感應熔覆涂層組織結構和性能的研究進展

感應熔覆涂層組織結構和性能的研究進展

0表面熔覆技術該設備的零件安裝在高溫、高壓、腐蝕等特殊環(huán)境下。破壞的主要形式是磨損、腐蝕和斷裂，其中磨損和腐蝕造成的損失約占總比例的很大一部分。磨損和腐蝕均發(fā)生于零件表面,對其進行表面防護可以有效地解決上述問題。與傳統(tǒng)的表面淬火、表面滲碳等工藝相比,表面熔覆能在工件表面形成一層高硬度、高耐磨、耐腐蝕涂層,而且能使涂層與基體實現(xiàn)牢固的冶金結合,從而使工件保持內(nèi)部韌性而表層高耐磨高耐蝕的特點,不僅使工件的制造成本大大降低,也能更好地滿足使用要求。熔覆技術較多,而感應熔覆技術由于其獨特的優(yōu)勢而受到研究者的青睞。1應力熔覆技術:在高溫層內(nèi)添加有機溶劑在涂層感應熔覆技術是將磁導率、電阻率與基體材料不同的合金粉末預先涂敷于基體表面,利用感應線圈中的交變磁場在工件中產(chǎn)生渦流,渦流的趨膚效應產(chǎn)生的熱量熔化合金涂層,從而使涂層與基體實現(xiàn)冶金結合,達到強化基體的目的。一般情況下,基體選用成本較低的碳素鋼,電阻率小,磁導率大,渦流突變增大。集膚效應發(fā)生在涂層表面與基體表面的界面處,以界面處渦流最大,這2個區(qū)域成為加熱的高溫區(qū),其材料最先熔化、結晶,熱量的傳導使涂層中部材料接著熔化、結晶。這樣不僅能使涂層材料與基體材料實現(xiàn)冶金結合,而且還能在基體表面形成一層晶粒細小、硬度高、耐磨、高耐蝕的涂層,后續(xù)加工量小。這種方法不同于激光熔覆和等離子熔覆。激光熔覆和等離子熔覆的特點是加熱從表層開始,熱量由表層向內(nèi)部擴散,加熱的高溫區(qū)在涂層表層,要達到界面處元素擴散形成冶金結合層時,表層溫度往往很高,使涂層合金過熱流淌或燒損氧化嚴重,工藝要求高。感應熔覆技術具有快速加熱的特點,存在電磁力作用而使液態(tài)熔覆材料對流,雖然元素擴散的時間短,但也可使反應較為充分,具有涂層稀釋率相對較低、對基體熱影響小、涂層氧化燒損小、成本低以及工藝靈活等優(yōu)點。因此,感應熔覆具有很好的應用前景。這項技術國外早在20世紀90年代就有報道,國內(nèi)學者對該技術中涂層的選材主要集中在Ni和Cr基自熔合金粉末[11,12,13,14,15,16,17]。也有對其他成分合金粉末涂層進行研究。從整體來看,涂層材料基本上是選用自熔合金粉末或濕潤能力強的合金粉末;在主要參數(shù)選擇方面,有中頻感應頻率和高頻感應頻率。以下就影響高頻感應的一些關鍵因素、涂層性能和需要解決的問題作一綜述。2焊接工藝參數(shù)的選擇2.1涂層復合膠結在感應加熱前將粉末預涂于基體表面,涂層厚度一般參考表面涂鍍層分類原則,選擇厚硬化層(0.1~1.0mm量級)。考慮到粉末的松散性,如果實際工程需求特定厚度,可根據(jù)具體材料適當加厚。粉末的涂覆一般有熱涂和冷涂2種方法。熱涂是采用熱噴涂的方法將合金粉末預置于基體表面,再感應加熱使合金粉末再熔化制備涂層。嚴格講,該涂覆方法應該定義為感應重熔而不是嚴格意義的感應熔覆。冷涂熔覆一般是將合金粉末和粘接劑混合均勻,直接涂覆于基體表面,然后采用感應加熱技術使涂層熔覆的方法。選用的粘接劑一般要求流動性好,粘接性強,能保持高的成型坯強度,使預制的涂層能保持高精度和高均勻性。其要求是耐一定高溫,預熱過程不起泡,加熱過程中不飛濺和剝落;在加熱過程中易揮發(fā),不破壞涂層表面形貌,不改變涂層的原始成分?？