等離子噴焊文獻(xiàn)綜述(共14頁)

1、1 文獻(xiàn)(wnxin)綜述1.1 等離子噴焊的概況(gikung)和發(fā)展噴焊(spraying welding)是在熱噴涂過程中同時(tngsh)對機(jī)體加熱，使焊層在基體表面熔化，形成噴焊層的方法，又稱熱噴焊。噴焊包括噴涂和重熔兩個過程。等離子噴焊技術(shù)是采用等離子弧作為熱源加熱基體，使其表面形成熔池，同時將噴焊粉末送入等離子弧中，粉末在弧柱中得到預(yù)熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，被焰流噴射至熔池后，充分熔化并排除氣體和熔渣，噴槍移開后合金熔池凝固，形成噴焊層的工藝過程 4。等離子噴焊是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的新技術(shù)，由于其具有的獨特優(yōu)越性，一直受到工程界人士的重視。進(jìn)入 70 年代，等離子噴焊技

2、術(shù)進(jìn)一步被接受，開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，得到了新的發(fā)展，例如，在合金粉末中添加碳化物來增加表面性能，同時也出現(xiàn)了許多不同形式的噴焊槍。80 年代初期，許多行業(yè)認(rèn)識到等離子噴焊的優(yōu)越性，促進(jìn)了等離子噴焊的機(jī)械化和自動化進(jìn)程，以及噴焊槍操作控制設(shè)備的發(fā)展，相應(yīng)地產(chǎn)生了許多先進(jìn)的等離子噴焊設(shè)備。80 年代末到 90 年代初，電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型弧焊電源的出現(xiàn)，微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，以及大功率噴焊槍的研制，推動了等離子噴焊設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使等離子噴焊的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，大大拓寬了等離子噴焊的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。早期的等離子噴焊系統(tǒng)大多由中間繼電器觸點邏輯電路或二極管矩陣邏輯電路作為程序控制單元，

3、系統(tǒng)組件的集成度不高。由于等離子噴焊系統(tǒng)的被控對象較多，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，焊接規(guī)范的調(diào)節(jié)不太方便，適應(yīng)性較差。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)、PLC 和工控機(jī)大量應(yīng)用于等離子焊接的控制系統(tǒng)中5。南昌航空工業(yè)學(xué)院的陳煥明等人利用歐姆龍的 C40P 型 PLC 實現(xiàn)對等離子噴焊系統(tǒng)的控制，所設(shè)計的系統(tǒng)能滿足噴焊工藝要求，提高了抗高頻干擾的能力6，濟(jì)南大學(xué)的張智杰等人則使用siemens 的 LOGO！模塊實現(xiàn)對等離子噴焊工藝的控制，降低了系統(tǒng)的研發(fā)周期；華中科技大學(xué)的王偉等人則利用 87C552 單片機(jī)，將 I2C 總線引入到等離子噴焊控制系統(tǒng)中，簡化了電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，降低了成

4、本；美國的 Richard Ethen Marques使用微機(jī)進(jìn)行等離子噴焊的研究，西北工業(yè)大學(xué)的李京龍等人則成功地將 PC 機(jī)應(yīng)用到對等離子噴焊系統(tǒng)的控制當(dāng)中，實踐證明PC機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行可靠故障率低，并且故障易排除13。1.2 等離子弧對自由(zyu) HYPERLINK /view/172347.htm 電弧(dinh)的弧柱進(jìn)行(jnxng)強(qiáng)迫“壓縮”，從而使能量更加集中，弧柱中氣體充分電離，這樣的電弧稱為等離子弧。1.2.1 等離子體氣體在一定條件下發(fā)生電離現(xiàn)象，通常把已電離氣體的離子與未電離的離子總數(shù)之比成為電離度。電離度越高，氣體中的正離子和電子就越多。在物理學(xué)中把電離度大于

5、0.1 % 的氣體成為等離子體。它是繼固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)以外的物質(zhì)第四態(tài)。與普通氣體不同，由于等離子含有正離子和電子，因而呈現(xiàn)明顯的導(dǎo)電性能。等離子體具有三個基本特點：即很強(qiáng)的導(dǎo)電性、電準(zhǔn)中性與磁場的可作用性。等離子體的溫度非常高，溫度跨度也非成大。按溫度的高低可以將等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體又可分為熱等離子體和冷等離子體。在等離子噴焊中是熱等離子體其溫度可達(dá) 16000 K。1.2.2 等離子弧的產(chǎn)生電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，具有兩種形態(tài)，即自由電弧和壓縮電弧。若氣體放電現(xiàn)象不受任何拘束，則成為自由電弧。由于自由電弧不受任何約束，弧柱一般較粗，熱量比較分散，其電離度也較

