专利名称：层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法
技术领域：
本发明属于材料表面处理(又称改性)工艺，涉及层流电弧等离子体射流的材料表层处理工艺，包括相变或熔凝强化，表面熔敷异质材料涂层和梯度表面涂层。
背景技术：
构件材料的表面性能经常是决定其使用性能和寿命的重要因素。在形式多样的提高金属表面耐磨损、抗疲劳、隔热以及其它特种性能的处理改性方法中，大气压直流电弧等离子体射流可获得的能流密度范围为-105W/cm2，在对材料局域表面进行急冷急热处理时加热和冷却的速度可达104K/s，影响区域为φ2-φ10mm，可实现表面强化处理。同时，与激光、电子束、离子注入等材料表面改性方法相比，大气压直流电弧等离子体金属表面改性具有设备造价和运行费用低、能量有效利用率高、工艺过程简单、气体组分可调范围大等优点。
目前，用于金属材料表面处理改性的大气压直流电弧等离子体一般为转移式，即以被处理的导电金属件作为阳极。这就决定了在工作过程中等离子体状态将随被处理工件的物理性质、与阴极间的距离波动和相对移动速度等因素的变化而变化。尤其是弧根在工件表面不是连续匀速移动，而是随机跳动，以至加热效果的均匀稳定性难以控制。其原因是电弧在作为阳极的工件表面上有一弧根点，在工件移动的一段时间内将保持不动。而当弧电压达到一定幅值时，该弧根点会跳到使弧电压降至最低的另一新弧根点。这样，特别是在工件移动速度较高的情况下，经常会在工件表面形成间断的不规则溶痕。
现有非转移式直流电弧等离子体射流一般是湍流流动状态，由于气流脉动性较强，引起高温高速气流与周围冷气体的强烈掺混，加快了射流能量的耗散，形成较大的射流轴向温度变化梯度，这些因素对于材料表面改性工艺的稳定性将产生严重影响。如果发生器出口与工件表面发生1mm距离的波动，就可能造成对工件表面温度的数百度的改变。同时，高速气流的作用在被处理件表面产生的高附加压强会吹散熔体，使其无法适合于金属表面的熔敷和熔凝改性等处理工艺条件。
申请者先期提出专利申请的大气压长弧等离子体射流产生技术(专利号99121825.6)，能产生出非转移式层流电弧等离子体射流，具有气流流动稳定、流场分布可调控范围宽、轴向温度梯度小、杂质卷吸少、作用于材料表面的附加压强小等优越特性，将其用于材料表面改性，有利于提高工艺稳定性和改善材料表面改性处理的效果。据查目前掌握层流电弧等离子体射流的产生和控制技术的单位还很少，现有文献报道只有前苏联O.P.Solonenko、日本K.Osaki和本申请者不多几家。因此，这种材料表面处理技术还基本处于空白。
发明内容
本发明的目的是提出层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法。它以气流脉动性小、流动稳定性好、轴向温度变化梯度小的直流非转移式层流电弧等离子体射流为热源，在金属表面进行相变、熔凝、熔覆多种强化和改性处理。并获得高硬度的、材料性能波动小的表面强化/改性层。下文中，层流电弧等离子体射流有时简称为层流等离子体射流。
本发明层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法，采用直流非转移式层流电弧等离子体射流发生器为热源，发生器与工件间无电的联接，工作时电弧不转移，发生器与工件完全独立，改变层流电弧等离子体射流的能量、发生器出口与工件间的距离，相对空间夹角和相对移动速度，对各种导电或非导电材料的工件表面进行急热急冷的相变、熔凝、熔覆强化或改性处理。
本发明材料表面处理方法常用的工艺参数是；发生器的输入功率为1.5-15kW，射流束斑直径为2-12mm，射流的平均能量密度为103-105W/cm2，发生器出口与工件表面间距离为3-30mm，工件与发生器间的相对移动速度为0.01-1m/min。发生器的轴线与工件表面法线间的立体角在0-45°范围变化。工件与发生器间的相对移动速度根据工件尺寸的大小、要求强化层的厚度、材料的相变点或熔点、热导率等条件选择。对薄壁低熔点或只需薄硬化层的工件，选择较高的相对移动速度，根据工件材质和使用要求，调节处理工艺条件，可以获得影响层厚度为0.1-5mm范围的表面硬化层。对不同壁厚的复杂形状工件，以及边缘和中间部位要求同一处理效果的工件，可通过连续调整喷口与工件表面间的距离和移动速度等条件来确保处理效果的均一。
