特種焊考試總結(jié)

1、第一部分：熱噴涂技術(shù)第一部分：熱噴涂技術(shù)概念什么是熱噴涂？概念什么是熱噴涂？ 熱噴涂技術(shù)是指利用某種熱源（如電弧、燃燒火焰、等離子弧等）將噴涂材料（粉末、絲材或棒材）加熱到熔融或者半熔融的狀態(tài)，然后借助高溫、高速焰流動(dòng)力或者外加高速氣流霧化，以一定的速度噴射到預(yù)處理過的基體表面，快速鋪展、冷卻、凝固并與基體黏著、堆垛形成涂層，從而賦予零件表面某些特殊功能的處理方法。（1） 可在不同基材上制備各種涂層；（2） 基材溫度低（30 200），熱影響區(qū)淺，變形小；（3） 涂層厚度范圍寬（0.05 5mm）；（4） 操作靈活，可在不同尺寸和形狀的工件上噴涂；（5） 加熱效率低，噴涂材料利用率低，（6）

2、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低（相對(duì)堆焊）。 熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn) 包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結(jié)合，結(jié)合形式有：（1） 機(jī)械結(jié)合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即拋錨效應(yīng))而結(jié)合在一起。涂層的結(jié)合（2） 物理結(jié)合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達(dá)到晶格常數(shù)范圍時(shí)，產(chǎn)生范德華力，形成物理結(jié)合。（3） 冶金-化學(xué)結(jié)合：熔融粒子撞擊基材表面時(shí)釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生局部擴(kuò)散和焊合，形成冶金結(jié)合。如噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末時(shí)的放熱反應(yīng)。 熱噴涂的涂層與基材的結(jié)合主要以機(jī)械結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度較差(70MPa)。涂層的結(jié)合1 熱噴涂技術(shù)的分類 按熱源分類，各噴涂方法的焰流溫度

3、和粒子速度不同。熱噴涂技術(shù)的分類（1）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解(復(fù)合粉末）。（2） 有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長時(shí)間內(nèi)保持液相。（3）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。（4） 噴涂材料在熔融狀態(tài)下應(yīng)和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。熱噴涂材料的選材要求（1） 要把實(shí)用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合起來考慮，盡量選擇合理的噴涂材料。（2） 對(duì)于重要的部件以獲得最優(yōu)涂層性能為準(zhǔn)則；不十分重要的部件則以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益為準(zhǔn)則。（3） 根據(jù)工件的工作環(huán)境選擇合適的工作涂層。（4） 為滿足噴涂工件的使用要求，可采用復(fù)合涂層和梯度涂層。熱

4、噴涂材料的選材原則熱噴涂材料的選材原則 質(zhì)量控制要素（4M）：設(shè)備（Machine）、材料（Materials）、工藝（Methods）和人員（Man）。 熱噴涂工藝流程包括基材表面預(yù)處理、熱噴涂、后處理和精加工等過程。熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程熱噴涂工藝流程（1） 凈化處理：清除表面污垢。（2） 粗化處理：提高涂層與基體之間的結(jié)合牢度。 粗化處理可提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的理由是：1） 提供表面壓應(yīng)力；2） 提供與涂層顆?；ユi機(jī)會(huì)；3） 增大結(jié)合面積；4） 凈化表面。 基材表面預(yù)處理 封孔處理的目的：（1） 防止或阻止涂層界面處的腐蝕；（2） 在某些機(jī)械部件中防止

5、液體和壓力的密封泄露；（3） 防止污染或研磨碎屑碎片進(jìn)入涂層；（4） 保持陶瓷涂層的絕緣強(qiáng)度。 封孔處理是在噴涂之后、機(jī)加工之前進(jìn)行。涂層的后處理（封孔處理）涂層的后處理（封孔處理）熱噴涂技術(shù)的分類 按熱源分類，各噴涂方法的焰流溫度和粒子速度不同。熱噴涂技術(shù)的分類火焰噴涂技術(shù)電弧噴涂技術(shù)等離子噴涂技術(shù)其他噴涂技術(shù) 利用燃料燃燒作為加熱源，用燃?xì)饣蚨栊詨嚎s氣體霧化并加速噴涂材料，在基材表面沉積形成涂層。第一節(jié) 火焰噴涂 火焰噴涂是歷史上第一個(gè)熱噴涂技術(shù)，20世紀(jì)初瑞士工程師肖普（Schoop , 1912）發(fā)明。 最初只用于低熔點(diǎn)金屬，如錫和鉛。而后逐漸拓展至難熔的金屬甚至于陶瓷材料。 火焰噴涂

6、包括線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。1.1 火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式 工業(yè)燃料分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料3類。 氣體燃料的特點(diǎn)是燃燒迅速，易于控制燃燒狀態(tài)。因此，火焰噴涂通常使用氣體燃料以及部分液體燃料。主要有乙炔、丙烷、丙烯、天然氣、煤油等。 此外，由于乙炔和氧氣的燃燒溫度和火焰速度較高，因此在火焰噴涂中最為常用。 助燃劑（氧氣）的供給量直接影響燃燒狀況。此外，良好的燃燒工況還要三個(gè)基本條件：足夠的溫度；充足的燃燒時(shí)間；燃料與氧氣的充分混合。1.1 火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式 氣體燃料的燃燒分為擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒兩種方式。前者燃燒火焰穩(wěn)定性好，但溫度不

7、高；后者燃燒速度快，能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷燃燒，是火焰熱噴涂常采用的燃燒方式。 預(yù)混燃燒按照燃?xì)馀c助燃?xì)獾幕旌戏绞讲煌?，分為射吸式混合和等壓式混合?射吸式混合是以一定壓力的助燃?xì)鉃閲娚錃怏w，高速噴到射吸管中，使噴嘴周圍形成低壓環(huán)境，將乙炔通過導(dǎo)管吸入射吸管，再經(jīng)混合管混合后，噴出點(diǎn)燃即成火焰。 射吸式中的乙炔是靠氧氣的射吸作用進(jìn)入混合室的，所以不論低壓乙炔還是中壓乙炔噴槍都可以工作，這是射吸式混合的優(yōu)點(diǎn)。 但其缺點(diǎn)是噴涂過程中混合氣體的溫度和壓力升高導(dǎo)致噴嘴周圍真空度降低，乙炔流量減少而使火焰變成氧化焰。1.1 火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式 等壓式混合的工作過程是使氧氣和燃?xì)饩耘R界速