6、低，溫度大約50006000 K。等離子弧是受到壓縮作用的電弧，與自由電弧的區(qū)別見表 1.1。表1.1 電弧形態(tài)特征電弧特征自由電弧電弧燃燒不受任何約束，電弧溫度一般在 50006000 k。壓縮電弧電弧燃燒由于冷卻噴嘴的拘束作用而存在機(jī)械壓縮效應(yīng)、熱壓縮效應(yīng)、自磁壓縮效應(yīng)。1.2.3 等離子壓縮效應(yīng)自由電弧通過冷卻噴嘴時受到三重壓縮作用7。(1) 機(jī)械壓縮作用等離子通過等離子噴槍的噴嘴噴射出來，由于再循環(huán)冷卻水的作用下水冷紫銅噴嘴孔道內(nèi)壁的溫度很低，噴嘴附近氣體必然受到冷卻，在噴嘴孔道內(nèi)壁上形成一層冷氣膜，從而限制等離子弧弧柱擴(kuò)張，對等離子弧起到壓縮作用。這種對弧柱的壓縮作用成為機(jī)械壓縮效應(yīng)

7、。噴嘴孔徑越小、孔道越長，噴嘴對弧柱的機(jī)械壓縮作用就越強(qiáng)。(2) 熱循環(huán)效應(yīng)由于循環(huán)冷卻水的作用而在噴嘴內(nèi)壁形成的冷氣膜，氣體電離度很低，因而導(dǎo)電性很差，電流通過時阻力大，而電弧中心部位溫度較高，電離度較高，因而電流通過時阻力較少。電流的絕大部分只能從電弧的中心部位通過。從而導(dǎo)致電弧中心部位的溫度升高，電離度進(jìn)一步增大，這又導(dǎo)致電流進(jìn)一步集中，是電弧弧柱進(jìn)一步壓縮。這種對弧柱的壓縮作用成為熱壓縮作用。它主要取決于其他的進(jìn)氣方式、流量大小和噴嘴內(nèi)壁的冷卻效果。(3) 自磁壓縮(y su)效應(yīng)由電磁原理可知，當(dāng)一根導(dǎo)線中通過電流時，在導(dǎo)線周圍就會形成磁場。當(dāng)兩根平行導(dǎo)線通以相同方向的電流時，由于磁

8、場的相互作用，這兩根導(dǎo)線產(chǎn)生(chnshng)相互吸引的電磁力。等離子弧可以看作是由無數(shù)根相互靠近的、電流方向相同的平行導(dǎo)線所組成的。這樣由于電磁力的作用，弧柱內(nèi)各部位產(chǎn)生指向弧柱中心部位的壓縮力。這種壓縮作用成為自磁壓縮作用。1.2.4 等離子弧的組成(z chn)等離子弧可化為陰極和陰極區(qū)、弧柱區(qū)、陽極和陽極區(qū)三個部分，如圖1.1所示7。 圖1.1等離子弧組成部分1陰極2陰極區(qū)3弧柱 4陽極區(qū)5陽極6焰流(1) 陰極和陰極區(qū)等離子放電的絕大多數(shù)電子是由陰極發(fā)出的。陰極表面放電部分的總和成為陰極斑點。其電流密度高達(dá)103106 A/cm-2。陰極區(qū)是指靠近陰極電場強(qiáng)度很強(qiáng)的區(qū)域，其距陰極約為

9、10-4 cm。由于大量電子從陰極溢出，造成陰極區(qū)內(nèi)正負(fù)離子數(shù)的不平衡，造成陰極區(qū)內(nèi)正負(fù)離子數(shù)的不平衡，造成陰極位降區(qū)，電位度可達(dá)105106 V/cm-1的數(shù)量級。(2) 弧柱區(qū)弧柱區(qū)是由電弧長度上均勻分布的導(dǎo)電氣體組成。弧柱的電阻較小，電壓降較小，電位梯度一般為1050 V/cm-1?；≈姓?fù)帶點離子流雖然有很大的區(qū)別，但每瞬間每個單位體積中正、負(fù)帶電粒子數(shù)量相等，這是由于弧柱中電子流所需的電子可以從陰極區(qū)得到充分的補(bǔ)充，而是弧柱從整體上呈中性。因此，所謂等離子體即指弧柱部分。(3) 陽極和陽極區(qū)陽極基本上僅受弧柱區(qū)流來的電子，電子流入陽極也集中在陽極表面的陽極斑點區(qū)內(nèi)。陽極區(qū)指靠近陽極