对随温度变化有相组织变化的合金系，调整等离子体射流的功率、发生器与工件间的距离和相对移动速度，可将工件表面一定厚度的区域快速加热至材料的相变点以上熔点以下，并随着射流束斑的移开使之快速冷却，进行相变强化处理；或将材料加热至其熔点并随之快冷进行熔凝强化处理。
对于不锈钢等随温度的变化不产生相变的合金，由于不能通过相变或熔凝处理来改变材料表面的性质，为了提高这类材料表面耐磨损或隔热等性能的，可采用熔敷处理工艺。即用层流等离子体射流将工件表面局域加热至微熔状态，同时向熔池中注入陶瓷或复合相的粉体，进行材料表面熔敷处理。用这种方法可在工件表面形成异质材料涂层，如注入硬质陶瓷颗粒，形成陶瓷颗粒与工件基材的混合相表面强化层，或形成基材成分与注入材料成不同比例分布的梯度表面涂层。
如果用等离子体射流对材料表面进行加热之前，先在工件表面预置一定厚度的粉体涂层，然后用层流等离子体射流加热工件表面以至基材表面形成微小熔池，则实现工件表面的各种异质材料的熔敷强化层。
用层流等离子体射流对铸铁材料表面进行相变处理，可细化表层显微组织，形成强化相的梯度分布。对有析出石墨相的铸铁表面，可对石墨组织形成的表面空孔进行封闭，从而提高铸铁的抗疲劳强度。
应用层流电弧等离子体射流的材料表层相变、熔凝和熔敷等工艺，可以满足各种金属工件的抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀、隔热或抗剥落等不同的需求，在不改变工件原有整体性能的同时，对工件表面进行强硬化处理。还可以根据需要，选择等离子体射流的束斑直径、功率、发生器与工件间的相对距离和移动速度以及射流在工件表面的移动方式和作用区域，对工件表面进行指定区域、点、线的局部表面强化处理。
应用层流电弧等离子体射流进行材料表面处理时，实际操作环境可以是通常的热处理车间或实验室。首先把工件和层流等离子体发生器分别安装在各自可以平移或旋转的速度可调节的工作台上。其次调整好发生器喷口与工件表面的距离并产生层流等离子体射流(这时工件不在发生器喷口前方)。最后通过控制机构将工件以设定的速度从发生器喷口前方扫过，实现工件表面的改性处理。
本发明层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法，其主要特点和效果是①其轴向温度分布梯度约比湍流射流的轴向温度分布梯度低一个数量级。直流非转移电弧等离子体射流在发生器出口中心处的最高温度一般为约1万度，在约10kW输入功率的情况下，湍流射流的长度不超过50cm，轴向温度分布梯度在102K/mm量级；而层流射流的长度在相同的输入功率条件下可超过500cm，因此，轴向温度分布梯度可降低到101K/mm量级；②由于轴向温度分布梯度小，则在应用层流射流的轴线垂直于工件表面进行加热时，发生器与工件表面间微小的距离变化(如1mm左右)不至于像湍流射流那样会引起对材料表面加热效果的大幅度波动；③湍流射流的气流脉动性远强于层流射流，其能量输出随时间变化的波动幅度可超过射流能量的50％；而层流等离子体射流的相应波动幅度低于10％。因而，层流等离子体射流材料表面处理工艺可确保处理层厚度均匀。例如对于平均厚度为1mm的处理层，其最大处理层厚度变化小于0.05-0.1mm。说明本发明工艺具有较好的稳定性和可重复性；④与湍流状态的等离子体射流相比，层流射流与周围冷气体的过度层明显减薄，径向能量分布集中，有利于射流加热区域内加热和冷却速率的提高和控制，也有利于改善急冷或急热的处理效果以及材料强化区域与相邻材料组织间的应力分布；⑤工作过程中层流电弧等离子体射流产生的噪音低于电源和辅助设备产生的噪音，不需要使用噪音防护设施。⑥与转移弧形式的射流不同，非转移弧形式的射流因为其电极都在发生器一侧，与被加热工件无关，因此，对被加热工件的导电性没有特别的要求；⑦在被处理工件为圆筒、圆柱等形状，处理时需要转动工件时，转移弧处理方法的工件与阳极导线的连接也需要特殊的技术，而本发明非转移弧层流等离子体射流工件表面处理工艺就不存在这类问题。