8、度同時(shí)進(jìn)入混合室，經(jīng)混合后由噴嘴噴出，點(diǎn)燃形成火焰。 等壓式混合的優(yōu)點(diǎn)是由于氧氣和燃?xì)鈮毫ο嘟?，故混合均勻而不受溫度變化的影響，火焰穩(wěn)定。而且火焰功率以及調(diào)節(jié)范圍也較大，回火的可能性比射吸式混合小。 但是等壓式混合必須使用中壓或者高壓燃?xì)狻?.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性 火焰是可燃物與助燃物發(fā)生氧化反應(yīng)是釋放出光和熱量的一中現(xiàn)象。 火是物質(zhì)分子分裂后重組到低能態(tài)分子的過程中分離、碰撞、重新結(jié)合時(shí)釋放的能量。因此，火中的粒子是高速運(yùn)動(dòng)的。燃燒的火焰內(nèi)部就是不停被激發(fā)而游動(dòng)的氣態(tài)分子，高溫下可以認(rèn)為是電離的氣體，即等離子氣體。 火焰是能量的梯度場，在形貌上它由內(nèi)向外溫度依次增加的

9、3個(gè)焰區(qū)組成：焰心、內(nèi)焰和外焰。1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性 調(diào)節(jié)混合氣中氧氣和乙炔的不同比例值 222OC HVV可使火焰具有不同的性質(zhì)，據(jù)此又可分為中性焰、碳化焰和氧化焰。1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性11.2產(chǎn)生中性焰時(shí)：1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1,0.85 0.95產(chǎn)生碳化焰時(shí)：1.1 火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構(gòu)成和特性1.1;

10、1.2 1.7產(chǎn)生氧化焰時(shí)：1.1 火焰噴涂原理1.1.3、預(yù)防回火問題 在氧燃?xì)馊紵龝r(shí)，如果混合氣體的噴射速度太小，將會(huì)發(fā)生氣體火焰進(jìn)入噴嘴內(nèi)逆向燃燒的現(xiàn)象，稱為“回火”。 回火會(huì)使逆燃火焰返入燃?xì)猓ㄒ胰玻┰?，引發(fā)爆炸事故，因此必須防止和避免。 回火的發(fā)生與氣體、火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性有關(guān)。在火焰鋒面的法線方向，當(dāng)氣體的運(yùn)動(dòng)速度等于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，火焰是穩(wěn)定的。當(dāng)前者大于后者時(shí)，發(fā)生“脫火”現(xiàn)象；當(dāng)前者小于后者時(shí)，就會(huì)發(fā)生“回火”。1.1 火焰噴涂原理1.1.3、預(yù)防回火問題 在熱噴涂操作中，脫火會(huì)造成作業(yè)中斷，但危害不是很大。需要特別注意的是回火。預(yù)防回火可采取的措施如下：（1）降低火焰速度。在

11、噴嘴設(shè)計(jì)中，盡量選擇小徑多孔和深噴口的噴嘴，以增大噴嘴的冷卻作用。采用火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的燃?xì)?；?duì)噴嘴進(jìn)行冷卻，防止燃?xì)獬跏紲囟壬仙蜏p小火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?）提高燃?xì)鈬姵鏊俣?。適當(dāng)提高噴嘴內(nèi)氣壓。（3）使用回火防止器。1.1 火焰噴涂原理1.1.3、預(yù)防回火問題水封式回火防止器原理1.1 火焰噴涂原理1.1.3、預(yù)防回火問題干式回火防止器原理1.4 超音速火焰噴涂拉瓦爾(Laval)噴嘴菱形沖擊波（馬赫錐）高速粒子撞擊基體、沉積形成涂層1.4.1、基本原理（ High Velocity Oxygen-Fuel (HVOF)、 High Velocity Air-Fuel (HVAF)）1.4 超

12、音速火焰噴涂1.4.1、基本原理其中，其中，S管器截面積，管器截面積，M=V/V聲聲（馬赫數(shù)），（馬赫數(shù)），V流速流速當(dāng)當(dāng)VV聲聲，即，即MV聲聲，即，即M1時(shí)，則時(shí)，則dv與與ds符號(hào)相同，截面增大，流速增大符號(hào)相同，截面增大，流速增大流體在低速時(shí)，經(jīng)過足夠壓縮即可在管器某一截面達(dá)到流體在低速時(shí)，經(jīng)過足夠壓縮即可在管器某一截面達(dá)到聲速，過了這截面將獲得超音速聲速，過了這截面將獲得超音速vdvMsds/) 1(/2噴嘴噴嘴Laval管管的膨脹管的膨脹管 流體力學(xué)原理，對(duì)一維可壓縮流體流體力學(xué)原理，對(duì)一維可壓縮流體1.4 超音速火焰噴涂1.4.1、基本原理亞音速的氣體通過收縮的亞音速的氣體通過收

13、縮的第一段噴口加速到音速，第一段噴口加速到音速，然后通過擴(kuò)張的第二段噴然后通過擴(kuò)張的第二段噴口進(jìn)一步加速到超音速，口進(jìn)一步加速到超音速，最后噴出去。該收縮最后噴出去。該收縮- -擴(kuò)張擴(kuò)張噴口（也叫噴口（也叫 Laval Laval 噴管）噴管）是流體速度通過音速時(shí)的是流體速度通過音速時(shí)的一個(gè)有趣現(xiàn)象。一個(gè)有趣現(xiàn)象。1.4 超音速火焰噴涂超音速火焰噴涂系統(tǒng)是在20世紀(jì)80年代最初由美國James.A.Browning 研制成功，至今主要經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段： 第一代超音速火焰噴涂系統(tǒng)以“JetKote”為代表，粒子速度可達(dá)450m/s。 第二代的HVOF系統(tǒng)以1989年出現(xiàn)的Diamond Jet

14、，TopGun和CDS為代表，性能較一代有所改進(jìn)。 第三代的HVOF設(shè)備以JP-5000噴涂系統(tǒng)為代表。第三代HVOF系統(tǒng)大多都有一個(gè)比較大的燃燒室或者一個(gè)比較長的槍筒，噴涂粒子的速度可以達(dá)到600-650m/s，有的甚至超過1000m/s，因此制備的涂層性能優(yōu)越。1.4.2、發(fā)展歷程1.4 超音速火焰噴涂1.4.3、超音速火焰噴涂的工藝 工藝流程： 工件表面預(yù)處理（噴涂打底層）噴涂工作層后處理。主要工藝參數(shù)： 粉末特性與送粉量 氧氣燃料的流量、壓力和比例 噴涂距離與噴槍移動(dòng)速度 噴嘴（槍管）長度 基體狀態(tài)（溫度、表面粗糙度）1.4 超音速火焰噴涂1.4.4、超音速火焰噴涂的特點(diǎn)1） 焰流速度

15、高但溫度相對(duì)較低，適合噴涂含碳化物材料。2） 涂層致密（99.9），表面粗糙度低。3） 結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高，達(dá)70MPa以上。4） 噴涂效率高，但燃料消耗大，噴涂成本比較高。；5） 噪音大(120dB)，需有隔音和防護(hù)裝置。第二節(jié) 電弧噴涂 電弧噴涂是由肖普（Schoop ）博士1913年提出設(shè)計(jì)，并于1916年研制成功。1924年英國人首次將電弧噴涂用于實(shí)際工程。電弧噴涂的大規(guī)模應(yīng)用是在二戰(zhàn)后由德國和挪威所做的大量工作和研究開始的。 20世紀(jì)50年代，電弧噴涂已經(jīng)傳入中國，當(dāng)時(shí)因涂層質(zhì)量問題被認(rèn)為落后的工藝而未受重視。直到80年代中期，我國的電弧噴涂技術(shù)與設(shè)備的研究開發(fā)才真正開始，至今已有相

