過(guò)系列化試驗(yàn)提出稀土元素可以是噴焊層的組織細(xì)化并使硬質(zhì)相數(shù)量、尺寸、形狀發(fā)生變化。等離子弧噴焊是種有著巨大發(fā)展前景的表面技術(shù)。等離子弧熱噴焊技術(shù)可用于制備性能優(yōu)良的復(fù)合材料。因此, 如何利用改變粉末的比例、工藝參數(shù)使成分連續(xù)變化、組織具有一定程度的變化以制備性能優(yōu)良的復(fù)合材料, 對(duì)生產(chǎn)和科研工作都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義8。關(guān)于控制工作，引入單片機(jī)、PLC等對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制改進(jìn)的方法已逐步得到應(yīng)用,但還不能使PLC的軟件功得到充分發(fā)揮。因此在增強(qiáng)設(shè)備的工藝適應(yīng)性和穩(wěn)定性, 更好的發(fā)揮控制軟件功能方面, 還有好長(zhǎng)一段路要走。1.3 鎳基合金及鎳基合金噴焊1.3.1 鎳基合金 鎳基粉末主要是鎳鉻硼硅合金和鎳硼硅合金。此類合金的共同點(diǎn)是熔點(diǎn)低且自熔性好，具有良好的耐磨、耐蝕和抗氧化性能。該合金以鎳為基，還有10%以上的鉻和添加硼、硅元素的Ni-Cr-B-Si系自熔性合金粉末，是最早作為噴焊的材料，至今應(yīng)用還很廣泛。 Ni-Cr-B-Si系自熔性合金具有較寬的液固相溫度范圍，熔點(diǎn)較低，液態(tài)流動(dòng)性很好，因而具有良好的工藝性。這類合金隨溫度的升高，不發(fā)生相變，因而在一般熱處理時(shí)，其硬度和其他性能基本不發(fā)生變化。 鎳基合金噴焊后，合金中的硼、硅形成三氧化硼、二氧化硅，其他金屬氧化物形成硼硅酸玻璃而熔融上浮。故而噴焊層的缺陷較少。1.3.2 鎳基合金噴焊及發(fā)展現(xiàn)狀 隨著工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的壽命和服役性能有了更高層次的需求，尤其是對(duì)材料在服役期內(nèi)的特殊性能有所要求。同時(shí)，現(xiàn)在制造業(yè)中單純的通過(guò)添加合金元素來(lái)使得構(gòu)件整體滿足使用要求的方式的方法已被淘汰。現(xiàn)階段表面技術(shù)已大力發(fā)展且發(fā)展前景廣闊，這就為表面技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。等離子弧噴焊產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)良、適用性好；其次，噴焊設(shè)備控制性能好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。該技術(shù)在諸多領(lǐng)域已有應(yīng)用，尤其是在修補(bǔ)已損壞零部件和表面改性中有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和可靠性。等離子弧熱噴焊技術(shù)是一種具有發(fā)展前景的表面強(qiáng)化技術(shù)。隨著工業(yè)的發(fā)展,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的壽命和新材料的制備都提出了更高的要求。隨著等離子焊接設(shè)備和工藝的發(fā)展,將在生產(chǎn)和維修中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。鎳基合金噴焊技術(shù)在現(xiàn)階段有著深入的研究發(fā)展和廣泛應(yīng)用的。鎳基合金有著優(yōu)良的使用性能，是應(yīng)用最廣泛的噴焊合金粉末之一。鎳基固溶體具有良好的高溫和常溫力學(xué)性能、良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的韌性, 可作為熔覆層的連續(xù)相 盧金斌 張照軍 寧久超等. 添加碳化物鐵基合金等離子弧熔覆復(fù)合涂層的組織分析J.焊接學(xué)報(bào).2009,30(9):65-68， 盧金斌 田慧敏 梁存等. 等離子熔覆添加WC的Fe-Cr-Ni-B-Si涂層的研究J.熱加工工藝.2009,38(4):55-57。鎳基合金具有良好的高溫性能和耐磨耐蝕性能，是國(guó)內(nèi)外高質(zhì)量的等離子堆焊所普遍采用的合金粉末 宇文利 劉秀麗 李偉華. 等離子堆焊Ni基合金粉末熔覆層性能研究J.金屬熱處理.2006,31(10):41-43。羅勛等 羅勛 宣天鵬. 