图1是层流电弧等离子体射流对工件表面进行相变或熔凝强化处理的示意图。
图2是层流电弧等离子体射流对工件表面进行粉体注入熔敷强化处理的示意图。
图3是层流电弧等离子体射流对工件表面进行粉体预置熔敷强化处理的示意图。
图4是等离子体射流冲击平板表面时的附加驻止压强随气体流量的变化关系图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明方法便于实现程序化控制的连续生产并有利于提高成品率。本发明方法常用工艺参数的范围是层流电弧等离子体射流发生器的输入功率为1.5-15kW，层流等离子体射流的有效高温区温度为4000-8000K，有效高温区直径为2-12mm，发生器工作气体总流量为1-60升/分，发生器与工件间相对移动速度为0.01-1m/min。
表一列出了材料表面相变、熔凝和熔敷三种表面强化处理的主要工艺参数。
表一材料表面相变、熔凝和熔敷三种处理工艺参数
以下结合附图和表一所示实施例详细说明。
首先请参见图1。本发明进行相变或熔凝强化处理时，使用的非转移式层流等离子体材料表面改性装置包括层流等离子体射流发生器10、直流电源13、水冷系统14和气控系统15，发生器产生的层流等离子体射流16。发生器10与工件20间完全相互独立，即工件20与发生器的电极无电的连接。处理过程中工件20可任意旋转和移动，如图中箭头28和27所示。以工件表面的法线29为中心，发生器轴线与法线29间的立体角25在0-45°范围内变化，以适应特定或特殊处理区域和效果的要求。
由图1可见，工件20与发生器的距离21在3-30mm范围内变化，工件20垂直于层流等离子体射流的轴线并以0.01-1m/min的移动速度运动，工件20的表面将产生对应于射流束斑高温区的熔池区域22。射流束斑高温区范围是4-12mm。熔池区域22面内尺寸范围是射流束斑高温区径向尺寸的1-1.5倍。其余主要工艺参数见表一。实施例的工件基体材料是Mo-W-Cu铸铁。根据射流气体温度、工件离开发生器出口距离、移动速度、工件尺寸和导热系数的不同，熔池区深度范围为1-4mm。工件体积大、要求表面强化厚度大时，可选择高射流功率和低相对移动速度。随着工件移动和熔池区域离开等离子体射流，工件导热使熔池区域快速冷却，并得到快速激冷的初生渗碳体和莱氏体组成的过共晶相组织结构，形成材料表面强化层24。本发明处理方法对被处理工件的形状和尺寸等特征没有特别要求。
图2是本发明处理方法对工件表面进行粉体注入熔敷强化改性的示意图。整个装置包括层流等离子体射流发生器30、供粉系统33、粉末携带气体34、层流等离子体射流36。在以层流等离子体射流将工件40表面局域加热形成微小熔池状态的同时，向熔池中注入Al2O3，ZrO2或其它陶瓷粉体以及这些陶瓷与工件材料复合相的粉体，例如40％ZrO2-60％Ni的镍包氧化锆，进行注粉熔敷。本实施例的主要工艺参数如表一所列。用这种方法可在工件表面熔敷异质材料涂层。如注入硬质Al2O3等陶瓷颗粒，在铸铁或其它金属工件表面形成陶瓷熔敷层44。为了改善陶瓷熔敷层较厚时容易产生裂纹和剥落的现象，可以采用熔敷金属与硬质陶瓷的混合或复合相粉体，形成陶瓷颗粒与金属及工件基材的混合相表面强化层。
熔敷强化方法适合于普通钢、不锈钢、铸铁、铜和铝等大多数常用金属材料表面的强化处理。既适合于需要在熔凝的基础上进一步提高表层硬度的工件，也适合于随温度变化不产生相变的不锈钢等合金材料提高表面硬度。因此，熔敷方法是进一步提高材料表面耐磨损或隔热等性能的有效处理方法之一。