16、當(dāng)?shù)囊?guī)模。 第二節(jié) 電弧噴涂 電弧噴涂的特點(diǎn)：熱效率高6070%（火焰只有515%） 生產(chǎn)效率高（3倍于火焰噴涂以上）操作簡單、安全可靠，生產(chǎn)成本低（比火焰約低30%）可制備假合金涂層u結(jié)合強(qiáng)度比較低（20MPa,高于普通火焰，但遠(yuǎn)低于超音速火焰）u孔隙率高第二節(jié) 電弧噴涂 2.1 電弧噴涂原理 2.2 電弧噴涂設(shè)備 2.3 電弧噴涂工藝 2.4 高速電弧噴涂技術(shù)2.1 電弧噴涂的原理 在在兩根金屬絲兩根金屬絲之間產(chǎn)生之間產(chǎn)生電弧電弧，因電弧產(chǎn)生的熱使金屬，因電弧產(chǎn)生的熱使金屬絲逐漸絲逐漸熔化熔化，熔化部分被，熔化部分被壓縮空氣壓縮空氣氣流噴向基體表面而形氣流噴向基體表面而形成涂層。成涂層。2

17、.1.1、金屬電弧噴涂過程2.1 電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程電弧噴涂是一個(gè)不斷重復(fù)進(jìn)行熔化霧化噴電弧噴涂是一個(gè)不斷重復(fù)進(jìn)行熔化霧化噴射沉積的過程。射沉積的過程。 熔化熔化(6000K)熔化熔化熔化噴射噴射(250m/s) 沉積沉積(100m/s) 霧化霧化（0.010.04mm） 2.1 電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程金屬液滴在飛行過程中與周圍的空氣環(huán)境進(jìn)行著金屬液滴在飛行過程中與周圍的空氣環(huán)境進(jìn)行著能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換。同時(shí)，還伴隨著金屬液滴的。同時(shí)，還伴隨著金屬液滴的氧化氧化。由于金。由于金屬顆粒與空氣的接觸狀況不同，在垂直于噴射金屬流屬顆粒與空氣的接觸狀況不同，在

18、垂直于噴射金屬流的方向上，靠近的方向上，靠近外緣的金屬氧化更嚴(yán)重些外緣的金屬氧化更嚴(yán)重些。 動(dòng)能、溫度、化學(xué)成分和氧化程度不同的大量顆動(dòng)能、溫度、化學(xué)成分和氧化程度不同的大量顆粒撞擊到噴涂表面上，相互填塞堆積形成涂層。粒撞擊到噴涂表面上，相互填塞堆積形成涂層。 動(dòng)能越大、溫度越高、氧化越少、顆粒尺寸越均動(dòng)能越大、溫度越高、氧化越少、顆粒尺寸越均勻，得到的涂層質(zhì)量越好。勻，得到的涂層質(zhì)量越好。2.1 電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程 噴涂工作電壓低于噴涂工作電壓低于35伏時(shí)，噴涂電弧過程基本上伏時(shí)，噴涂電弧過程基本上上是上是“短路一電弧一斷路短路一電弧一斷路”過程。過程。 噴涂工作電壓

19、高于噴涂工作電壓高于35伏時(shí)，噴涂電弧過程基本上伏時(shí)，噴涂電弧過程基本上上是上是“電弧一斷路電弧一斷路”過程。過程。 每一個(gè)循環(huán)的周期只有千分之幾秒，電弧過程熔每一個(gè)循環(huán)的周期只有千分之幾秒，電弧過程熔化的金屬溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于短路過程熔化的溫度?；慕饘贉囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于短路過程熔化的溫度。2.1 電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構(gòu) 噴涂層是由不同的金屬顆?；ハ嗵钊逊e成的。噴涂層是由不同的金屬顆?；ハ嗵钊逊e成的。組成涂層的金屬顆粒又被氧化膜隔成非金屬接觸。因組成涂層的金屬顆粒又被氧化膜隔成非金屬接觸。因此，涂層具有某種金相結(jié)構(gòu)的說法是不嚴(yán)格的，此，涂層具有某種金相結(jié)構(gòu)的說法是不嚴(yán)格的，一般一般

20、說的涂層結(jié)構(gòu)都是指金屬顆粒的結(jié)構(gòu)。說的涂層結(jié)構(gòu)都是指金屬顆粒的結(jié)構(gòu)。金屬顆粒在飛行過程中受空氣冷卻，冷卻速率約為金屬顆粒在飛行過程中受空氣冷卻，冷卻速率約為105K/s，撞擊到基體表面時(shí)冷卻速率可達(dá)，撞擊到基體表面時(shí)冷卻速率可達(dá)106K/s 107K/s。基體對(duì)于金屬顆粒相當(dāng)于熱容量無限大的物體。先沉積基體對(duì)于金屬顆粒相當(dāng)于熱容量無限大的物體。先沉積的涂層又收到后面噴涂過程的再次加熱。若冷卻速率很的涂層又收到后面噴涂過程的再次加熱。若冷卻速率很快和熱擴(kuò)散均勻相結(jié)合，就可獲得細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)?？旌蜔釘U(kuò)散均勻相結(jié)合，就可獲得細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。2.1 電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構(gòu)噴涂金屬顆粒的冷卻速

21、度是在奧氏體穩(wěn)定性最低噴涂金屬顆粒的冷卻速度是在奧氏體穩(wěn)定性最低的范圍內(nèi)。的范圍內(nèi)。因此，噴涂鋼涂層的金相結(jié)構(gòu)是由因此，噴涂鋼涂層的金相結(jié)構(gòu)是由奧氏體和殘余奧奧氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的各種產(chǎn)物氏體轉(zhuǎn)變的各種產(chǎn)物混合的混合的(馬氏體、索氏體和鐵素體等馬氏體、索氏體和鐵素體等)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)組成。在噴涂層中哪一種金相結(jié)構(gòu)占優(yōu)勢，組成。在噴涂層中哪一種金相結(jié)構(gòu)占優(yōu)勢，不僅取決于金屬微粒的冷卻條件，還取決于金屬微粒的不僅取決于金屬微粒的冷卻條件，還取決于金屬微粒的化學(xué)成分?；瘜W(xué)成分。 盡可能的降低金屬絲在噴涂過程中的燒損，是提高盡可能的降低金屬絲在噴涂過程中的燒損，是提高涂層物理機(jī)械性能的有效途徑

