等离子束表面处理技术及应用培训课件

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。
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
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。
熔覆材料： 铁基合金粉末：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：25~65HRC，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。
等离子束表面处理技术简介
断裂
磨损
腐蚀
机械零部件失效
为满足表面耐磨性能和耐腐蚀性能
表面改性处理
等离子束表面处理技术简介
传统表面改性技术
喷涂层 渗层 镀层
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
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。
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
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2～3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
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
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；
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）
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 谢涛） 4) H13钢等离子熔覆Ni基合金＋35%WＣ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
➢ 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-/1/2，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。
பைடு நூலகம்
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。