如图3所示，本发明处理方法对工件表面进行预置粉体熔敷强化处理时，用层流等离子体射流发生器50产生层流等离子体射流56。用层流等离子体射流56对工件60表面加热之前，先在工件60表面预置0.01-0.2mm厚度的陶瓷或特种性能的粉体涂层63，例如，Al2O3、ZrO2或其它材料粉体。其预置法可为粉体浆料涂刷或喷涂。然后用层流等离子体射流加热工件表面以至基材表面形成微小熔池，使预置涂层与工件表面间形成冶金接合的熔敷层64。同样，预置粉体熔敷方法可以对普通钢、不锈钢、铸铁、铜和铝等大多数常用金属材料工件表面实现多种异质材料的强化处理。
本发明处理方法常用的层流等离子体射流，其高温气体的最大流速低于300m/s，约为湍流射流的三分之一。用于加热工件表面时，作用于物体表面的附加压强与气流速度平方成正比。对离开发生器一定距离且垂直于射流轴线的平板物体，射流在其表面产生的附加压强是以射流轴线为最大值的轴对称高斯分布。如果采用阳极口径为4mm的层流等离子体发生器(其它相关参数见表一)，随着离发生器出口的距离增加，射流气流速度减低，附加压强也随之减低。图4是工作气体流量分别为5、9、14升/分时射流中心作用于物体表面的压强随离发生器出口距离的变化关系。其中曲线3气流量最大的14升/分条件下等离子体射流为湍流流动情形。其有效高温区在轴线方向一般不超过20mm，且在此高温区内射流作用于工件表面的压强高，轴向温度变化梯度大，用于材料表面熔凝或熔敷处理时，当工件表面出现液相熔池时往往被射流作用形成的高压强而吹散，由此可见，湍流等离子体射流不适用于材料表面的熔凝或熔敷处理。
图4中的曲线1和2分别是气体流量为5升/分和9升/分的层流电弧等离子体射流作用于物体表面时，其射流中心的压强随离开发生器出口距离的变化规律。特别是气流量为5升/分情况下，射流对工件表面的冲击压强较小，沿射流轴线方向冲击压强变化梯度也很小，有很好的稳定性。证明层流等离子体射流适用于材料表面熔凝和熔敷等强化处理。
以下再详细说明本发明方法的几个实施例及其效果。
实施例1熔凝表面强化处理用本发明处理方法对用于大功率柴油机缸套的Mo-W-Cu铸铁进行了单次扫描熔凝表面强化处理，相关工艺参数为层流等离子体射流的气流量为5升/分、输入功率为8kW，工件与发生器出口距离为20mm，工件平移速度为0.05m/min。
结果表明层流等离子体射流对铸铁表层加热状态均匀，并便于操作控制，即使是工件表面与发生器之间的距离有4mm变化，仍可保持铸铁表面熔痕基本均匀，熔池中的液体没有被射流吹离熔池的迹象，熔凝处理后工件表面熔化层内石墨片被碎化，形成由初生渗碳体和莱氏体组成的过共晶组织，表面硬化层厚度约为1mm，最高硬度超过Hv900，达到原基底硬度的3倍。
实施例2粉体注入式熔敷表面处理本实施例是对1Cr18Ni19Ti不锈钢表面进行粒度为40-100μm的ZrO2氧化锆粉末和40％ZrO2-60％Ni镍包氧化锆粉末的粉体注入式熔敷表面处理。相关工艺参数为层流等离子体射流工作气体流量为6升/分，输入功率为9kW，工件离开发生器出口的距离为15mm，工件移动速度为0.1m/mim，供粉气体流量为0.3升/分。
结果表明单次处理可在不锈钢表面形成厚度约为1mm、宽度约为4mm的熔敷带。显微观察表明熔敷层与工件基材间有很好的冶金接合界面，无微裂纹和微孔洞等微缺陷生成。处理后不锈钢表面熔化层的显微硬度与原有基材硬度相当，约为Hv200，熔敷层中陶瓷硬质点显微硬度约为Hv1200，并且在1mm表面处理层中可以形成由材料内部向材料表面粉体材料成分逐渐增加的梯度层。
实施例3预置粉体式熔敷表面处理采用本发明预置粉体式熔敷表面处理方法。所选用的基材、粉体材料以及工艺参数完全与实施例2相同，预置粉体厚度为0.1mm，预置方法是粉体浆料涂刷。
结果表明预置熔敷方法同样可在不锈钢表面形成厚度约为1mm、宽度约为4mm的熔敷带，并得到与注入粉体熔敷处理相同的效果。所不同的是该方法不涉及粉末的供给工艺。这样，对于一些流动性较差的细粉，如颗粒粒度小于20μm的ZrO2氧化锆粉末和40％ZrO2-60％Ni镍包氧化锆粉末，同样可以应用该工艺进行材料表面强化处理。
权利要求