22、之一。涂層物理機(jī)械性能的有效途徑之一。2.1 電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構(gòu)氧化物和孔隙主要由噴涂工藝決定。氧化物和孔隙主要由噴涂工藝決定。一般的說，普通電弧噴涂的氧化物在一般的說，普通電弧噴涂的氧化物在5%25%，孔，孔隙率在隙率在2%15%范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。2.2 電弧噴涂設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求從減少噴涂金屬氧化的角度出發(fā)，要求熔化金屬從減少噴涂金屬氧化的角度出發(fā)，要求熔化金屬的的溫度愈低愈好溫度愈低愈好，希望，希望短路熔化過程要長、電弧溶化短路熔化過程要長、電弧溶化過程要短過程要短。 直流弧焊機(jī)直流弧焊機(jī)這類陡降特性電源的電弧穩(wěn)定燃燒電這類陡降特性電源的電弧穩(wěn)定

23、燃燒電壓是壓是3540V，在這樣高的電壓下，金屬絲間容易起弧。，在這樣高的電壓下，金屬絲間容易起弧。利用這種電源噴涂時(shí)，噴涂金屬的利用這種電源噴涂時(shí)，噴涂金屬的熔化過程熔化過程主要是電主要是電弧熔化過程，即弧熔化過程，即“電弧一斷路電弧一斷路、“電弧一斷路電弧一斷路”的的循環(huán)過程。循環(huán)過程。熔化金屬的溫度高，噴涂金屬的氧化強(qiáng)烈。熔化金屬的溫度高，噴涂金屬的氧化強(qiáng)烈。2.2 電弧噴涂設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求陡降特性的電源對(duì)送絲速度變化的適應(yīng)能力差。陡降特性的電源對(duì)送絲速度變化的適應(yīng)能力差。在噴涂過程中當(dāng)送絲速度增加時(shí)，工作電流增加，工在噴涂過程中當(dāng)送絲速度增加時(shí)，工作電流增加，工

24、作電壓相應(yīng)降低，當(dāng)降低到某一值后，由于短路電流作電壓相應(yīng)降低，當(dāng)降低到某一值后，由于短路電流增長速度慢，不能使短路的金屬絲熔化而使噴涂過程增長速度慢，不能使短路的金屬絲熔化而使噴涂過程中斷。為保證噴涂過程穩(wěn)定，必須降低送絲速度，維中斷。為保證噴涂過程穩(wěn)定，必須降低送絲速度，維持原來的工作電壓不變。持原來的工作電壓不變。2.2 電弧噴涂設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求 金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要求電源有良好的動(dòng)特性，即一定的短路電流增長速度。求電源有良好的動(dòng)特性，即一定的短路電流增長速度。這種電源可以在較低電壓這種電源可以在較

25、低電壓(2025V)情況下工作。由于情況下工作。由于工作電壓低，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕ぷ麟妷旱?，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)槭嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)椤岸搪范搪冯婋娀』嗦窋嗦贰薄?“短路短路電弧電弧斷路斷路”。熔化溫度顯著熔化溫度顯著降低，氧化程度減弱。降低，氧化程度減弱。 此外，此外，這種電源對(duì)送絲速度有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。這種電源對(duì)送絲速度有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。2.2 電弧噴涂設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求 金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要求電源有良好的動(dòng)特性，即一定的

26、短路電流增長速度。求電源有良好的動(dòng)特性，即一定的短路電流增長速度。這種電源可以在較低電壓這種電源可以在較低電壓(2025V)情況下工作。由于情況下工作。由于工作電壓低，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕ぷ麟妷旱?，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)槭嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)椤岸搪范搪冯婋娀』嗦窋嗦贰薄?“短路短路電弧電弧斷路斷路”。熔化溫度顯著熔化溫度顯著降低，氧化程度減弱。降低，氧化程度減弱。 此外，此外，這種電源對(duì)送絲速度有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。這種電源對(duì)送絲速度有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。2.2 電弧噴涂設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求2.2 電弧噴涂

27、設(shè)備2.2.1、電弧噴涂對(duì)電源特性的要求1為電源外特性為電源外特性2為電弧靜特性為電弧靜特性2.4 高速電弧噴涂技術(shù) 20世紀(jì)90年代，通過采用拉瓦爾噴嘴設(shè)計(jì)提高霧化氣體速度成功研制了超音速電弧噴涂。 霧化效果明顯改善（霧化粒度是AS的1/81/3） 涂層內(nèi)部組織均勻致密（孔隙率13%） 涂層結(jié)合強(qiáng)度高（可達(dá)50MPa） 電弧穩(wěn)定性好，設(shè)備通用性強(qiáng)。第五章第五章 熱噴涂技術(shù)分類熱噴涂技術(shù)分類第三節(jié) 等離子噴涂56熱噴涂技術(shù)一般按熱源分類的。熱噴涂技術(shù)的分類火焰噴涂技術(shù)電弧噴涂技術(shù)等離子噴涂技術(shù)其他噴涂技術(shù)熱噴涂技術(shù)57第三節(jié) 等離子噴涂等離子噴涂技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。 當(dāng)時(shí)，由于現(xiàn)代航空

28、航天和原子能工業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)高熔點(diǎn)、高純度、高強(qiáng)度的涂層提出需求，促使人們對(duì)高熱源、高噴速、改善噴涂氣氛等方面進(jìn)行了研究。在這種背景下，美國Plasma-dyne公司首先研制出了等離子噴涂設(shè)備。 發(fā)展初期（60年代），市場份額只有15%，但是到了80年代就升至55%躍居首位；后來由于其他熱噴涂技術(shù)的發(fā)展而略有下降，但20世紀(jì)末，等離子噴涂仍占據(jù)著48%的最大比例。583.1 等離子噴涂原理3.1.1 等離子態(tài)和等離子體 等離子狀態(tài)是指物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫下脫離原子核的吸引，使物質(zhì)成為正負(fù)帶電粒子的狀態(tài)；由于其獨(dú)特的屬性，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。 等離子體是一種由自由電子、正離子、中性原子

29、和分子組成的電離氣體云。593.1 等離子噴涂原理3.1.2 等離子體的特點(diǎn)與分類導(dǎo)電性導(dǎo)電性由于存在自由電子和帶正、負(fù)電荷的離子，因此由于存在自由電子和帶正、負(fù)電荷的離子，因此等離子體具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。等離子體具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。 電準(zhǔn)中性電準(zhǔn)中性雖然等離子體內(nèi)部具有很多荷電粒子，但在足雖然等離子體內(nèi)部具有很多荷電粒子，但在足夠的空間和時(shí)間尺度上，粒子所帶的正電荷數(shù)總是等于負(fù)電荷夠的空間和時(shí)間尺度上，粒子所帶的正電荷數(shù)總是等于負(fù)電荷數(shù)，所以稱之為電準(zhǔn)中性。因?yàn)槿魏挝⑿〉目臻g電荷密度的存數(shù)，所以稱之為電準(zhǔn)中性。因?yàn)槿魏挝⑿〉目臻g電荷密度的存在，將產(chǎn)生巨大的電場強(qiáng)度使其恢復(fù)原狀而保持電中性，所以在