10、斑點附近約10-310-4 cm電場強(qiáng)度較高的區(qū)，其電位梯度約為103105 V/cm-1數(shù)量級。進(jìn)入陽極區(qū)的電子帶來大量的熱量，使陽極溫度升高。1.2.5 等離子弧的特點(tdin) (1) 溫度(wnd)高，能量集中8由于等離子弧受到強(qiáng)烈的壓縮作用，弧柱中心的電離(dinl)度大，電流密度大，電壓高，因而其溫度高，能量集中。圖1.2是等離子噴涂的非轉(zhuǎn)移型弧的溫度分布。圖1.2 等離子非轉(zhuǎn)移型弧溫度分布 由圖可見，在等離子中心溫度最高達(dá)32000 k。圖1.3是鎢極自由電弧和轉(zhuǎn)移弧的溫度對比。兩者均采用氬氣作為工作氣體，氬氣流量為1.1 m3/h，電流為200 A，鎢極自由電弧的電壓為14.

11、5 V，轉(zhuǎn)移弧的電壓為29 V。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)移弧的溫度最高可達(dá)240000 k 以上，兒女自由電弧只能達(dá)到18000 k，并且整個轉(zhuǎn)移弧的溫度均在14000 k以上。這一特點可以使得等離子弧可以熔化任何難容材料，增加了等離子噴焊的應(yīng)用范圍。(2) 焰流速度高、沖擊力大進(jìn)入噴槍的工作氣體瞬時被加熱到上萬度高溫，工作氣體急劇膨脹，形成等離子焰流自噴嘴中高速噴出，具有很大的沖擊力。在噴嘴附近，焰流的噴射速度高達(dá)亞音速或超音速。在等離子噴焊時，這一特點對提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是非常有力的。(3) 穩(wěn)定性好 由于等離子弧是一種壓縮型電弧，弧柱挺拔，指向性好，電離度高，因而電弧位置、形狀以及弧電壓

12、、弧電流均比自由電弧穩(wěn)定，不易受外界干擾。這對于保證等離子噴焊工藝過程的穩(wěn)定可靠具有重要意義。(4) 調(diào)節(jié)性好 壓縮型電弧可調(diào)節(jié)的因素較多，可以通過改變輸入功率、工作氣體的流量、噴嘴的尺寸以及電源的連接方法等來控制等離子弧的溫度和熱量；通過變換工作氣體的種類可以得到氧化、中性或還原氣氛；通過改變弧電壓、噴嘴結(jié)構(gòu)和氣體流量等，可以控制等離子焰流的沖擊力等。圖1.3 鎢極自由電弧(dinh)和轉(zhuǎn)移弧的溫度分布對比1.2.6 等離子弧的形式(xngsh)按電源的接線方式可以講等離子弧分為(fn wi)非轉(zhuǎn)移型等離子弧、轉(zhuǎn)移型等離子弧和聯(lián)合型等離子弧8,9，如圖1.4所示。(1) 非轉(zhuǎn)移型等離子弧非轉(zhuǎn)

13、移弧如圖1.4a所示。電源的正負(fù)兩極分別接在噴嘴和陰極上。等離子弧子噴嘴和陰極之間形成。工件上不接電源，等離子弧在噴嘴內(nèi)部。當(dāng)連續(xù)送進(jìn)工作氣體時工作氣體被等離子弧加熱，就會形成高溫等離子焰流從噴嘴內(nèi)部噴射出來。非轉(zhuǎn)移弧常用于噴涂、表面處理以及焊接或切割較薄的金屬或非金屬。(2) 轉(zhuǎn)移型等離子弧轉(zhuǎn)移型等離子弧如圖1.4b所示。電源的正負(fù)兩極分別接在工件和陰極上。在陰極和工件之間形成等離子弧。在引燃轉(zhuǎn)移弧時必須先引燃非轉(zhuǎn)移弧，即現(xiàn)將電源正極接到噴嘴上，引燃非轉(zhuǎn)移弧后，將電源正極從噴嘴切換到工件上，形成轉(zhuǎn)移弧。其溫度較非轉(zhuǎn)移弧高，能量集中，常用于切割、焊接及堆焊。圖1.4 等離子弧的形式(3) 聯(lián)合

14、型等離子弧聯(lián)合型等離子弧如圖1.4c所示。工件、噴嘴均接在正極，在噴嘴與陰極之間形成非轉(zhuǎn)移弧，在工件和陰極之間形成轉(zhuǎn)移弧，這兩種形式的電弧同時存在。一般非轉(zhuǎn)移弧是作為輔助熱源，起著引燃轉(zhuǎn)移弧及預(yù)熱金屬粉末的作用；轉(zhuǎn)移弧主要用來加熱粉末和工件，是噴出的粉末迅速進(jìn)入熔池與工件融合。由于非轉(zhuǎn)移的存在能夠提高轉(zhuǎn)移弧的穩(wěn)定性，因而(yn r)在很小的電流下，連聯(lián)合弧依然很穩(wěn)定。主要用于電流在100 A以下(yxi)的微束等離子焊接。1.3 等離子噴焊等離子噴焊是以轉(zhuǎn)移型等離子弧為主要熱源、在金屬表面噴焊合金粉末(fnm)的方法。1.3.1等離子噴焊的基本原理圖1.5 是等離子噴焊焊接原理圖。在采用聯(lián)合型

