等離子表面處理技術發(fā)展及應用PPT課件

1、磨損磨損 為滿足表面耐磨性能和耐腐蝕性能機械零部件失效機械零部件失效 腐蝕腐蝕 表面改性處理斷裂斷裂第1頁/共55頁噴涂層噴涂層激光束、電子束、離子束等為代表的高能束表面改性新技術，具有廣闊的工業(yè)應用前景 傳統(tǒng)表面改性技術傳統(tǒng)表面改性技術 滲層滲層鍍層鍍層第2頁/共55頁在熱噴涂、堆焊、激光熔覆等基礎上發(fā)展起來的。 熱噴涂：技術成熟，應用廣泛，但涂層與基體的結合力差，不能承受沖擊載荷； 堆焊：設備簡單，操作靈活，但電弧不穩(wěn)定，組織成分極不均勻，易出現(xiàn)夾雜、過燒、燒不透、稀釋率高等缺陷，生產效率低，合金元素浪費大等； 激光熔覆：涂層與基體呈冶金結合，涂層外觀好、硬度高、耐磨性好、抗沖擊等，但生產

2、效率低，能量利用率低，設備投資大、維護費用高、使用成本高。第3頁/共55頁1 1 等離子束表面處理的優(yōu)點等離子束表面處理的優(yōu)點2 2 等離子束表面強化原理等離子束表面強化原理3 3 等離子束表面強化方式等離子束表面強化方式4 4 等離子束表面強化機理等離子束表面強化機理5 5 近年來開展的工作近年來開展的工作第4頁/共55頁 壓縮電弧壓縮電?。号c一般的電弧相比溫度高、能量集中。與一般的電弧相比溫度高、能量集中。等離子發(fā)生器工作時，在陰極和陽極之間加一高頻高壓等離子發(fā)生器工作時，在陰極和陽極之間加一高頻高壓電，使其間的氣體介質電，使其間的氣體介質Ar氣電離形成電弧，此電弧柱在氣電離形成電弧，此電

3、弧柱在經(jīng)過細孔道的噴嘴時被強迫縮小，這種作用稱為經(jīng)過細孔道的噴嘴時被強迫縮小，這種作用稱為“機械機械壓縮壓縮”。同時通過的高壓氣體介質均勻地包圍在電弧周。同時通過的高壓氣體介質均勻地包圍在電弧周圍，使弧柱受到強烈的冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中圍，使弧柱受到強烈的冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱中心集中，弧柱被進一步壓縮，這種作用稱為心集中，弧柱被進一步壓縮，這種作用稱為“熱壓縮熱壓縮”。此外帶電粒子在弧柱中的運動可看成是在一束平行的此外帶電粒子在弧柱中的運動可看成是在一束平行的“導線導線”內移動，其自身的磁場所產生的電磁力，使這內移動，其自身的磁場所產生的電磁力，使這些些“導線導線”互相吸引靠近，弧

4、柱又進一步被壓縮互相吸引靠近，弧柱又進一步被壓縮,這種壓這種壓縮作用稱為縮作用稱為“磁壓縮磁壓縮” 。在上述三種壓縮作用下，弧柱。在上述三種壓縮作用下，弧柱被縮小到很細的范圍內，并且由柔性變?yōu)閯傂?，能量密被縮小到很細的范圍內，并且由柔性變?yōu)閯傂?，能量密度高度集中，心部溫度可達度高度集中，心部溫度可達104，稱為等離子束。，稱為等離子束。第5頁/共55頁 第6頁/共55頁等離子熔覆基本原理圖等離子熔覆基本原理圖等離子熔覆等離子熔覆示意示意圖圖第7頁/共55頁高能束高能束熔覆熔覆示意示意圖圖第8頁/共55頁等離子熔覆等離子熔覆示意示意圖圖第9頁/共55頁等離子熔覆等離子熔覆示意示意圖圖第10頁/共