筛鶕?jù)涂覆材料選用松香、松節(jié)油、水玻璃、酚醛樹脂、纖維鈉等材料按適當比例配比加上適量的高溫調(diào)節(jié)劑、活性劑等混合配制而成。冷涂熔覆由于方法簡單,發(fā)展前景好。2.2感應熔覆影響涂層的臨床應然因素感應熔覆電參數(shù)的選擇直接決定熔覆層質(zhì)量。由感應集膚效應理論公式:Ix=I0·e-x/δ可知,在集膚深度內(nèi),感應電流在試樣中的分布從外到內(nèi)按指數(shù)函數(shù)方式衰減,表面最強。由電流產(chǎn)生的熱量Q∝I2可知,電流的大小與金屬加熱熔化的效率有關。而感應電流的大小由感應設備輸出功率決定(電壓一定時由設備輸出電流決定,輸出功率一般為振蕩功率的60%左右)。由此可知,設備輸出功率決定工件的加熱速度和加工效率,輸出功率越大,加熱的速度就越快,加熱時間越短,直接加熱層的熱量來不及向內(nèi)部傳導,加熱深度就越淺。輸出功率不能太大,否則會使溫度上升過快,涂層很快流淌,與基體不能形成良好的冶金結合;同樣,功率太小熱量積累較慢,涂層熔化不充分,且氧化嚴重。此外,加熱的效率不僅與輸出功率有關,還與感應線圈工作速度和感應間隙有關,感應熔覆時必須根據(jù)材料的物理參數(shù)、工件大小使設備輸出功率和線圈工作速度、感應間隙相配匹。感應電流(事實是功率)影響材料的熔化時間,影響涂層與基體結合層厚度,而對熔覆層和過渡層的組織狀態(tài)影響極小;隨著電流增加,結合層厚度減小,證明加熱速率增大,熱擴散時間較短,涂層稀釋率較小。但沒有研究對結合層和涂層組織均勻化的影響以及加熱速率對消除涂層中間夾生層的效果。感應集膚效應理論式中另一個關鍵參數(shù)是δ,對圓柱體試樣而言,是渦流密度降為表面電流密度l/e(即36.8%)處的深度,在電流透入深度δ以內(nèi),吸收的功率為金屬圓柱吸收總功率的86.5%。電流在材料中冷態(tài)透入深度可表示為:δ=12πρμf???√(1)δ=12πρμf(1)式中ρ——材料電阻率μ——μrμ0μr——相對磁導率μ0——真空磁導率f——頻率材料失去磁性后的熱態(tài)透入深度δ=500f√δ=500f,即無論材料處在熱態(tài)還是冷態(tài),電流透入深度δ與感應電流頻率f成反比關系,隨著f的增大,集膚深度減小。由此可知,感應頻率f是影響涂覆效果的一個重要參數(shù)。可通過f的大小來控制加熱層厚度,實現(xiàn)結合層一定范圍的稀釋率以及所需厚度的表層硬化層。選擇f的重要依據(jù)是加熱效率和溫度分布。在設備輸出功率和材料物理參數(shù)、試樣直徑確定后,能量輸入速度越高,意味著加熱效率越高,但實際工程中過高的功率會引起加熱件的溫差過大,反而使加熱時間過長,甚至使表面材料過熱流淌,同時隨著頻率的增加,設備成本隨之增大。因此,選擇頻率時,應考慮到熔覆層厚度較小的特點,根據(jù)具體情況選擇中頻(1~10kHz)、超音頻(20~75kHz)、高頻(100kHz以上)感應加熱,不能無限制地提高f以減小δ來提高效率。對用中頻感應和高頻感應熔覆Ni60涂層的組織而言,高頻感應熔涂層形成貧鉻區(qū)的傾向小,組織均勻細致,而中頻感應熔涂層形成貧鉻區(qū)的傾向大且涂層組織基本上均為針狀組織。這說明高頻熔覆較中頻熔覆具有更好的快速加熱、快速冷卻性。因此,在電參數(shù)選擇中,感應輸出功率和感應頻率是2個關鍵參數(shù),要根據(jù)材料的物理參數(shù)具體確定。