1.一种层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法，其特征在于采用直流非转移式层流电弧等离子体发生器为热源，发生器与工件间无电联接，各自完全独立，改变层流等离子体射流的能量、发生器出口与工件间的距离，发生器与工件间的空间夹角和相对移动速度，对各种导电材料的工件表面进行急冷急热的相变、熔敷、熔凝强化或改性处理。
2.根据权利要求1所述的层流等离子体材料表面处理方法，其特征是发生器的输入功率为1.5-15kW，射流束斑直径为2-12mm，射流的平均能量密度为103-105W/cm2，发生器出口与工件表面间的距离为3-30mm，工件与发生器间的相对移动速度为0.01-1m/min，发生器的轴线与工件表面法线间的立体角在0-45°范围变化。
3.根据权利要求1所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征是对随温度变化有相组织变化的合金材料，将工件表面快速加热至材料的相变点以上熔点以下，然后自工件表面移开射流束斑使其快速冷却，进行相变强化处理；或将工件表面加热至其熔点，然后自工件表面移开射流束斑使工件快速冷却，进行熔凝强化处理。
4.根据权利要求2所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征在于加热工件表面至其形成微小熔池时，向熔池中注入陶瓷或复合相的粉体，进行粉体注入熔敷强化处理。
5.根据权利要求2所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征在于发生器加热工件表面之前，先在工件表面预置粉体涂层，然后以层流等离子体射流加热工件表面至其达到微熔为止，在工件表面形成预置异质材料涂层或梯度表面涂层。
6.根据权利要求1或3所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征在于对基体材料为Mo-W-Cu铸铁进行相变强化处理，采用下列工艺参数发生器弧电流100-200A、弧电压40-50V、工作气体Ar、工作气体流量4.5-7.5l/min；工件相对于发生器的移动速度＜0.4m/min、与发生器出口间的距离5-25mm、热处理温度800-1200K。
7.根据权利要求1或3所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征是对基体材料为Mo-W-Cu铸铁进行熔凝强化处理，采用下列工艺参数发生器弧电流100-200A、弧电压40-50V、工作气体Ar、工作气体流量4.5-7.5l/min；工件相对于发生器的移动速度＜0.4m/min、与发生器出口间的距离5-25mm、热处理温度1100-1400K。
8.根据权利要求4或5所述的层流等离子体射流的材料表面处理方法，其特征是对基体材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢进行熔敷强化处理，采用下列工艺参数发生器弧电流100-200A、弧电压40-50V、工作气体Ar、工作气体流量4.5-7.5l/min；熔敷粉末材料40％ZrO2-60％Ni、粒度＜25μm、供粉气体流量0.1-0.7l/min工件移动速度＜0.4m/min、与发生器出口间的距离10-25mm、热处理或加热温度1100-1400K。
全文摘要
本发明属于材料表面处理工艺，涉及层流电弧等离子体射流的材料表面处理方法。本发明方法以直流非转移式层流等离子体射流发生器为热源，发生器与工件间无电的联接，各自完全独立，改变层流等离子体射流的能量、发生器出口与工件间的距离，发生器与工件间的空间夹角和相对移动速度，对各种导电材料的工件表面进行急冷急热的相变、熔敷、熔凝强化或改性处理。本发明方法具有较好的稳定性和可重复性，获得材料性能波动小、高硬度的表面强化层。
文档编号C23C4/00GK1501761SQ0215052
公开日2004年6月2日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者吴承康, 潘文霞, 马维 申请人:中国科学院力学研究所