30、，將產(chǎn)生巨大的電場強(qiáng)度使其恢復(fù)原狀而保持電中性，所以等離子體中電荷分離的空間尺度和時(shí)間尺度是很小的。等離子體中電荷分離的空間尺度和時(shí)間尺度是很小的。與磁場的可作用性與磁場的可作用性由于等離子體是由荷電粒子組成的導(dǎo)由于等離子體是由荷電粒子組成的導(dǎo)電體，因此可用磁場控制它的位置、形狀和運(yùn)動(dòng)，例如電弧的電體，因此可用磁場控制它的位置、形狀和運(yùn)動(dòng)，例如電弧的旋轉(zhuǎn)、電弧的穩(wěn)定以及電弧熄滅等現(xiàn)象。與此同時(shí)，荷電粒子旋轉(zhuǎn)、電弧的穩(wěn)定以及電弧熄滅等現(xiàn)象。與此同時(shí)，荷電粒子集體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果又可以形成電磁場。集體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果又可以形成電磁場。 等離子體的特點(diǎn)：603.1 等離子噴涂原理3.1.2 等離子體的特點(diǎn)與分類

31、高溫等離子體熱等離子體按溫度分為：低溫等離子體冷等離子體10000010000000K300030000K重粒子室溫，電子重粒子室溫，電子上萬度。上萬度。致密（高壓）等離子體按粒子密度分為：稀?。ǖ蛪海┑入x子體N10151018/cm3N99，O20.1，H2O受激吸收受激吸收p實(shí)現(xiàn)受激輻射實(shí)現(xiàn)受激輻射受激吸收的方法：受激吸收的方法：133使處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的多使處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的多粒粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；子數(shù)反轉(zhuǎn)；如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？形成激光的三個(gè)條件 產(chǎn)生激光必要條件產(chǎn)生激光必要條件1. 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) .使原子被激發(fā)

32、使原子被激發(fā) .要實(shí)現(xiàn)光放大要實(shí)現(xiàn)光放大 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激勵(lì)能源激勵(lì)能源 部分反射鏡部分反射鏡 激勵(lì)能源激勵(lì)能源 全反射鏡全反射鏡 激光輸出激光輸出 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔Ll泵浦源：泵浦源：用外界能量來激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒用外界能量來激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、使粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、使粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)態(tài)的裝置態(tài)的裝置l泵浦方式泵浦方式：光激勵(lì)方式，氣體輝光放電或高頻放：光激勵(lì)方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，電方式，直接注入電子方式， 化學(xué)反應(yīng)方式還有化學(xué)反應(yīng)方式還有熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能

33、等方式。熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等方式。136四、激光器的基本結(jié)構(gòu)常用激光器由三部分組成：常用激光器由三部分組成： 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 泵浦源泵浦源 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激光激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)激勵(lì)能源激勵(lì)能源諧振腔諧振腔1M2M激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖138二、激光的特點(diǎn)及應(yīng)用1.方向性好：方向性好：發(fā)散角?。喊l(fā)散角小：激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個(gè)方向射出，光束的發(fā)散角極小，大約為出，光束的發(fā)散角極小，大約為0.001rad，接近平行。，接近平行。1962年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月球的距年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月

34、球的距離大約為離大約為38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里；萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里；139亮度高：亮度高：由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過會(huì)聚，可在焦點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。經(jīng)過會(huì)聚，可在焦點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。 激光能量在時(shí)間和空間上高度集中，能在極激光能量在時(shí)間和空間上高度集

35、中，能在極 小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。了高亮度的特點(diǎn)。激光切割激光切割1402.單色性好：單色性好：單色性好單色性好 ：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個(gè)特性，激光傳遞信息的容量大，實(shí)現(xiàn)光通信。由于這個(gè)特性，激光傳遞信息的容量

36、大，實(shí)現(xiàn)光通信。3.相干性好：相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。光，具有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。相干條件（相干條件（Coherent Condition）：）：振動(dòng)方向相同；振動(dòng)方向相同；振動(dòng)頻率相同；振動(dòng)頻率相同；相位相同或相位差保持恒定相位相同或相位差保持恒定那么在兩束光相遇的區(qū)

37、域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。那么在兩束光相遇的區(qū)域內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。反射激光激光器材料表面吸收電子動(dòng)能熱 能109s（ ，Pd，T，材料 性質(zhì)、表面狀況）激光焊接與熔覆激光焊的熱效應(yīng)取決于焊件吸收光束能量的程度，激光焊的熱效應(yīng)取決于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。常用吸收率來表征。金屬對(duì)激光的吸收率，主要與金屬對(duì)激光的吸收率，主要與激光波長、金屬的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光激光波長、金屬的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關(guān)。功率密度等因素有關(guān)。金屬對(duì)激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨著金屬對(duì)激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨著電阻率的增加而增大。電阻率的增加而增大。 金

38、屬表面越粗糙，對(duì)激光的吸收率越高。金屬表面越粗糙，對(duì)激光的吸收率越高。為增大激為增大激光吸收率，可對(duì)金屬表面進(jìn)行噴砂處理；或應(yīng)用機(jī)光吸收率，可對(duì)金屬表面進(jìn)行噴砂處理；或應(yīng)用機(jī)械或化學(xué)方法對(duì)金屬表面進(jìn)行涂層，都可有效增大械或化學(xué)方法對(duì)金屬表面進(jìn)行涂層，都可有效增大金屬對(duì)激光的吸收率。金屬對(duì)激光的吸收率。傳熱焊傳熱焊 由于激光光斑的功率密度小于由于激光光斑的功率密度小于10106 6 W/cm W/cm2 2，焊接時(shí)，焊接時(shí)，焊件表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，焊件表面將所吸收的激光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎螅浔砻鏈囟绕浔砻鏈囟壬叨刍?，然后通過熱傳導(dǎo)方式把熱能傳向金屬內(nèi)部，升高而熔化，然后通過熱傳導(dǎo)方

39、式把熱能傳向金屬內(nèi)部，使熔化區(qū)迅速擴(kuò)大使熔化區(qū)迅速擴(kuò)大，隨后冷卻凝固形成焊點(diǎn)或焊縫，其，隨后冷卻凝固形成焊點(diǎn)或焊縫，其熔池形狀近似為半球形。熔池形狀近似為半球形。這種焊接機(jī)理稱為傳熱焊，焊這種焊接機(jī)理稱為傳熱焊，焊接過程類似于鎢極氬弧焊。接過程類似于鎢極氬弧焊。 深熔焊深熔焊 激光光斑的功率密度大于激光光斑的功率密度大于10106 6 W/cmW/cm2 2，金屬表面在激光束，金屬表面在激光束的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)（的照射下被迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)（1010-6-61010-8-8s s）升高到沸點(diǎn)，使）升高到沸點(diǎn)，使金屬熔化和汽化金屬熔化和汽化。形成一個(gè)深度