2.3高熔點涂層和地層走速對熔覆質(zhì)量的影響在感應熔覆時,感應器的內(nèi)徑與工件外徑間應留有一定的間隙,即感應間隙。不同的間隙對熱量的分布有很大影響,間隙太大,漏磁嚴重,加熱緩慢,涂層易氧化;間隙太小,工件表面升溫快,在很短時間內(nèi),涂層會熔化流淌,如果工件表面粗糙或厚度不均勻,甚至會發(fā)生感應器和工件接觸,造成短路,擊穿感應器或燒損工件。一般以1.5~5.0mm為宜,當涂層為易熔合金時,選擇大間隙,高熔點合金選擇小間隙。線圈行走速度同樣是影響熔覆質(zhì)量的一個重要因素。在其他工藝參數(shù)確定之后,過慢的走速使合金吸收過多的能量,會導致合金過熔流淌,過快的走速可能使合金熔化不足、熔化不均勻等現(xiàn)象發(fā)生,甚至快熱快冷作用明顯,會使涂層中間層出現(xiàn)夾生現(xiàn)象。在選擇線圈走速時,一般厚的涂層,高熔點合金涂層要求慢的走速。3感應熔覆技術感應熔覆涂層組織特征與工藝參數(shù)有很大關系,尤其頻率參數(shù)非常關鍵。由于感應熔覆的渦流集膚效應,在工件表面和界面2個高溫區(qū),如果溫度分布不均勻,就直接影響涂層組織結構和性能。2個高溫區(qū)合金最先熔化,最先形核長大,依靠熱量的傳導作用,使涂層中間部分熔化結晶。因此,感應熔覆涂層組織呈現(xiàn)出3個不同組織區(qū)?？拷w的區(qū)域呈現(xiàn)為一條白亮帶,這是涂層與基體元素互擴散實現(xiàn)冶金結合而形成的,是在熔覆涂層與基體間的過渡帶。其原因是涂層與界面處由于渦流突變,界面產(chǎn)生很大渦流,此處溫度很高,成為第一高溫區(qū);由于能量集中,基體材料優(yōu)先熔化,高溫下涂層中的元素向基體擴散,快速冷卻時,涂層元素停留在基體中形成白亮帶,當界面溫度剛達到涂層熔點的瞬間,涂層表層尚未熔化,會形成一封閉的液體熔池,此時熔池內(nèi)的液體金屬膨脹將受阻,熔化的涂層材料會與基體在結合點處產(chǎn)生更為緊密的接觸,增加了潤濕性,使液體涂層與基體之間發(fā)生更充分的元素擴散,實現(xiàn)類似釬焊的連接,從而使涂層與基體結合良好。由于集膚加熱和快熱快冷的特點,只要工藝參數(shù)合理,基體和涂層材料的稀釋率不會太高,不會發(fā)生像釬焊一樣的界面滲透。加上電磁力的攪拌作用,使液態(tài)材料在有限的稀釋范圍內(nèi)對流擴散更加充分,因而該結合層組織更加致密均勻。對Cu合金的研究發(fā)現(xiàn),這種結合層由垂直于界面的柱狀晶組成,結晶是從界面開始形核長大,具有一維散熱快速凝固的特點。另外,該區(qū)域具有類似釬焊特征,冷凝速度快,組織呈針狀,具有樹枝狀特征,而且細小致密,對涂層起到耐磨骨架作用。由于結合面處的這種組織特點,使涂層結合面更加牢固。感應熔覆涂層最表層是第二加熱高溫區(qū),能量也相對集中,該處合金熔化較充分,但表層與外部環(huán)境接觸,散熱快,冷速快,因而形成了細小、均勻、致密的等軸晶組織,其表層硬度最高,耐磨性能也很好。由于感應熔覆技術形成2個高溫區(qū),使涂層的中間部分靠熱傳導熔化,如果熱量傳導不充分,則在涂層中間部分出現(xiàn)熔化不足,結晶后出現(xiàn)中間“夾生”現(xiàn)象,這對涂層性能不利,應設法消除。采用激光感應熔覆技術制備表面涂層,可以充分發(fā)揮激光能量聚焦和感應大面積加熱的優(yōu)點。