鎳基合金耐磨鍍覆層的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展J.電鍍與環(huán)保.2007, 27 (3):8-11認(rèn)為利用鎳基鍍覆層作為表面抗磨層可以減輕磨損造成的破壞, 修復(fù)被損壞的零件, 降低能量的消耗, 延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命等, 對(duì)節(jié)約能源和原材料,保護(hù)環(huán)境, 促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大意義。然而在具體的工程應(yīng)用中，單純的鎳基合金還不足以滿足人們對(duì)工件、構(gòu)件實(shí)際工況環(huán)境下使用性能的需求。這時(shí)，研究人員就在工程應(yīng)用背景之下來(lái)尋求更好的滿足使用性能需求的合金系，通過(guò)添加合金元素或其他元素的方式較為常見(jiàn)，例如WC、稀土合金、稀土氧化物等。龐佑霞、陸由南 龐佑霞 陸由南. WC加入量對(duì)Ni60自熔合金噴焊層沖蝕磨損特性的影響J.材料保護(hù).2007,40(3):71-72提出，在沒(méi)有腐蝕介質(zhì)的干磨損的情況下隨著WC含量的提高，噴焊層耐磨性提高。同時(shí)對(duì)WC添加量在合適范圍內(nèi)的沖蝕性能進(jìn)行了更深的研究，提出了關(guān)于沖蝕磨損機(jī)理是微切削及硬質(zhì)粒子的剝落的觀點(diǎn)；同時(shí)也提及了噴焊層要有好的耐沖蝕性能, 需要保持一定的WC硬質(zhì)粒子含量的觀點(diǎn)。對(duì)后續(xù)噴焊層在沖蝕磨損方面的工作提供了重要的理論指導(dǎo)。邵德春等13通過(guò)系列化試驗(yàn)提出在鎳基合金添加稀土元素可在一定范圍內(nèi)提高噴焊層的耐磨性能；并且提出了大致的最優(yōu)添加量。王長(zhǎng)生、楊蘊(yùn)林 王長(zhǎng)生 楊蘊(yùn)林. WC加入量對(duì)Ni60自熔合金噴焊層磨粒磨損性能影響J.熱加工工藝.1997,1：28-30提出了適當(dāng)?shù)脑黾覹C的含量可以提高合金噴焊層的抗磨粒磨損性能,并且另外一方面也通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了WC的加入量在20-35%(wt)時(shí)，相對(duì)耐磨性可以提高大約4倍；另外，作者還運(yùn)用對(duì)比試驗(yàn)的方法說(shuō)明了Ni60自熔性合金噴焊層磨粒磨損失效的主要形式，那便是顯微切削擦傷和梨溝，其次才是剝落；并且通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果有力的證明了WC的加入可以提高抗顯微切削擦傷和形成梨溝的能力，而過(guò)多的WC將使剝落增多。鮑君峰 鮑君峰 于月光 劉海等. 火焰噴焊Ni基WC復(fù)合涂層的性能研究.礦冶.2006,15(4):27-29等人研究了WC 的含量對(duì)Ni60+ WC噴焊涂層組織及耐磨損性能的影響. 陳傳忠 陳傳忠. WC/Ni60A等離子噴涂層的相結(jié)構(gòu)分析J.材料研究學(xué)報(bào).2000,14(2):147-152、李士同 李士同 王成國(guó) 倫寧等. Ni60(WC)涂層顯微組織的電子探針?lè)治鯦.電子顯微學(xué)報(bào).2002,21(5):713-714等對(duì)Ni60 及Ni60+WC 涂層的相結(jié)構(gòu)和顯微組織進(jìn)行了詳細(xì)的討論和詳盡的分析。文獻(xiàn)38在Q235鋼材表面進(jìn)行熔覆一定含量的WC合金粉末，制備具有冶金結(jié)合的噴焊層,并且采用相關(guān)分析技術(shù)對(duì)其性能進(jìn)行分析，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)證明相關(guān)的技術(shù)可以滿足現(xiàn)階段工件、構(gòu)件的實(shí)際工況要求。孟普 孟普 寧久超 盧金斌等. Q235鋼表面等離子弧熔覆自粘結(jié)鎳基WC的研究J.中原工學(xué)院學(xué)報(bào).2009,20(6):38-40等人在Q235鋼基體表面進(jìn)行等離子弧熔覆自粘結(jié)鎳基WC合金粉末制備出冶金結(jié)合的熔覆組織層,且利用相關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試分析。最終表明：WC顆?？梢匀咳芙?