40、穩(wěn)。形成一個(gè)深度穩(wěn)定的孔而實(shí)現(xiàn)焊接，因此稱之為激光深熔焊。定的孔而實(shí)現(xiàn)焊接，因此稱之為激光深熔焊。 二、激光焊的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1 1聚焦后的激光束功率密度可達(dá)聚焦后的激光束功率密度可達(dá)10105 5 10107 7W Wcmcm2 2，甚至，甚至更高，加熱速度快，熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小，更高，加熱速度快，熱影響區(qū)窄，焊接應(yīng)力和變形小，易于實(shí)現(xiàn)深熔焊和高速焊，特別適于精密焊接和微細(xì)易于實(shí)現(xiàn)深熔焊和高速焊，特別適于精密焊接和微細(xì)焊接。焊接。 2 2可獲得深寬比大的焊縫，激光焊的深寬比目前已超可獲得深寬比大的焊縫，激光焊的深寬比目前已超過過12:112:1，焊接厚件時(shí)可不開坡口一次成型。，

41、焊接厚件時(shí)可不開坡口一次成型。3 3適宜于常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬、適宜于常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如難熔金屬、熱敏感性強(qiáng)的材料以及熱物理性能差異懸殊、尺寸熱敏感性強(qiáng)的材料以及熱物理性能差異懸殊、尺寸和體積懸殊的工件間焊接；也可用于非金屬材料的和體積懸殊的工件間焊接；也可用于非金屬材料的焊接，如陶瓷、有機(jī)玻璃等。焊接，如陶瓷、有機(jī)玻璃等。4 4可借助反射鏡使光束達(dá)到一般焊接方法無法施焊的可借助反射鏡使光束達(dá)到一般焊接方法無法施焊的部位；部位；YAGYAG激光和半導(dǎo)體激光可通過光導(dǎo)纖維傳輸，激光和半導(dǎo)體激光可通過光導(dǎo)纖維傳輸，可達(dá)性好，特別適合于微型零件和遠(yuǎn)距離的焊接?？蛇_(dá)性好，

42、特別適合于微型零件和遠(yuǎn)距離的焊接。5 5可穿過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行焊接，如可穿過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行焊接，如可焊接置于玻璃密封容器內(nèi)的鈹合金等劇毒材料?？珊附又糜诓Ａ芊馊萜鲀?nèi)的鈹合金等劇毒材料。6 6激光束不受電磁干擾，不存在激光束不受電磁干擾，不存在X X射線防護(hù)問題，也不射線防護(hù)問題，也不需要真空保護(hù)。需要真空保護(hù)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1 1激光焊難以焊接反射率較高的金屬；激光焊難以焊接反射率較高的金屬；2 2對(duì)焊件加工、組裝、定位要求相對(duì)較高；對(duì)焊件加工、組裝、定位要求相對(duì)較高；3 3設(shè)備一次性投資大。設(shè)備一次性投資大。激光焊工藝激光焊工藝一、激光焊的能源特性一、激光焊的能

43、源特性 1 1功率密度功率密度調(diào)節(jié)激光的功率密度，即能實(shí)現(xiàn)不同加工工藝的要求。調(diào)節(jié)激光的功率密度，即能實(shí)現(xiàn)不同加工工藝的要求。 調(diào)整功率密度的主要方法有：調(diào)整功率密度的主要方法有：調(diào)節(jié)輸入激光器的能量；調(diào)節(jié)輸入激光器的能量；調(diào)節(jié)光斑尺寸，即激光束與金屬固體表面交叉面積的大?。徽{(diào)節(jié)光斑尺寸，即激光束與金屬固體表面交叉面積的大小；改變光模形式，即改變光斑中能量的分布；改變光模形式，即改變光斑中能量的分布；改變脈沖寬度及前沿的梯度等。改變脈沖寬度及前沿的梯度等。2 2吸收率吸收率 光亮的金屬表面對(duì)激光有很強(qiáng)的反射作用光亮的金屬表面對(duì)激光有很強(qiáng)的反射作用 溫度提高時(shí)，反射率降低。溫度提高時(shí)，反射率降低

44、。 在熔點(diǎn)以上，金屬氣化，形成小孔以后，對(duì)光束的在熔點(diǎn)以上，金屬氣化，形成小孔以后，對(duì)光束的吸收率將急劇增加。吸收率將急劇增加。 使用活性氣體也能增加材料對(duì)激光的吸收率。在保使用活性氣體也能增加材料對(duì)激光的吸收率。在保護(hù)氣體氦中添加護(hù)氣體氦中添加10%10%的氧，可使熔深增加一倍。的氧，可使熔深增加一倍。 厚度較大的工厚度較大的工件采用適當(dāng)?shù)呢?fù)離件采用適當(dāng)?shù)呢?fù)離焦量，可獲得較大焦量，可獲得較大的熔深的熔深3 3離焦量離焦量離焦量是工件表面離激光焦點(diǎn)的距離。離焦量是工件表面離激光焦點(diǎn)的距離。工件表面在焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)為負(fù)離焦，與焦點(diǎn)的距離為負(fù)離工件表面在焦點(diǎn)以內(nèi)時(shí)為負(fù)離焦，與焦點(diǎn)的距離為負(fù)離焦量。反之

45、為正離焦。焦量。反之為正離焦。 2.3 2.3 激光熔覆與激光合金化激光熔覆與激光合金化一、激光熔覆一、激光熔覆 1 1、激光熔覆技術(shù)、激光熔覆技術(shù) 激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技術(shù)的一種激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法，它是利用高能激光束重要方法，它是利用高能激光束(10(104 4-10-106 6W/cmW/cm2 2) )在金屬表面輻照，通過在金屬表面輻照，通過迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固，冷卻速度通常達(dá)到迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固，冷卻速度通常達(dá)到10102 2-10-104 4/s/s，在基材，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性

46、能的材料，從而構(gòu)成一種表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料，從而構(gòu)成一種新的復(fù)合材料，以彌補(bǔ)機(jī)體所缺少的高性能，這種復(fù)合材料能充分發(fā)新的復(fù)合材料，以彌補(bǔ)機(jī)體所缺少的高性能，這種復(fù)合材料能充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)相互間的不足。對(duì)于某些共晶合金，甚至能得到揮兩者的優(yōu)勢，彌補(bǔ)相互間的不足。對(duì)于某些共晶合金，甚至能得到非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能。非晶態(tài)表層，具有極好的抗腐蝕性能。 激光熔覆根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計(jì)的成分的金屬或者激光熔覆根據(jù)工件的工況要求，熔覆各種設(shè)計(jì)的成分的金屬或者非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、抗疲勞或具有光、電、磁非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化