5、55頁 等離子束能量密度高、溫度高、加熱速度快、等離子束能量密度高、溫度高、加熱速度快、時間短時間短, ,處理工件變形小或無變形處理工件變形小或無變形, ,工作效率工作效率高等離子束表面改性技術，一次性投資只有激光等離子束表面改性技術，一次性投資只有激光的的1/3-/1/21/3-/1/2，運行成本只有激光處理的，運行成本只有激光處理的1/31/3，且硬化效果與激光相當，是非常有前途的表面且硬化效果與激光相當，是非常有前途的表面工程技術。工程技術。第11頁/共55頁 等離子表面強化的基本原理是利用用氬氣或氮氣等氣體放等離子表面強化的基本原理是利用用氬氣或氮氣等氣體放電形成壓縮電弧的高密度能量束

6、（等離子束），其能量密電形成壓縮電弧的高密度能量束（等離子束），其能量密度達數(shù)百度達數(shù)百kW/cmkW/cm2 2，弧柱中心溫度可達，弧柱中心溫度可達1000010000，加熱速度非，加熱速度非常快。當利用等離子束掃描材料表面時，其表面溫度在瞬?？?。當利用等離子束掃描材料表面時，其表面溫度在瞬間可迅速升至相變溫度以上或至熔點，由于加熱時間短，間可迅速升至相變溫度以上或至熔點，由于加熱時間短，加熱層很淺，靠工件自身以很大冷卻速度快速冷卻，形成加熱層很淺，靠工件自身以很大冷卻速度快速冷卻，形成細密的白口組織、隱晶馬氏體、高硬度化合物等高硬度組細密的白口組織、隱晶馬氏體、高硬度化合物等高硬度組織，從

7、而實現(xiàn)表面強化之目的?？?，從而實現(xiàn)表面強化之目的。第12頁/共55頁（1 1）固態(tài)相變硬化）固態(tài)相變硬化 等離子束流等離子束流快速掃描工件快速掃描工件工件被加熱到固工件被加熱到固態(tài)相變溫度以上態(tài)相變溫度以上依靠工件自身快依靠工件自身快速冷卻發(fā)生淬火速冷卻發(fā)生淬火淬硬層組織細小，硬度比常規(guī)淬火工藝高出淬硬層組織細小，硬度比常規(guī)淬火工藝高出20%20%以上，耐磨以上，耐磨性可提高性可提高2 23 3倍，工件幾乎無變形，處理后的材料表面形貌倍，工件幾乎無變形，處理后的材料表面形貌無改變，可直接使用。無改變，可直接使用。第13頁/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（2 2）表面熔凝硬化）

8、表面熔凝硬化 等離子束流等離子束流快速掃描工件快速掃描工件表面形成表面形成熔池熔池依靠工件自身冷卻和依靠工件自身冷卻和向空氣散熱向空氣散熱快速凝固快速凝固硬化效果顯著，但硬化層的形成過程中，發(fā)生了液態(tài)到固態(tài)硬化效果顯著，但硬化層的形成過程中，發(fā)生了液態(tài)到固態(tài)的轉變，產生鑄造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化層因的轉變，產生鑄造缺陷的可能性增加。此外，熔凝硬化層因凝固反應而突起，采用該種硬化方式處理的工件，一般需經(jīng)凝固反應而突起，采用該種硬化方式處理的工件，一般需經(jīng)過珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（適于鑄鐵和過珩磨后方可使用，增加了制造工序和成本。（適于鑄鐵和高合金鋼）高合金鋼） 第14頁

9、/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化表面預涂敷表面預涂敷合金粉末或合金粉末或同步送粉同步送粉等離子束流快速掃等離子束流快速掃描工件描工件，合金元素合金元素熔入等離子束掃描熔入等離子束掃描形成的微熔池中，形成的微熔池中，反應形成新相反應形成新相依靠工件自身快依靠工件自身快冷和向空氣散熱冷和向空氣散熱快速凝固快速凝固 第15頁/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化基體材料：基體材料：碳鋼碳鋼：Q235、20、45、16Mn合金鋼合金鋼：40Cr、Cr12MoV、H13、304、316L