，還有使得熔覆層硬度提高的強(qiáng)化機(jī)制是由于碳化物的彌散強(qiáng)化和W、C、Cr等合金元素溶入-Ni（Me）中的固溶強(qiáng)化。另外關(guān)于在鎳基合金中添加稀土的研究進(jìn)展也是有重大意義的。我國(guó)是世界上的稀土大國(guó)，以前稀土主要用于出口，而同時(shí)在進(jìn)口稀土相關(guān)的產(chǎn)品，?，F(xiàn)在可以在合金體系中添加稀土，不管是以稀土合金方式還是以稀土氧化物方式，均可以在一定范圍內(nèi)提高鎳基合金噴焊層的效果22。文獻(xiàn) W. Yi et al. Effect of rare earth on oxidation resistance of iron base fluxing alloy spray-welding coatingJ. Journal of Alloys and Compounds .2000,311 (1) :65 68中作者提出添加稀土元素可以在改善鐵基合金高溫時(shí)噴焊層的抗氧化性能。張振宇等 Z. Zhang et al. Effect of CeO2 on the microstructure and wear behavior of thermal spray welded NiCrWRE coatingsJ.Wear.2007,262(5-6):562-567中提及CeO2明顯的改善了噴焊層的硬度和耐磨性，認(rèn)為CeO2可以細(xì)化合金顯微組織，提高噴焊層的性能。張振宇等25提及CeO2明顯的改善了噴焊層的耐磨性，其主要作用是改善噴焊集體和噴焊合金之間的結(jié)合、細(xì)化組織、改善硬質(zhì)相分布等，可以改善噴焊層抵抗磨損的性能。隨著等離子噴焊鎳基合金技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用，噴焊層微觀組織、空隙率等問(wèn)題也得到了分析和解決 H. Skulev et al. Modifications of phases, microstructure and hardness of Ni-based alloy plasma coatings due to thermal treatmentJ. Surface and Coatings Technology.2004,185(1):18-29?，F(xiàn)階段機(jī)械零部件失效中，磨損失效占有很大的比例。隨著現(xiàn)在實(shí)際工程工況中由于磨損導(dǎo)致構(gòu)件失效的情況越來(lái)越多的發(fā)生，這方面也自然而然的受到社會(huì)各界的關(guān)注。如何實(shí)現(xiàn)少投資、多產(chǎn)出是眾多研究人員最關(guān)注的研究方向。1.4 材料磨損失效理論1.4.1 磨損的基本理論摩擦是兩個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物體在接觸面上出現(xiàn)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。兩個(gè)相互接觸或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面不可避免地會(huì)發(fā)生摩擦,有摩擦即有磨損發(fā)生 覃奇賢 劉淑蘭. 淺談摩擦與磨損J.電鍍與精飾.2009,31(5):33-36。摩擦與磨損之間存在有因果關(guān)系。磨損在造成構(gòu)件磨損失效的同時(shí)也可以為人們所利用，“跑合”、磨削加工等本身就是磨損過(guò)程 續(xù)海峰. 粘著磨損機(jī)理及其分析J.機(jī)械管理開(kāi)發(fā).2007,(4):95-96、98。磨損是一種普遍而復(fù)雜的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于摩擦磨損消耗的能源約占1/31/2，我國(guó)每年由于磨損而引起的耐磨材料消耗量約300萬(wàn)t以上 陳華輝等. 耐磨材料應(yīng)用手冊(cè)M.機(jī)械工業(yè)出版社,北京.2006:38-44,99。磨損引起的零件失效占絕大多數(shù)。而關(guān)于磨損的定義，現(xiàn)在尚未有統(tǒng)一的磨損定義。英國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)中有一委員會(huì)給磨損的定義是：由于機(jī)械作用而造成物體表面材料的逐漸損耗。覃奇賢等27認(rèn)為磨損應(yīng)該定義為：由于機(jī)械作用,有時(shí)伴隨化學(xué)作用(指腐蝕磨損)及電的作用(電火花磨損) ,材料表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷損耗的現(xiàn)象叫做磨損?？