通過合理調(diào)配激光和感應2種能量,可控制復合熔覆冶金反應的程度,能限制成分擴散和材料互混,獲得不同的界面相組成,從而獲得優(yōu)良的、適合要求的熔覆層。涂層的腐蝕性能也是一個重要的性能參數(shù),感應涂覆工藝對腐蝕性能影響的研究報道不多。測試高頻感應發(fā)現(xiàn),采用高頻感應較氧-乙炔噴焊方法獲得的涂層具有較好的耐腐蝕性能,但對機理的研究還需進一步深入。4工藝參數(shù)對涂層應力及熱特性的影響(1)最突出的問題是在涂層中間出現(xiàn)“夾生”現(xiàn)象,原因是熱量傳導不充分,未能使中間層完全熔化,在一定程度上影響了涂層性能。要解決這一問題,首先要從涂層制備工藝參數(shù)入手,關鍵是降低涂層的溫度梯度:按照感應加熱理論,調(diào)整頻率參數(shù)是首選方案,適當降低頻率,能增加渦流透入深度,使涂層直接加熱層厚度增大,有效減小或克服“夾生”現(xiàn)象的產(chǎn)生,但頻率不能降低太多,否則放熱速度減慢,會影響涂層組織的形成,進而影響到涂層的使用性能;其次,感應間隙的調(diào)整也是一個可選參數(shù),因為磁場的分布與距離感應線圈的遠近有關,靠近感應線圈磁力線最密集,適當加大感應間隙,使通過基體的磁力線適當降低,分配到涂層的磁力線相應增加,能降低涂層的溫度梯度,增加涂層直接加熱溶化的幾率,這樣也會降低涂層的加熱效率;為了保證加熱效率和界面的冶金結合,還需要同時調(diào)整加熱功率,以保證有充足的熱量輸入,所以選擇參數(shù)時要慎重考慮,如果選擇不當,可能首先會影響界面的結合;從電磁能的分布角度來看,設法減小涂層的電阻率,可減小基體中電流的分布,使更多的電磁能集中在涂層材料,有利于涂層頂部和底部溫度的均衡,讓頂部和底部材料同時熔化,能有效增大涂層中間層熔化的效率。在熔覆前對試樣進行預熱,可有效降低涂層電阻率,而且還能防止加熱過程中涂層“起泡”。但預熱溫度不能太高,要根據(jù)基體材料和涂層材料綜合考慮,否則會使材料嚴重氧化;涂層粉末粒度的大小會對涂層電阻率產(chǎn)生很大影響,因為不同粒度粉末接觸面面積不同,粒度減小,顆粒接觸面相應增加,電阻率大為下降,尤其在涂層加熱失去磁性后,電阻率對涂層渦流加熱的影響非常顯著。這方面還未見研究報道,應該引起重視。(2)感應熔覆熱量集中在涂層與基體表層,對基體的熱影響較小,又由于快熱快冷的特點,可能產(chǎn)生局部應力集中。涂層冷凝時,收縮應力應盡可能釋放,以減小局部應力集中,選擇工藝參數(shù)時要加以考慮。否則,要采取后續(xù)措施去除應力。(3)熔化從界面開始,逐步向表層推進,熔覆層從界面處開始存在溫度梯度,這種結晶模式有利于合金層的除渣排氣,如果工藝參數(shù)控制不當,會使涂層表面層凝固后,雜質(zhì)和氣體未完全排除,就會在涂層內(nèi)產(chǎn)生雜質(zhì)缺陷和氣孔,影響涂層使用性能,所以要控制合適的工藝參數(shù),尤其要采用變功率加熱的方式,先大功率快速熔化,再小功率慢速加熱,盡量使后階段溫度分布均勻。這不僅有利于除渣排氣,還有利于中間層的熔化,更能減小應力集中。(4)加熱涂層時溫度的精確控制也是一個需要解決的問題,由于熱電偶的測量元件和傳輸部分都是金屬元件,在電磁場下也受到感應加熱,產(chǎn)生附加電流,從而影響正常信號的傳輸,加上對熱電偶和測試件良好接觸并能隨時跟蹤加熱點的要求,所以要精確測量、控制加熱涂層的溫度還要探索新的方法。如對測試元件采用外包絕緣或采用紅外熱感應的方法進行測試,還需