15、等離子弧噴焊時，一般采用兩臺獨立的直流弧焊機(jī)作電源，分別供給非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧。兩個電源的負(fù)極并聯(lián)在一起，通過電纜接至噴焊槍的鎢電極（負(fù)極）。非轉(zhuǎn)移弧電源正極通過電纜接噴焊槍噴嘴，轉(zhuǎn)移弧電源正極通過電纜接工踐。冷卻水通過水冷電纜引至焊槍，冷卻噴嘴和電極。氬氣通過電磁氣閥和浮子流量計進(jìn)入噴焊槍。電源接通后，借助高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移弧。再借助非轉(zhuǎn)移弧弧焰在鎢電極和工件之間造成的導(dǎo)電通道，引燃轉(zhuǎn)移弧。轉(zhuǎn)移弧引燃后，可保留或切斷非轉(zhuǎn)移弧。主要利用轉(zhuǎn)移弧在工件表面產(chǎn)生熔池。合金粉末由送粉器按需要量連續(xù)供給，借助送粉氣流（也用氬氣）送入焊槍，并吹入電弧中。合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，噴射到

16、工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧電流，送粉量和其它工藝規(guī)范參數(shù)，來控制熔化合金粉末和傳遞給工件的熱量。隨著焊槍和工件的相對移動，合金熔池逐凝固，便在工件上獲得所需要的合金熔敷層。圖1.5 等離子弧焊焊接原理示意圖1-直流電源；2-高頻發(fā)生器；3-鎢極；4-離子流；5-冷卻水；6-小電弧；7-保護(hù)氣；8-保護(hù)氣噴嘴； 9-等離子弧噴嘴；10-等離子??；11-母材金屬1.3.2等離子噴焊的特點等離子噴焊利用等離子弧作熱源和采用合金粉末作填充金屬，從而與其它表面噴焊方法相比較，具有以下特點4, 10, 11：(1) 良好(lingho)的可控性和低沖淡率等

17、離子噴焊可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熱輸入。除了改變輸入功率外，還可以通過改變氣體(qt)的種類、流量以及噴嘴的尺寸來調(diào)節(jié)等離子弧的熱能和溫度；等離子弧氣氛可以調(diào)整，通過選擇不同的工作氣體可以獲得惰性氣氛、還原性氣氛和氧化性氣氛；等離子弧射流的剛?cè)岫?，即電弧的剛?cè)岫?，可以通過改變電弧電流，氣體流量和噴嘴壓縮比來調(diào)節(jié)。由于工藝上可調(diào)節(jié)的參數(shù)眾多，熱量輸入可控，合金粉末在弧柱中預(yù)熱，呈噴射狀過渡到熔池，對電弧吹力有緩沖作用，熔池受熱均勻，因此可以控制母材熔深，降低母材對合金的沖淡率，沖淡率一般可以控制在 5 %15 %以內(nèi)(y ni)。(2) 稀釋率低為保持噴焊層的性能，要求集體材料熔入噴焊層的比例少，

18、即稀釋率低。等離子弧溫度高、能量集中、弧穩(wěn)定性和可靠性好，因此可以在保證稀釋率低(控制到5 %)的同時，保證較高的噴焊率。(3) 噴焊層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性好由于等離子弧為壓縮電弧，具有良好的穩(wěn)定性，外界因素的干擾(如周圍氣流的流動、噴距高低、噴焊位置的不同等)對電參數(shù)(電壓、電流等)和電弧穩(wěn)定性影響比較小，從而使工藝易于穩(wěn)定。合金粉末熔化充分，飛濺少，熔池中的熔渣和氣體易于排除，容易消除焊層內(nèi)的氣孔、夾渣等缺陷。等離子弧溫度高，熱量相對集中，噴焊速度快，一次熔成，使工件的熱影響區(qū)小。尤其可以控制對母材的熱輸入量，可以調(diào)整熱影響區(qū)的尺寸和硬度，降低對裂紋的敏感性，避免由于晶粒粗化、馬氏體轉(zhuǎn)變或應(yīng)變