死w爾斯基 克拉蓋爾斯基B,等.摩擦、磨損與潤(rùn)滑手冊(cè)M.余夢(mèng)生,吳永偉,等譯.機(jī)械工業(yè)出版,北京.1986將磨損的定義為：由于摩擦結(jié)合力反復(fù)擾動(dòng)而造成的材料的逐漸損耗。邵荷生等 邵荷生 曲敬信 許小棣等. 摩擦與磨損M.煤炭工業(yè)出版社,北京.1992認(rèn)為：由于機(jī)械作用、間或伴有化學(xué)的或電的作用，物體工作表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷損耗的現(xiàn)象稱為磨損。我國(guó)材料磨損失效的研究以及進(jìn)展主要在耐磨材料的生產(chǎn)品種日趨完善和標(biāo)準(zhǔn)化、研究耐磨材料的規(guī)模和數(shù)量的大幅增加和耐磨材料的新技術(shù)、新工藝和新產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等方面進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)展?，F(xiàn)階段，有些耐磨產(chǎn)品及材料在類似建材、冶金等部門已經(jīng)制定出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；我們耐磨易損件每年可達(dá)到數(shù)百萬(wàn)噸，已經(jīng)在現(xiàn)代工業(yè)中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀浑S著國(guó)內(nèi)企業(yè)和國(guó)外企業(yè)的合作，國(guó)內(nèi)的企業(yè)也在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，有利于新技術(shù)、工藝和產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)。1.4.2 磨料磨損的基本知識(shí)磨料磨損(Abrasive Wear)，也叫做磨粒磨損。通常是指由硬質(zhì)顆?；蛘呤怯驳奈⑼贵w與材料的表面相互作用，使材料產(chǎn)生磨屑而導(dǎo)致材料表面遭受損耗的現(xiàn)象26。表面失效是零部件中的重要失效形式, 在表面失效中, 磨損占60% 80% 的比例, 其中磨料磨損造成的損失在磨損失效中約占50% 黃智文. 談?wù)勀チＤpJ.表面技術(shù).2000,29(4):34-36, 邵荷生 張清. 金屬的磨料磨損和耐磨材料M.機(jī)械工業(yè)出版社,北京.1982。磨料磨損在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中涉及的范圍之廣、影響之嚴(yán)重是顯而易見(jiàn)的，同時(shí)磨損磨損的影響因素復(fù)雜而繁多，在現(xiàn)實(shí)中難以具體的計(jì)量。通常情況下，磨料磨損有以下幾種分類方法：1.按照磨料對(duì)材料的力學(xué)作用特點(diǎn)進(jìn)行分類29：在此類分類方法中，將磨料磨損分為：刮傷磨料磨損或沖刷磨損、研磨磨料磨損、鑿削磨料磨損。2.按照磨料和材料的相對(duì)硬度來(lái)進(jìn)行分類，這種將磨料磨損分為軟磨料磨損和硬磨料磨損。3.按照磨損表面數(shù)量的分類 吉華. 國(guó)產(chǎn)材料耐磨堆焊修復(fù)層組織及磨損性能研究.西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì).2009:17：在外界磨料移動(dòng)于兩摩擦面之間時(shí)，兩材料表面碾壓磨料是的磨損稱之為三體磨損。這類磨損的典型實(shí)例有礦石在動(dòng)齒板之間的磨損，工業(yè)上遇到的三體磨損很多情況下都屬于高應(yīng)力磨損；另一方面還有磨料沿著構(gòu)件表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直接作用在材料表面導(dǎo)致的磨損是二體磨損。二體磨損包括鑿削磨料磨損和刮傷磨料磨損。4.按照是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)分：可以分為固定磨料磨損和自由磨料磨損。5.按照環(huán)境介質(zhì)分為干磨料磨損、濕磨料磨損和流體磨料磨損。6.按照環(huán)境溫度來(lái)分類：這類可以將磨料磨損分為普通磨料磨損和高溫下的熱磨料磨損。在不同的環(huán)境溫度下，磨料磨損的作用是不同的。