10、、1Cr18Ni9Ti、 2Cr13 ；鑄鐵：鑄鐵：HT200、QT600、合金鑄鐵；、合金鑄鐵；有色金屬合金：有色金屬合金：Al合金、合金、Ti 合金合金 第16頁/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化熔覆材料：熔覆材料：鐵基鐵基合金粉末、合金粉末、鎳基鎳基合金粉末、合金粉末、鈷基合金粉末鈷基合金粉末需要時加入：需要時加入：WC、TiC、SiC、Al2O3等陶瓷相提高硬度等陶瓷相提高硬度 第17頁/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化熔覆材料：熔覆材料：鐵鐵基基合金粉末：合金粉末：

11、熔覆層具有優(yōu)良的耐磨性，但脆性較大熔覆層具有優(yōu)良的耐磨性，但脆性較大鐵鉻硅硼合金粉末：50HRC以上，適用于鐵路鋼軌的修補,以及石油鉆探、農機部件、建筑和礦山機械等抗磨損零件的強化和修復。第18頁/共55頁3 等離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化熔覆材料：熔覆材料：鎳基鎳基合金粉末：合金粉末：熔覆層耐磨、耐蝕、抗氧化熔覆層耐磨、耐蝕、抗氧化鎳鉻硼硅合金粉末：2565HRC，綜合性能優(yōu)良，用途廣泛，可用于強化和修復承受金屬摩擦磨損的工件，各種低應力磨料磨損的零件，耐蝕件和工作溫度不超過700 的零件，以及鑄鐵、鋼件缺陷的修補。 第19頁/共55頁3 等

12、離子表面強化方式等離子表面強化方式（3 3）等離子束熔覆強化）等離子束熔覆強化熔覆材料：熔覆材料：鈷鈷基基合金粉末：合金粉末：熔覆層具有優(yōu)良的高溫性能，較好的熱強熔覆層具有優(yōu)良的高溫性能，較好的熱強性、熱蝕性、韌性以及冷熱疲勞性能。性、熱蝕性、韌性以及冷熱疲勞性能。 一般用于較重要的耐高溫磨蝕零件的強化和修復。如高溫高壓閥門板和閥座，各種發(fā)動機的排氣閥密封面以及用于熱腐蝕條件下的飛機發(fā)動機部件 等。第20頁/共55頁4 4 等離子束表面強化機理等離子束表面強化機理等離子束表面處理過程屬于非平衡快速凝固過程。等離子束表面處理過程屬于非平衡快速凝固過程。（1）相變硬化）相變硬化（2）細晶強化細晶強

13、化（3）彌散強化）彌散強化（4）固溶強化）固溶強化第21頁/共55頁5 5 近幾年來開展的工作近幾年來開展的工作1) 1) 等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的 影響影響（20052005屆畢業(yè)設計，材控屆畢業(yè)設計，材控0101級級 李征）李征）2) 2) 等離子束表面熔覆等離子束表面熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能（20062006屆屆 畢業(yè)設計，材科畢業(yè)設計，材科0202級級 魯煜）魯煜）3)3) 316L 316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與性能基合金

14、涂層的組織與性能（2007 2007 屆畢業(yè)設計，材科屆畢業(yè)設計，材科0303級級 謝濤）謝濤）4 4) ) H13 H13鋼等離子熔覆鋼等離子熔覆NiNi基合金基合金35%W35%W涂層的組織與性能涂層的組織與性能（20082008屆畢業(yè)設計，材科屆畢業(yè)設計，材科0404級級 劉海青）劉海青）5 5) ) 等離子熔凝處理對球鐵組織及性能的影響等離子熔凝處理對球鐵組織及性能的影響（20092009屆畢業(yè)設屆畢業(yè)設計，材科計，材科0505級級 吳廣東）吳廣東）6 6) ) H13 H13模具鋼等離子熔凝處理硬化層的組織和性能模具鋼等離子熔凝處理硬化層的組織和性能（20102010屆屆畢業(yè)設計，材