19、時效等原因產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。噴焊層成分、組織均勻，噴焊層平整光滑，尺寸可以得到較精確的控制，可以獲得 0.250.8 mm 之間任意厚度的噴焊層，焊層質(zhì)量好。(4) 合金粉末制備簡單，使用材料范圍廣噴焊用合金粉末系熔煉后直接霧化成球狀粉末，制備方便，不像絲極材料那樣，受鑄造、軋制、拔絲等加工工藝的限制?？梢园葱枰浞?，熔煉各種成分不同的合金粉末，獲得各種不同性能的合金噴焊層。(5) 生產(chǎn)率高由于等離子噴焊溫度高，熱量集中，提高了噴焊的速度，從而接近生產(chǎn)率高的埋弧自動焊，超過了常用的手工電弧噴焊和氧乙炔焰噴焊。而且噴焊過程可以自動進(jìn)行，易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化操作。1.3.3等離子噴焊設(shè)備等離子噴焊一

20、般配有噴焊機(jī)床，其設(shè)備構(gòu)成除兩臺弧焊電源外，還有噴涂槍、送粉器、水冷系統(tǒng)、控制柜、行走機(jī)構(gòu)和擺動機(jī)構(gòu)等12。(1) 等離子噴焊槍這是等離子噴焊設(shè)備的核心裝置，其性能在很大程度上影響噴焊工藝的穩(wěn)定性及噴焊層的質(zhì)量。噴焊槍在工作時產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移型和轉(zhuǎn)移型等離子弧，并匯集冷卻水路、電路、氣路于一身，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。等離子噴焊的結(jié)構(gòu)與等離子噴涂相似，主要區(qū)別是噴嘴和電極的尺寸差別較大。因噴焊槍要產(chǎn)生柔韌等離子弧，故噴嘴的壓縮孔道短而粗，一般孔徑d為6.58 mm，孔長L為812 mm，L/d=0.81.4，壓縮角為60。電極一般用鎢-鈰合金，端部錐形，錐角略小于噴嘴的壓縮角。此外，因噴焊功率較小且以轉(zhuǎn)移

21、弧為主，電弧陽極不在噴嘴內(nèi)壁上，陽極與噴嘴燒損不嚴(yán)重，冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計也行對簡單。(2) 送粉器常用(chn yn)刮板式送粉器。其特點是送粉均勻，便于調(diào)節(jié)；通過改變粉盤的轉(zhuǎn)速便可實現(xiàn)送粉速度的無極調(diào)節(jié)。此外，還可以通過更換不同孔徑 d 的漏孔或調(diào)節(jié)漏孔端面(dunmin)與粉盤的距離h，在更大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)送粉量。(3) 整流(zhngli)電源對等離子噴焊電源性能的要求與常用的弧焊電源基本相同?；疽笫牵褐绷鬏敵?，脈動小；陡降的特性；噴槍引弧時沖擊電流??；輸出電流連續(xù)可調(diào)，最小電流影不小于額定電流的10 %；輸出電流穩(wěn)定，電網(wǎng)電壓波動 10 %，電流變化應(yīng)不大于調(diào)節(jié)值的 5 %；起始電流遞增速

22、度可在50300 A/s內(nèi)調(diào)節(jié)；弧電流衰減速度可在15150 A/s 內(nèi)調(diào)節(jié)。(4) 其他部件控制柜實現(xiàn)等離子和其他控制。水冷系統(tǒng)是形成等離子弧不可缺少的設(shè)備，可采用自來水直接強(qiáng)制冷卻，用渦旋泵從蓄水池抽水，通過閥門調(diào)節(jié)水壓，提供噴焊槍的水循環(huán)。擺動機(jī)構(gòu)一般為偏心輪式機(jī)構(gòu)帶動噴焊槍實現(xiàn)橫向擺動，一次可獲得較寬的焊道，調(diào)節(jié)滑塊在偏心輪上的偏心距，從改變擺幅，相應(yīng)改變焊道寬度。1.3.4等離子噴焊材料噴焊材料一般都是自熔性合金粉末。等離子噴焊對粉末的要求是：具有適度的液態(tài)流動性和良好的潤濕性；粉末離子具有良好的球形和適當(dāng)?shù)牧６龋环勰┡c基體的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡先接近；粉末的含氧量低( 0.1 %)。噴焊