47、、抗疲勞或具有光、電、磁特性的表面覆層。與工業(yè)中常用的堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等相比，特性的表面覆層。與工業(yè)中常用的堆焊、熱噴涂和等離子噴焊等相比，激光熔覆有著下列優(yōu)點(diǎn)：激光熔覆有著下列優(yōu)點(diǎn)： 熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，熔覆成品率高；熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，熔覆成品率高； 涂層晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密涂層晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密，所以其硬度一般相對(duì)比較高，耐磨，所以其硬度一般相對(duì)比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好；損、耐腐蝕等性能也比較好； 由于激光作用時(shí)間短由于激光作用時(shí)間短(ns(ns級(jí)級(jí)) )，熔覆層稀釋率低，熔覆層稀釋率低，基材的熔化量基材的熔化量比較小，對(duì)熔覆層的稀釋率相對(duì)低比較小，對(duì)熔

48、覆層的稀釋率相對(duì)低( (常規(guī)為常規(guī)為5%-8%)5%-8%)，因此可在熔覆層比，因此可在熔覆層比較薄的情況下，獲得所要求的成分和性能，從而節(jié)約昂貴的覆層材料；較薄的情況下，獲得所要求的成分和性能，從而節(jié)約昂貴的覆層材料； 高達(dá)高達(dá)10106 6/s/s的冷卻速度使的冷卻速度使凝固組織細(xì)化，甚至產(chǎn)生新性能的凝固組織細(xì)化，甚至產(chǎn)生新性能的組織結(jié)構(gòu)超彌散相、非晶相等組織結(jié)構(gòu)超彌散相、非晶相等； 激光熔覆過程激光熔覆過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，且覆層質(zhì)量穩(wěn)定易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，且覆層質(zhì)量穩(wěn)定。 通常激光重熔覆層工藝都希望得到如下結(jié)果：通常激光重熔覆層工藝都希望得到如下結(jié)果： a a）結(jié)合強(qiáng)度高，即要求界面處涂

49、層與基體有良好的冶金結(jié)合；）結(jié)合強(qiáng)度高，即要求界面處涂層與基體有良好的冶金結(jié)合； b b）重熔層平整、缺陷少，即要求重熔層熊充分熔合、脫氧，變得）重熔層平整、缺陷少，即要求重熔層熊充分熔合、脫氧，變得均勻密實(shí)；均勻密實(shí)； c c）涂層不被基體稀釋或僅有輕微的稀釋，以保持涂層材料特有的）涂層不被基體稀釋或僅有輕微的稀釋，以保持涂層材料特有的高強(qiáng)度或者說要求避免基體和涂層的混合。高強(qiáng)度或者說要求避免基體和涂層的混合。2 2、激光熔覆材料、激光熔覆材料( (一一) ) 激光熔覆材料設(shè)計(jì)的一般原則激光熔覆材料設(shè)計(jì)的一般原則 (1) (1) 激光熔覆材料與基材線膨脹系數(shù)的匹配激光熔覆材料與基材線膨脹系數(shù)

50、的匹配 激光熔覆層中產(chǎn)生激光熔覆層中產(chǎn)生開裂、裂紋的重要原因之一是熔覆合金與開裂、裂紋的重要原因之一是熔覆合金與基材之間的線膨脹系數(shù)的差異基材之間的線膨脹系數(shù)的差異，所以在選擇涂層材料時(shí)首先要考，所以在選擇涂層材料時(shí)首先要考慮涂層與基材在線膨脹系數(shù)上的匹配，考慮涂層與基材的線膨脹慮涂層與基材在線膨脹系數(shù)上的匹配，考慮涂層與基材的線膨脹系數(shù)差異對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性能，特別是抗開裂性能的系數(shù)差異對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性能，特別是抗開裂性能的影響。目前，大多數(shù)研究都是根據(jù)激光熔覆層與基材線膨脹系數(shù)影響。目前，大多數(shù)研究都是根據(jù)激光熔覆層與基材線膨脹系數(shù)的匹配原則進(jìn)行熔覆材料的選擇及成分設(shè)計(jì)的

51、。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，的匹配原則進(jìn)行熔覆材料的選擇及成分設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，為防止涂層開裂和剝落，涂層和基材的線膨脹系數(shù)應(yīng)滿足同一性為防止涂層開裂和剝落，涂層和基材的線膨脹系數(shù)應(yīng)滿足同一性原則，即二者應(yīng)盡可能地接近，原則，即二者應(yīng)盡可能地接近，考慮到激光熔覆的工藝特點(diǎn)，基考慮到激光熔覆的工藝特點(diǎn)，基材和涂層的加熱和冷卻過程不同步，熔覆層的線膨脹系數(shù)在一定材和涂層的加熱和冷卻過程不同步，熔覆層的線膨脹系數(shù)在一定范圍內(nèi)越小，熔覆層對(duì)開裂越不敏感。范圍內(nèi)越小，熔覆層對(duì)開裂越不敏感。 (2) (2) 激光熔覆材料與基材熔點(diǎn)的匹配激光熔覆材料與基材熔點(diǎn)的匹配 在激光熔覆技術(shù)中，需要對(duì)涂層材料關(guān)注的另一重

52、要的熱物在激光熔覆技術(shù)中，需要對(duì)涂層材料關(guān)注的另一重要的熱物理性質(zhì)是其熔點(diǎn)。理性質(zhì)是其熔點(diǎn)。熔覆合金與基體材料的熔點(diǎn)之間差異過大，形熔覆合金與基體材料的熔點(diǎn)之間差異過大，形成不了良好的冶金結(jié)合。成不了良好的冶金結(jié)合。 (3) (3) 激光熔覆材料對(duì)基材的潤濕性激光熔覆材料對(duì)基材的潤濕性 除了考慮熔覆材料的熱物理性能外，還應(yīng)考慮其在激光快速除了考慮熔覆材料的熱物理性能外，還應(yīng)考慮其在激光快速加熱下的流動(dòng)性、化學(xué)穩(wěn)定性，硬化相質(zhì)點(diǎn)與新結(jié)相金屬的潤濕加熱下的流動(dòng)性、化學(xué)穩(wěn)定性，硬化相質(zhì)點(diǎn)與新結(jié)相金屬的潤濕性以及高溫快冷時(shí)的相變特性等。性以及高溫快冷時(shí)的相變特性等。熔覆過程中，潤濕性也是一個(gè)熔覆過程中

53、，潤濕性也是一個(gè)重要的因素。重要的因素。特別是要獲得滿意的金屬陶瓷涂層，必須保證金屬特別是要獲得滿意的金屬陶瓷涂層，必須保證金屬相和陶瓷相具有良好的潤濕性。在提高潤濕性方面，主要基于以相和陶瓷相具有良好的潤濕性。在提高潤濕性方面，主要基于以下原則：下原則： 選擇適宜的激光熔覆工藝參數(shù)選擇適宜的激光熔覆工藝參數(shù)，如提高熔覆溫度，以降低，如提高熔覆溫度，以降低覆層金屬液體的表面能。覆層金屬液體的表面能。 改變基體的化學(xué)成分改變基體的化學(xué)成分。最有效的方法是向基體中添加合金。最有效的方法是向基體中添加合金元素，如在元素，如在Cu/AlCu/Al2 2O O3 3體系中加入體系中加入TiTi提高相間潤

