等离子弧复合熔覆层成分与性能研究(2)
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1 绪论
1.1 课题的提出
近年来，随着科学的进步，材料科学技术发展很快。世界工业发达国家已经由钢铁为主的金属材料逐步发展为金属与非金属材料并驾齐驱的新局面。目前我国虽然积极研究非金属材料，但在机械工业领域仍旧以钢铁等金属材料为主。机械零部件的许多重要表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性等，都取决于金属材料的表面物理和化学性质[1]。机械零件和工具模具的主要失效形式有塑性变形、断裂、磨损和腐蚀等，而以疲劳、磨损和腐蚀为主（>80%），其主要原因是材料的表面性能不高。
工程材料的磨损和腐蚀等现象大多从表面开始，因此材料表面保护具有重要的工程应用价值。耐磨材料的研究在向提高材料整体耐磨性方向发展的同时，各种表面改性技术及工艺在耐磨材料中的应用也日益受到重视[2]。表面熔覆作为一种新型表面改性技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，可以根据零部件的不同需求以较低的成本在材料表层制备出满足高耐磨性要求的以陶瓷颗粒为增强相的复合材料。既能充分发挥基体材料的强韧性优势，又能在表面获得极高的耐磨性并且耐磨层和基体为冶金结合，从而使整体性能获得大幅度提升。在矿山开采、重型冶金、油气钻探等重工业领域表面熔覆技术成为修复部件、提高零件使用寿命的重要途径[3]。
1.2 表面熔覆技术简介
1.2.1 堆焊
堆焊技术在国内起源于20世纪 50年代末，就是采用焊接方法如手工电弧焊、宽带极堆焊等在金属表面熔覆一层具有特殊性能的堆焊层。其主要强化机理是堆焊层合金化，通过具有特殊组分的焊接材料如焊芯药皮宽带极等在电弧熔化过程中过渡到堆焊熔覆金属中，使堆焊层的性能得到明显改善。堆焊技术的工艺简单，利用普通电弧焊设备适应多现场操作的场合，在零件修复、轧辊焊补、耐磨部件堆焊强化等方面得到广泛应用。
目前国内外关于堆焊技术的研究较多[4]。但由于堆焊技术采用焊接材料过渡合金元素，过渡系数低，熔覆层中的合金元素含量少，不能形成较高分数的增强相，增强效果不突出，使堆焊技术适合在零部件快速修复中使用，而限制了其在制造领域的应用。
1.2.2 钨极氩弧熔覆
氩弧熔覆主要有合金焊丝氩弧直接熔入法、预涂合金粉末氩弧直接熔入法和合金元素间接熔入法三种方法。氩弧熔覆有较多优点，此方法不仅可使表面强化而且能得到较大的熔深。熔覆时电极和电弧区及熔化金属都处于氩气保护中，隔离了空气对熔化金属的有害作用，减少了熔池中合金元素的烧损和氧化损失。同时其设备较为价廉且操作方便，使得氩弧熔覆表面强化技术易于普及[5]。
目前国内关于钨极氩弧熔覆的研究主要是铸铁表面重熔强化和低碳钢表面熔覆自熔性合金粉末。
1.2.3 激光表面熔覆
激光熔覆技术是利用高功率激光，将预置于或同步送到金属部件表面的合金粉末与基体一起快速熔化快速冷却后，得到的与基体呈冶金结合的覆层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。该技术具有快速加热冷凝、热输入量小、热影响区小、覆层稀释率低、覆层厚度可控、覆层与基体呈冶金结合等优点。
激光熔覆技术也有其显著缺点：如设备昂贵、投资较高、熔覆前的准备工作量大、工艺条件复杂、对工件和工艺要求高、成本高、不易在施工现场操作、生产环境要求高等[6]。另外适用于激光熔覆的材料的范围有限，目前大部分是沿用热喷涂材料，不能充分发挥激光处理的特性，激光熔覆一般采用预置粉末法和同步送粉法。同步送粉法具有生产率高、易实现自动化控制、可显著提高金属陶瓷的抗开裂性等特点，成为激光熔覆的发展趋势，但由于受送粉设备的限制国内主要采用预置粉末法。
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