23、常用的合金粉末有鎳基、鐵基、鈷基、銅基和焊WC型粉末 5大類，其中以鎳基噴焊粉末應(yīng)用最多13-15。(1) 鎳基合金噴焊粉末 鎳基合金噴焊粉末的熔點低 (11001150 C)，自溶成渣性好，固、液相線溫度范圍寬，對各種基體的潤濕能力強(qiáng)，涂層韌性好，噴焊工藝性良好。其噴焊層具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐磨性和良好的耐熱性，而且價格適中，因而應(yīng)用最廣。常用的鎳基合金噴焊粉末主要有兩個系列：Ni-Cr-B-Si系、 Ni-B-Si系。表1.2中列出了一些鎳基噴焊粉末的特性和用途。表1.2 一些鎳基噴焊粉末的特性和用途牌號成分系列涂層硬度(HRC)工作溫度/C特性用途KF-Ni60ANiCrBSiFe586

24、2650硬度高，耐磨性優(yōu)異，摩擦系數(shù)低，耐金屬間磨損和耐蝕性能優(yōu)良。適用于各種硬表面磨損和磨粒磨損部件的表面噴焊。KF-Ni60BNiCrBSiFe5862650耐磨性能相當(dāng)于Ni60A，而耐腐蝕性則少次于Ni60A。用于耐腐蝕性要求不高的工件(如風(fēng)葉幾片、鍋爐管道)的耐磨性。KF-300ANi60+35WC-Ni6075600自熔性良好，耐腐蝕性良好，耐磨性高于Ni60，耐磨粒磨損性極好；焊層磨削加工困難。用于需要高度耐磨的工況如拉絲機(jī)塔輪、風(fēng)機(jī)葉片、制磚機(jī)械等。KF-300BBNi60+50WC6075600抗嚴(yán)重的磨礪磨損，有良好的耐腐蝕性能；焊層磨削加工困難。用于制磚機(jī)械、沙泥攪拌、以

25、及農(nóng)機(jī)設(shè)備的磨損部件耐磨噴焊。KF-300CNi60+30WC-Co6072600耐磨性高于Ni60，焊層具有耐磨粒磨損、耐硬表面磨損、耐顆粒沖蝕等特性。用于拉絲機(jī)塔輪兩步法噴焊。(2) 鈷基合金噴焊粉末(fnm) 鈷基合金，是一種能耐各種類型磨損和腐蝕以及(yj)高溫氧化的硬質(zhì)合金。即通常所說的鈷鉻鎢（鉬）合金或司太立（Stellite）合金(hjn)（司太立合金由美國人Elwood Hayness于1907年發(fā)明）。鈷基合金是以鈷作為主要成分，含有相當(dāng)數(shù)量的鎳、鉻、鎢和少量的鉬、鈮、鉭、鈦、鑭等合金元素，偶而也還含有鐵的一類合金。根據(jù)合金中成分不同，它們可以制成焊絲，粉末用于硬面堆焊，熱噴

26、涂、噴焊等工藝，也可以制成鑄鍛件和粉末冶金件。鈷基合金噴焊粉末是鈷、鉻合金固溶體中均勻分布著W、V、Mo等碳化物組織，其主要特點是具有優(yōu)良的耐高溫性、紅硬性、耐腐蝕、耐磨和抗氧化等性能，但其價格較高。例如，Co-Cr-W-B-Si自熔性合金粉末和Co-Cr-W-C/Mo-Ni-Fe系列鈷基粉末具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化等性能，其強(qiáng)度和硬度可保持到600800 C以上，具有良好的耐高溫、耐腐蝕和耐磨并耐蝕的工況條件，最適合于700 C左右的高溫下作抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面涂層。廣泛應(yīng)用與高壓閥門、電站蒸汽閥門等密封面的噴焊；也適用于艦艇用大型軸承的內(nèi)外環(huán)、大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、透平機(jī)葉片、榨

27、油機(jī)推進(jìn)器等的噴焊。粉末中提高鎢的含量可用于各種刀具以及各種熱模具、各種液閥、閥座等的堆焊。(3) 鐵基合金噴焊粉末 很多部件是在常溫和弱腐蝕條件下工作，此時要求材料具有一定的耐磨、耐蝕性能，但不必采用昂貴的鎳基或鈷基合金。因此，具有良好的使用性能、使用噴焊工藝要求的系列鐵基自熔性合金就會的到發(fā)展。在鐵基體上含有鉻、硼、硅等元素的Fe-Cr-B-Si系自熔性合金，應(yīng)用較廣泛。由于其含鉻量一般較高，故具有一定的耐腐蝕性和抗氧化性。同時還可以加入適量的Co、Ni、Mo、Cu、Mn、V等元素，以提高耐腐蝕性、耐磨性和是晶粒細(xì)化。噴焊用鐵基合金粉末通常分為粉末火焰噴焊用和等離子噴焊用兩大類，前者亦可用