15、科畢業(yè)設計，材科0606級級 王碩）王碩）7 7) ) 304不銹鋼等離子噴焊鈷基合金涂層組織與性能研究（20112011屆畢業(yè)設計，材科屆畢業(yè)設計，材科0707級級 栗志濤）栗志濤）第22頁/共55頁5 5 近幾年來開展的工作近幾年來開展的工作 等離子束掃描速度對硼鑄鐵等離子束掃描速度對硼鑄鐵 微熔處理硬化層組織與性能的影響微熔處理硬化層組織與性能的影響第23頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響第24頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響

16、性能的影響第25頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響圖圖 3 3 熔化區(qū)組織熔化區(qū)組織 萊氏體少量未溶石墨萊氏體少量未溶石墨 400400 第26頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響圖5 熔化區(qū)上部SEM照片 3000圖6 熔化區(qū)中部SEM照片 3000圖7 熔化區(qū)底部SEM照片 3000第27頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響圖圖5 5 固態(tài)

17、相變區(qū)固態(tài)相變區(qū)SEMSEM組織：針狀馬氏體殘余奧氏體片狀組織：針狀馬氏體殘余奧氏體片狀石墨少量含硼碳化物和磷共晶的復合組織石墨少量含硼碳化物和磷共晶的復合組織（a a）右邊為熔化區(qū)底部）右邊為熔化區(qū)底部 500 500（b b）相變區(qū)上部放大組織）相變區(qū)上部放大組織 3000 3000 第28頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響 圖圖9 9 相變區(qū)與基體交界處相變區(qū)與基體交界處SEMSEM組織組織 針狀馬氏體珠光體殘余奧氏體片狀石墨含硼碳化物和針狀馬氏體珠光體殘余奧氏體片狀石墨含硼碳化物和磷共晶的復合組織磷共

18、晶的復合組織 20002000右邊靠近相變區(qū)為非完全淬火區(qū)，左邊靠近基體右邊靠近相變區(qū)為非完全淬火區(qū)，左邊靠近基體第29頁/共55頁等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與等離子束掃描速度對硼鑄鐵微熔處理硬化層組織與性能的影響性能的影響 針狀馬氏體珠光體殘余奧氏體片狀石墨含硼碳化物和針狀馬氏體珠光體殘余奧氏體片狀石墨含硼碳化物和硬化層的顯微硬度分布曲線 硬化層的耐磨性是基體的3倍 第30頁/共55頁5 5 近幾年來開展的工作近幾年來開展的工作等離子束表面熔覆等離子束表面熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能第31頁/共55頁鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等

19、離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能a)b)c)d)e)f)表示從表層到結合界面的組織第32頁/共55頁熔覆層的組織，（Cr,Fe）7C 3 三維形貌鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能第33頁/共55頁熔覆層組織熔覆層組織鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能第34頁/共55頁圖圖4 4 熔覆層界面組織熔覆層界面組織 鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能

20、涂層的組織和性能第35頁/共55頁鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層涂層鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能第36頁/共55頁a a）熔覆層）熔覆層 b)b)基體基體圖圖8 8 試樣磨損后表面的試樣磨損后表面的SEMSEM形貌形貌 等離子熔覆處理后其耐磨性提高了約等離子熔覆處理后其耐磨性提高了約5 5倍。倍。 鑄鐵表面等離子熔覆鑄鐵表面等離子熔覆Fe-Cr-Si-BFe-Cr-Si-B涂層的組織和性能涂層的組織和性能第37頁/共55頁5 5 近幾年來開展的工作近幾年來開展的工作

21、 316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆 NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能第38頁/共55頁熔覆道宏觀形貌熔覆道宏觀形貌316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能第39頁/共55頁熔覆層低倍形貌熔覆層低倍形貌316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能第40頁/共55頁熔覆層組織熔覆層組織316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能第41頁/共55頁熔覆層與基體的界面組織熔覆層與基體的界面組織316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能第42頁/共55頁熔覆層的熔覆層的X X射線衍射圖射線衍射圖316L316L不銹鋼不銹鋼等離子熔覆等離子熔覆NiNi基合金涂層的組織與耐蝕性能基合金涂層的組織與耐蝕性能20406080100020040060080010001200140016001800 Intensity2-Ni,FeCr23C6第43頁/共55頁界面處的溶質