在某些高溫情況下，存在磨料磨損的同時(shí)還存在這粘著磨損等現(xiàn)象，這就使得磨損更難以計(jì)量。1.4.3 影響材料磨料磨損失效的因素材料磨料磨損耐磨性并不是材料本身特性，它是和材料工況環(huán)境中影響磨損各因素相關(guān)的。同時(shí)影響磨料磨損耐磨性的因素很多，有諸如材料本身特性等內(nèi)因、還有諸如環(huán)境介質(zhì)、溫度、運(yùn)動(dòng)速度等外因。另外，材料磨料磨損耐磨性還是隨著磨損過(guò)程不斷變化的，也就是說(shuō)磨損過(guò)程中的加工硬化、退火回火等都和耐磨性有關(guān)。1.4.4材料組織和硬度對(duì)耐磨性的影響在影響材料耐磨性的諸多因素中，材料的組織和硬度對(duì)其耐磨性的影響是至關(guān)重要、不容忽視的。材料的組織如基體組織、第二相、夾雜、晶界和晶粒度、各向異性等均對(duì)材料耐磨性存在著較大影響。材料耐磨性與材料本身的硬度雖然有緊密的聯(lián)系，同時(shí)并不是單純的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，耐磨性的好壞還與材料的化學(xué)成分、相分布情況以及材料的顯微組織有著很重要的聯(lián)系32。材料的硬度和材料耐磨性有著很的的關(guān)系。而關(guān)于硬度可分為以下三種31：1.材料磨損前的整體硬度2.表面加工硬化改變了的表面硬度3.在摩擦熱足夠大的情況下還需要考慮高溫硬度硬度的物理本質(zhì)也是很復(fù)雜的。一方面，在靜載荷下材料抵抗塑變的能力是材料的靜態(tài)壓痕硬度。主要有布氏、洛氏和維氏。一般來(lái)說(shuō)強(qiáng)度越高硬度值也越高。另一方面，當(dāng)材料在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，材料抵抗變形的能力稱為動(dòng)力學(xué)硬度。1.5 本文研究的內(nèi)容及意義1.5.1 本論文研究的內(nèi)容以及試驗(yàn)方法本論文主要以工藝試驗(yàn)金相、硬度耐磨試驗(yàn)為研究主線、使用對(duì)比的方法，旨在研究幾種典型工藝條件下噴焊層的耐磨性，同時(shí)和進(jìn)口焊條堆焊搗鎬的耐磨性進(jìn)行對(duì)比分析。主要研究?jī)?nèi)容及方法有：1. 調(diào)試和改進(jìn)L5-400型等離子弧噴焊設(shè)備，熟悉設(shè)備操作流程；2. 運(yùn)用L5-400型等離子弧噴焊設(shè)備進(jìn)行噴焊工藝試驗(yàn)；3. DG.Ni60A和DG.Ni60WC25兩種鎳基噴焊層微觀組織分析與硬度測(cè)試；4. DG.Ni60A和DG.Ni60WC25兩種鎳基噴焊層耐磨性分析。1.5.2 本論文研究的意義隨著列車速度的提高，高速鐵路關(guān)鍵材料，如鋼軌、軸承以及搗搞等材料的磨損、腐蝕等失效情況也變得日益嚴(yán)重。因此如何提高高速列車關(guān)鍵材料的耐磨性及疲勞壽命是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。利用等離子熱源在材料表面噴焊高性能合金層作為材料表面強(qiáng)化技術(shù)之一，具有合金材料消耗少，能夠噴焊各種合金粉末材料，可得到稀釋率低，結(jié)合強(qiáng)度高的致密合金層。同時(shí)，根據(jù)材料實(shí)際工況的使用要求，可以對(duì)不同的合金粉末進(jìn)行噴焊，成本低、生產(chǎn)率高。鎳基合金具有良好的高溫性能和耐磨耐蝕性，是國(guó)內(nèi)外普遍采用的合金粉末。因此，本文擬對(duì)等離子噴焊鎳基合金噴焊層的耐磨性能進(jìn)行基本的研究，同時(shí)和現(xiàn)階段使用的堆焊搗鎬耐磨性能進(jìn)行對(duì)比，為后續(xù)耐磨噴焊層的制備以及具體的工程應(yīng)用提供理論參考的實(shí)際指導(dǎo)作用。第二章 試驗(yàn)設(shè)備材料及研究方法2.1噴焊方法簡(jiǎn)介現(xiàn)階段使用的噴焊方法主要有“二步法”噴焊和“一步法”噴焊兩種方式?！岸椒ā眹姾讣聪仍谕瓿蓢娡繉雍笤賹?duì)其進(jìn)行重熔。噴涂與重熔均用大功率噴槍使得合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上產(chǎn)生塑性變形的沉積層。重熔是“二步發(fā)”噴焊的關(guān)鍵工序，應(yīng)該在噴涂后立即進(jìn)行。在具體的重熔過(guò)程中應(yīng)該防止過(guò)熔（即鏡面開(kāi)裂）、涂層金屬流淌或局部加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使得表面氧化。“一步法”噴焊即噴、熔同時(shí)進(jìn)行，使用同一支噴槍完成。