28、于等離子噴焊，但后者則不宜用于火焰噴焊。等離子噴焊用鐵基自熔性合金又分為不銹鋼性和高鉻鑄鐵型兩種。鐵基合金噴焊粉末多用于常溫和400 C以下的耐磨涂層和耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的涂層。常用于通用閥門的閥板、閥座密封面、耙路機(jī)的靶齒、石油鉆桿等的噴焊，使用壽命可比原來高15倍。(4) 含碳化合物的噴焊粉末(fnm)通常(tngchng)是在鎳基(或鈷基、鐵基)自熔性合金(hjn)中加入一部分鈷(鎳)以及彌散的WC、VC、NbC、TaC等碳化物硬質(zhì)相。由于彌散碳化物相的存在，噴焊層的耐磨性大大該善；而且通過調(diào)節(jié)碳化物與鐵、鎳和鈷基合金粉末的比例，可獲得不同硬度和耐磨性的涂層。此類噴焊粉末可制備600 C以

29、下耐低應(yīng)力磨粒磨損、沖蝕磨損、粘著磨損強(qiáng)化層。常用含WC的鎳基自熔性合金粉末的牌號是：FZNWC35、NiWC25、NiWC35等。(5) 銅基合金噴焊粉末銅基自熔性合金粉末主要是低磷錫青銅和錫青銅，其涂層特點是摩擦系數(shù)小、易加工和耐腐蝕。這是較新的噴焊材料，應(yīng)用于低壓閥門密封面的等離子噴焊，特別是大口徑低壓閥、DN300以上的閥門密封面噴焊銅基合金粉末，其技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。也可用于復(fù)合材料、軸瓦、配油盤以及需要鑲銅合金的部件。1.3.5等離子噴焊的工藝等離子噴焊的工藝參數(shù)主要有等離子氣流量、送粉氣流量、非轉(zhuǎn)移弧電流、轉(zhuǎn)移弧電流、噴焊距離、噴焊速度、噴槍移動幅度和送粉量等。各參數(shù)相互關(guān)聯(lián)

30、，不同的工件、材質(zhì)、粉末，選用的工藝參數(shù)也不同13。其中，轉(zhuǎn)移弧電流時決定噴焊過程穩(wěn)定性和噴焊質(zhì)量的主要參數(shù)，其大小取決于工件材質(zhì)、尺寸和噴焊速度。一般工件材料的熔點高、尺寸厚大、速度快時須適當(dāng)加大轉(zhuǎn)移弧電流；但又不能過大，以免焰流剛度過硬，使熔深加大而影響噴焊層質(zhì)量。非轉(zhuǎn)移弧電路則主要取決于粉末的熔點和粒度；通常噴焊熔點較高、粒度大的粉末，非轉(zhuǎn)移弧電流可適當(dāng)加大，以利于轉(zhuǎn)移弧的引燃和增大噴焊距離。其他噴焊條件(噴焊距離、送粉量、噴槍移動速度、送分氣體、工作氣體流量和電輸入等)對噴焊效率也有顯著的影響，故應(yīng)針對具體情況適當(dāng)確定。一般來說，焰流越短 ，效率越高，但又要注意避免母材過熱。在噴焊金屬

31、粉末時，噴焊距離以70250 mm為好，而噴焊金屬陶瓷等材料時則75100 mm為宜。 此外，噴焊操作時須注意：對基體進(jìn)行預(yù)熱以清除表面吸附的水汽和提高噴焊效率；預(yù)熱溫度不高于200 C，用等離子焰流或爐內(nèi)預(yù)熱均可。在噴焊過程中注意粉末要連續(xù)、均勻地輸送，不能中斷，以免影響噴焊層厚度不均和性能降低。每次噴焊層的厚度應(yīng)適當(dāng)控制(通常不超過0.3 mm)，需較厚的焊層時可多次反復(fù)噴焊至所需厚度。1.3.6 等離子噴焊層的組織與性能本實驗是采用對低碳鋼表面等離子噴焊鈷基合金，并研究加入Cr3C2的量對噴焊層的影響。就本實驗而言，等離子噴焊得到的組織沿?zé)崃鞣较蛏L的特征很明顯。用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡可

32、以看到其組織形態(tài)及其主要合金元素 Co 和 Cr 的線分布，可以看出白色的骨架相富 Cr ，基體相富 Co16-19 。通過 XRD 分析可知，純鈷基噴焊層的主要組成相為 -Co、Cr7C3 為主，加入 Cr3C2 的鈷基合金噴焊層主要組成相為 -Co、Cr7C3、Cr23C6 和 Cr3C2。噴焊層和基體之間存在一過渡(gud)區(qū)稱為熔合區(qū)，熔合區(qū)組織為平面晶。形成(xngchng)的主要原因是等離子弧噴焊所輸入(shr)的熱量大而集中，形成的熔池較小，結(jié)晶過程中熔池底部的熱量主要從溫度較低的基體傳出，固液界面的溫度梯度很高，同時凝固瞬間結(jié)晶速度小，成分過冷小，液固界面推移速度較慢，故界面呈