54、濕性，在基體中添加提高相間潤濕性，在基體中添加活性元素活性元素HfHf等也有利于提高基體與顆粒之間的潤濕性。等也有利于提高基體與顆粒之間的潤濕性。 改善陶瓷粒子的表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)改善陶瓷粒子的表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，即對(duì)熔覆用陶瓷顆粒進(jìn)，即對(duì)熔覆用陶瓷顆粒進(jìn)行表面處理，以提高其表面能。常用的處理方法有機(jī)械、物理和化行表面處理，以提高其表面能。常用的處理方法有機(jī)械、物理和化學(xué)清洗、電化學(xué)拋光和涂覆等。如在學(xué)清洗、電化學(xué)拋光和涂覆等。如在A1A1基復(fù)合材料中，用基復(fù)合材料中，用AgAg浸潤于浸潤于陶瓷表面形成膠狀熔體而構(gòu)成陶瓷表面形成膠狀熔體而構(gòu)成AgAg涂層，而涂層，而AgAg與與AlAl有很好的潤濕性，

55、有很好的潤濕性，從而形成了從而形成了AlAl與陶瓷間良好的潤濕與結(jié)合。與陶瓷間良好的潤濕與結(jié)合。 ( (二二) ) 熔覆材料的分類及特點(diǎn)熔覆材料的分類及特點(diǎn) 激光熔覆采用的材料主要是熱噴涂類材料和熱噴焊類材料，這些激光熔覆采用的材料主要是熱噴涂類材料和熱噴焊類材料，這些材料包括自熔性合金材料、碳化物彌散或者復(fù)合材料、陶瓷材料等，材料包括自熔性合金材料、碳化物彌散或者復(fù)合材料、陶瓷材料等，這些材料具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性能，并通常以粉末的形式使用，這些材料具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕性能，并通常以粉末的形式使用，熔覆時(shí)采用火焰噴焊。熔覆時(shí)采用火焰噴焊。 (1) (1) 自熔性合金材料自熔性合金材料 自

56、熔性合金材料按基體不同可分為鎳基合金、鈷基合金和鐵基自熔性合金材料按基體不同可分為鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金。其主要特點(diǎn)是都含有硅和硼，所以具有自我脫氧和自我造渣合金。其主要特點(diǎn)是都含有硅和硼，所以具有自我脫氧和自我造渣的性能，這就是所謂的自熔劑。的性能，這就是所謂的自熔劑。 自熔性合金材料原理是合金被重熔時(shí)，硅和硼分別形成自熔性合金材料原理是合金被重熔時(shí)，硅和硼分別形成Si0Si02 2和和B B2 20 02 2，并在熔覆層表面形成薄膜。這種薄膜一方面能防止合金中的，并在熔覆層表面形成薄膜。這種薄膜一方面能防止合金中的元素被氧化，另一方面又能與這些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，元素被氧化，

57、另一方面又能與這些元素的氧化物形成硼化酸熔渣，從而獲得氧化物含量相對(duì)低、氣孔率少的熔覆層。自熔性合金材料從而獲得氧化物含量相對(duì)低、氣孔率少的熔覆層。自熔性合金材料的硬度與合金的含硼量和含碳量有關(guān)，硬度隨著硼、碳含量的增加的硬度與合金的含硼量和含碳量有關(guān)，硬度隨著硼、碳含量的增加而增高，這是因?yàn)榕鸷吞寂c合金中的鎳、鉻等元素形成了硬度極高而增高，這是因?yàn)榕鸷吞寂c合金中的鎳、鉻等元素形成了硬度極高的硼化物和碳化物。鐵基合金適用于局部耐磨損且容易變形的零件。的硼化物和碳化物。鐵基合金適用于局部耐磨損且容易變形的零件。鐵基合金涂層的基材采用鑄鐵和低碳鋼；鎳基合金適合于局部耐磨、鐵基合金涂層的基材采用鑄鐵

58、和低碳鋼；鎳基合金適合于局部耐磨、耐熱腐蝕的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆鐵基合金的高；耐熱腐蝕的零件，所需要的激光功率密度也比熔覆鐵基合金的高；鈷基合金涂層適合于要求耐磨耐腐蝕和抗疲勞的零件。鈷基合金涂層適合于要求耐磨耐腐蝕和抗疲勞的零件。自熔性合金自熔性合金對(duì)基材有較大的適應(yīng)性，可用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼以及鑄鐵等對(duì)基材有較大的適應(yīng)性，可用于碳鋼、合金鋼、不銹鋼以及鑄鐵等多類材料。自熔性合金材料的粉末分類及其特點(diǎn)見下表。多類材料。自熔性合金材料的粉末分類及其特點(diǎn)見下表。 (2) (2) 復(fù)合粉末復(fù)合粉末 在滑動(dòng)、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下，單純的在滑動(dòng)、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件

59、下，單純的NiNi基、基、CoCo基、基、FeFe基自熔性合金己不能勝任使用要求，此時(shí)可在上述的自熔性合金粉基自熔性合金己不能勝任使用要求，此時(shí)可在上述的自熔性合金粉末中加入各種高熔點(diǎn)的末中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，制成了金屬復(fù)合涂層。制成了金屬復(fù)合涂層。 復(fù)合粉末包括自粘性復(fù)合粉末和碳化物復(fù)合粉末。它們按照結(jié)構(gòu)復(fù)合粉末包括自粘性復(fù)合粉末和碳化物復(fù)合粉末。它們按照結(jié)構(gòu)可以分為包覆型和非完全包覆型，其區(qū)別在于芯核粉末是否被包覆粉可以分為包覆型和非完全包覆型，其區(qū)別在于芯核粉末是否被包覆粉末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的

60、保護(hù)，可以避免在高溫末包住。包覆型由于芯核粉末受到包覆粉末的保護(hù)，可以避免在高溫時(shí)發(fā)生部分元素的氧化燒損、揮發(fā)等現(xiàn)象。按照功能分又可以分為硬時(shí)發(fā)生部分元素的氧化燒損、揮發(fā)等現(xiàn)象。按照功能分又可以分為硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末質(zhì)耐磨復(fù)合粉末( (如如Co/WCCo/WC，Ni/WC)Ni/WC)、耐高溫復(fù)合粉末、耐腐蝕抗氧化、耐高溫復(fù)合粉末、耐腐蝕抗氧化復(fù)合粉末、減磨潤滑復(fù)合粉末等。復(fù)合粉末、減磨潤滑復(fù)合粉末等。 自粘性復(fù)合粉末是指在熱噴涂的過程中，粉末自己產(chǎn)生的放熱反自粘性復(fù)合粉末是指在熱噴涂的過程中，粉末自己產(chǎn)生的放熱反應(yīng)驅(qū)使涂層和基材表而形成良好結(jié)合的一類熱噴涂材料。應(yīng)驅(qū)使涂層和基材表而形成良好結(jié)合