在具體的噴焊過(guò)程中，合金粉末在接觸工件表面前已經(jīng)熔化或者半熔化，進(jìn)入工件表面熔池中充分熔化并最終排出氣體和浮渣、凝固形成焊道。一步法噴焊需要使用具有高能量密度的電弧，如等離子弧、激光-等離子弧復(fù)合噴焊。在現(xiàn)階段的噴焊研究中，有關(guān)“一步法”的研究介紹遠(yuǎn)不如“二步法”。這種情況可能是由于相對(duì)于“一步法”噴焊，“二步法”雖需要進(jìn)行一個(gè)重熔過(guò)程，但其所使用的設(shè)備（常用氧-乙炔火焰）比較簡(jiǎn)單，同時(shí)一般也較少制造工況環(huán)境很是惡劣的構(gòu)件。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，“一步法”噴焊具有著很大的優(yōu)勢(shì),如省時(shí)、省力，尤其是隨著控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，“一步法”噴焊必然有著更進(jìn)一步的發(fā)展，同時(shí)“一步法”可以直接在噴焊層和基體之間形成冶金結(jié)合區(qū)，可以擁有良好的結(jié)合，其抗拉強(qiáng)度、結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)可觀。綜上所述，“一步法”噴焊技術(shù)在現(xiàn)階段是有著良好發(fā)展前景和巨大實(shí)際需求的。2.2 等離子噴焊設(shè)備2.2.1 等離子噴焊過(guò)程等離子噴焊設(shè)備是應(yīng)用等離子弧所產(chǎn)生的高溫來(lái)熔融合金粉末，并將它熔敷到工件上去的一種強(qiáng)化設(shè)備。應(yīng)用這一新的技術(shù)可在工件表面制備出一層具有耐磨損、耐腐蝕、抗高溫氧化性等特殊性能的噴焊層。等離子噴焊由于利用等離子弧作為熱源和采用合金粉末作為填充金屬，從而與其他表面堆焊方法相比較，具有生產(chǎn)效率高 ；母材對(duì)合金沖淡率低；噴焊層成形平整、光滑，成形尺寸范圍寬并可以精確控制；噴焊層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性好；合金粉末制備簡(jiǎn)便，使用材料范圍廣；噴焊過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)。等離子弧熔覆技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、工件變形小, 在表面改性中發(fā)揮著重要作用 劉勝林 孫冬柏 樊自栓等. 等離子熔覆鎳基復(fù)合的組織及性能J.稀有金屬材料與工程.2006,35(2):232-235, 劉勝林 孫冬柏 樊自栓等. 等離子熔覆鎳基合金的組織及沖蝕磨損性能J.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào).2007,29(10):999-1004。等離子弧噴焊的基本過(guò)程如圖2-1所示。 圖2-1 等離子弧噴焊過(guò)程示意圖等離子弧噴焊基本過(guò)程：在采用聯(lián)合弧噴焊時(shí)，需用兩個(gè)直流電源分別提供非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧。負(fù)極通過(guò)電纜接至噴焊槍的鈰鎢極，電源的正極分別通過(guò)電纜接至焊槍的噴嘴和工件。冷卻水通過(guò)電纜引入焊槍以冷卻噴嘴和電極。氬氣通過(guò)電磁氣閥和浮子流量計(jì)進(jìn)入焊槍。電源接通后，借助高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移型??；借助非轉(zhuǎn)移弧焰在鎢極和工件之間形成的導(dǎo)電通道過(guò)渡引燃轉(zhuǎn)移型弧。轉(zhuǎn)移型弧引燃后，可以保留或者切斷非轉(zhuǎn)移弧，轉(zhuǎn)移弧在工件表面即可產(chǎn)生熔池。合金粉末借助送粉氣流（氬氣）吹入電弧中來(lái)實(shí)現(xiàn)其連續(xù)的供給。粉末在電弧柱中被預(yù)先加熱，呈熔化或者半熔化態(tài)，噴射到工件熔池中后充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移型弧和非轉(zhuǎn)移弧電流、送粉量等相關(guān)工藝參數(shù)，以控制熔化合金粉末和傳遞工件的熱量。隨著焊槍和工件相對(duì)位置的變化，合金熔池逐漸凝固，并在工件上獲得所需要的合金熔敷噴焊層。