33、現(xiàn)平面狀結(jié)晶。靠近熔合線的是胞狀晶，之后為粗大的柱狀晶和樹枝晶。由界面向熔池內(nèi)部延伸，G迅速減小，而結(jié)晶速度R逐漸增大，固液平面界面失穩(wěn)，而出現(xiàn)胞狀晶直至樹枝晶。熔池的熱量通過界面由基體傳出，故該處結(jié)晶方向為垂直于界面向熔池中生長。在噴焊層的中部區(qū)和近表面區(qū)，以等軸晶或準(zhǔn)等軸晶形式出現(xiàn)。原因是由于熔池中上部的散熱有很多種渠道，即可以通過基體，又可以通過周圍環(huán)境，而且由于等離子弧的能量分布不均勻，造成該區(qū)散熱的多方向性，只要某一微區(qū)的晶體的擇優(yōu)取向與該區(qū)的散熱反方向一致，該晶體即可長大，形成的晶粒細(xì)小。等離子噴焊層的硬度、韌性和強(qiáng)度很高，晶粒大小在第910等級，等離子噴焊層和基體之間結(jié)合區(qū)域的寬

34、度在120160 m之間。磨損試驗表明，等離子噴焊層具有較高的耐磨、耐腐蝕和高溫滑動磨損等性能20。Co基合金噴焊層具有較高的顯微硬度，并且隨著從表面向熔合線靠近，顯微硬度逐漸降低。而加入Cr3C2后，噴焊層的截面顯微硬度的變化規(guī)律與Co基合金基本相同，隨著距離噴焊層表面距離的增大，噴焊層的顯微硬度有逐漸降低的趨勢，但是隨著加入Cr3C2 量的不同，硬度值也不同。之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因為由于Cr3C2的加入，溶解的Cr3C2提高熔池中C、Cr的含量，在凝固過程中固溶于基體中，未熔的Cr3C2 起到非自發(fā)形核的作用，提高形核率，細(xì)化組織，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，增強(qiáng)了細(xì)晶強(qiáng)化作用。1.4 等離子噴焊

35、層與激光熔覆層的組織相比較等離子噴焊層的組織特點21：如圖1.6所示20，因等離子噴焊的能量集中，冷凝速度較快，故噴焊層呈樹枝狀結(jié)晶的金相組織。同時，在焊層與基體的界面是典型的冶金結(jié)合，有明顯的互熔區(qū)，基材也存在一定的熱影響區(qū)。因此，一般無氣孔和氧化物夾雜。噴焊層的厚度范圍大，因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的影響，故高硬材料噴焊層的裂紋敏感性較大。1.4.1顯微組織和硬度等離子噴焊層和激光熔覆區(qū)域試樣的顯微組織可以分為三部分20：焊接區(qū)域、結(jié)合區(qū)和基體，正如顯示在圖1.6和圖1.7中。圖1.6 等離子噴焊層及其結(jié)合(jih)區(qū) 圖1.7 激光(jgung)熔覆層及其結(jié)合區(qū)激光(jgung)熔覆層的纖維組織

36、是均勻的、很好的，根據(jù)國標(biāo)GB/T 6394-2002，微小的晶體粒度可以在1112等級，結(jié)合區(qū)的寬度在1025 m；等離子噴焊層的顯微組織要比激光熔覆大一些，微小的晶體粒度在第910等級，結(jié)合區(qū)的寬度在120160 m之間。根據(jù)標(biāo)本焊層質(zhì)量的切割和分析，激光熔覆的成品率高于95 %。如圖1.8和圖1.9所示，等離子噴焊層出現(xiàn)裂紋、氣孔和夾雜。圖1.8等離子噴焊層上部的氣孔 圖1.9枝晶狀等離子噴焊層中的雜質(zhì)一般來說，激光熔覆層的顯微硬度在HV 740860，但是等離子噴焊層的顯微硬度在HV 520560。1.4.2耐磨性如圖1.10所示，試樣平均在3000次磨損的實驗條件下獲得的曲線，并在每500次試驗之后稱量其重量。實驗說明激光熔覆層的磨損試樣在每一次磨損循環(huán)中比等離子噴焊層的要少一倍。兩種試樣在3000次磨損之后失去的重量為1.2毫克和2.53毫克。圖1.11和圖1.12為測試標(biāo)本的表面外貌。圖1.10 磨損量和磨損循環(huán)(xnhun)次數(shù)的圖標(biāo)試驗和應(yīng)用(yngyng)