2.2.2 噴焊設(shè)備試驗(yàn)中使用九江貝斯特生產(chǎn)的L5-400型等離子噴焊設(shè)備，見(jiàn)圖2-2。圖2-2 L5-400型等離子噴焊設(shè)備L5-400型等離子噴焊設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1。表2-1 L5-400型等離子噴焊設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)名稱主要技術(shù)參數(shù)控制柜電壓：380V（三相四線）、氣流量調(diào)節(jié)范圍：0.1-1千升/小時(shí)氣壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作壓力：0.3MPa、伺服電機(jī)調(diào)壓范圍：5-110V電源ZL-300電壓：380V、頻率：50Hz、空載電壓：70V、工作電壓：18-25V工作電流范圍：20-200A、額定負(fù)載持續(xù)率：60%ZL-400電壓：380V、頻率：50Hz、空載電壓：90V、工作電壓：30-42V工作電流范圍：40-400A、額定負(fù)載持續(xù)率：60%QL-400型噴槍非弧工作電流：300A、轉(zhuǎn)弧工作電流：350A熔敷率：9kg/h噴焊機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)速范圍：0.04-2r/min、焊件最大直徑：600mm卡盤中心高：800mm2.2.3 噴焊送粉系統(tǒng)設(shè)備采用刮板式送粉器，其工作原理是在壓力平衡的條件下，利用合金粉末的自重通過(guò)漏斗及刮板來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉。改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可改變和調(diào)節(jié)送粉量，也可改變漏粉嘴孔徑或漏粉嘴與粉盤之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)送粉量。采用刮板式送粉器有著良好的送粉均勻性、靈敏性、調(diào)節(jié)性和密封性，刮板式送粉器的示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖2-3。 圖2-3 刮板式送粉器示意圖和實(shí)物圖2.2.4 非轉(zhuǎn)移弧工作形式該設(shè)備中，非轉(zhuǎn)移弧的工作形式主要有“切斷”、“同衰”、“連續(xù)”三種工作形式：1.“切斷”工作：引燃轉(zhuǎn)移弧之后，非轉(zhuǎn)移弧自動(dòng)衰滅；2.“同衰”工作：兩種電弧共同工作，同時(shí)衰滅；3.“連續(xù)”工作：轉(zhuǎn)移弧衰滅后，非轉(zhuǎn)移弧仍然工作。試驗(yàn)時(shí)采用“切斷”工作方式，即噴焊工作時(shí)只應(yīng)用轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行噴焊。2.2.5 直焊道噴焊裝置試驗(yàn)過(guò)程中，為了使得能夠噴焊直焊道而添加了直焊道噴焊裝置，該裝置示意圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖2-4。該裝置主要由小車、軌道、載物臺(tái)組成。小車內(nèi)有電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)噴焊過(guò)程的無(wú)級(jí)調(diào)速和穩(wěn)定性，增加噴焊過(guò)程的可再現(xiàn)性；軌道的鋪設(shè)可使得小車運(yùn)行具有直線性，進(jìn)而使得工件與噴焊槍的相對(duì)運(yùn)動(dòng)直線性更強(qiáng)；載物臺(tái)的主要作用是承載工件。具體的操作過(guò)程：噴焊進(jìn)行時(shí)，打開(kāi)小車開(kāi)關(guān)（試驗(yàn)時(shí)可以調(diào)節(jié)小車運(yùn)行速度），小車按照軌道運(yùn)行，推動(dòng)載物臺(tái)前行。載物臺(tái)上的工件與等離子弧噴槍之間的位置隨著小車的行進(jìn)而發(fā)生變動(dòng)。綜合整個(gè)作用過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了直焊道噴焊。 圖2-4 直焊道裝置示意圖及實(shí)物圖2.2.6 噴焊過(guò)程中的勞動(dòng)保護(hù)在噴焊過(guò)程中產(chǎn)生的有害因素有：有害氣體、弧光輻射、金屬氧化物及金屬粉塵、高頻電磁場(chǎng)、放射性釷