專利名稱：層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料表面處理(又稱改性)工藝，涉及層流電弧等離子體射流的材料表層處理工藝，包括相變或熔凝強(qiáng)化，表面熔敷異質(zhì)材料涂層和梯度表面涂層。
背景技術(shù)：
構(gòu)件材料的表面性能經(jīng)常是決定其使用性能和壽命的重要因素。在形式多樣的提高金屬表面耐磨損、抗疲勞、隔熱以及其它特種性能的處理改性方法中，大氣壓直流電弧等離子體射流可獲得的能流密度范圍為-105W/cm2，在對(duì)材料局域表面進(jìn)行急冷急熱處理時(shí)加熱和冷卻的速度可達(dá)104K/s，影響區(qū)域?yàn)棣?-φ10mm，可實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化處理。同時(shí)，與激光、電子束、離子注入等材料表面改性方法相比，大氣壓直流電弧等離子體金屬表面改性具有設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低、能量有效利用率高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、氣體組分可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。
目前，用于金屬材料表面處理改性的大氣壓直流電弧等離子體一般為轉(zhuǎn)移式，即以被處理的導(dǎo)電金屬件作為陽(yáng)極。這就決定了在工作過(guò)程中等離子體狀態(tài)將隨被處理工件的物理性質(zhì)、與陰極間的距離波動(dòng)和相對(duì)移動(dòng)速度等因素的變化而變化。尤其是弧根在工件表面不是連續(xù)勻速移動(dòng)，而是隨機(jī)跳動(dòng)，以至加熱效果的均勻穩(wěn)定性難以控制。其原因是電弧在作為陽(yáng)極的工件表面上有一弧根點(diǎn)，在工件移動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)將保持不動(dòng)。而當(dāng)弧電壓達(dá)到一定幅值時(shí)，該弧根點(diǎn)會(huì)跳到使弧電壓降至最低的另一新弧根點(diǎn)。這樣，特別是在工件移動(dòng)速度較高的情況下，經(jīng)常會(huì)在工件表面形成間斷的不規(guī)則溶痕。
現(xiàn)有非轉(zhuǎn)移式直流電弧等離子體射流一般是湍流流動(dòng)狀態(tài)，由于氣流脈動(dòng)性較強(qiáng)，引起高溫高速氣流與周?chē)錃怏w的強(qiáng)烈摻混，加快了射流能量的耗散，形成較大的射流軸向溫度變化梯度，這些因素對(duì)于材料表面改性工藝的穩(wěn)定性將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果發(fā)生器出口與工件表面發(fā)生1mm距離的波動(dòng)，就可能造成對(duì)工件表面溫度的數(shù)百度的改變。同時(shí)，高速氣流的作用在被處理件表面產(chǎn)生的高附加壓強(qiáng)會(huì)吹散熔體，使其無(wú)法適合于金屬表面的熔敷和熔凝改性等處理工藝條件。
申請(qǐng)者先期提出專利申請(qǐng)的大氣壓長(zhǎng)弧等離子體射流產(chǎn)生技術(shù)(專利號(hào)99121825.6)，能產(chǎn)生出非轉(zhuǎn)移式層流電弧等離子體射流，具有氣流流動(dòng)穩(wěn)定、流場(chǎng)分布可調(diào)控范圍寬、軸向溫度梯度小、雜質(zhì)卷吸少、作用于材料表面的附加壓強(qiáng)小等優(yōu)越特性，將其用于材料表面改性，有利于提高工藝穩(wěn)定性和改善材料表面改性處理的效果。據(jù)查目前掌握層流電弧等離子體射流的產(chǎn)生和控制技術(shù)的單位還很少，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道只有前蘇聯(lián)O.P.Solonenko、日本K.Osaki和本申請(qǐng)者不多幾家。因此，這種材料表面處理技術(shù)還基本處于空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法。它以氣流脈動(dòng)性小、流動(dòng)穩(wěn)定性好、軸向溫度變化梯度小的直流非轉(zhuǎn)移式層流電弧等離子體射流為熱源，在金屬表面進(jìn)行相變、熔凝、熔覆多種強(qiáng)化和改性處理。并獲得高硬度的、材料性能波動(dòng)小的表面強(qiáng)化/改性層。下文中，層流電弧等離子體射流有時(shí)簡(jiǎn)稱為層流等離子體射流。
本發(fā)明層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法，采用直流非轉(zhuǎn)移式層流電弧等離子體射流發(fā)生器為熱源，發(fā)生器與工件間無(wú)電的聯(lián)接，工作時(shí)電弧不轉(zhuǎn)移，發(fā)生器與工件完全獨(dú)立，改變層流電弧等離子體射流的能量、發(fā)生器出口與工件間的距離，相對(duì)空間夾角和相對(duì)移動(dòng)速度，對(duì)各種導(dǎo)電或非導(dǎo)電材料的工件表面進(jìn)行急熱急冷的相變、熔凝、熔覆強(qiáng)化或改性處理。
本發(fā)明材料表面處理方法常用的工藝參數(shù)是；發(fā)生器的輸入功率為1.5-15kW，射流束斑直徑為2-12mm，射流的平均能量密度為103-105W/cm2，發(fā)生器出口與工件表面間距離為3-30mm，工件與發(fā)生器間的相對(duì)移動(dòng)速度為0.01-1m/min。發(fā)生器的軸線與工件表面法線間的立體角在0-45°范圍變化。工件與發(fā)生器間的相對(duì)移動(dòng)速度根據(jù)工件尺寸的大小、要求強(qiáng)化層的厚度、材料的相變點(diǎn)或熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率等條件選擇。對(duì)薄壁低熔點(diǎn)或只需薄硬化層的工件，選擇較高的相對(duì)移動(dòng)速度，根據(jù)工件材質(zhì)和使用要求，調(diào)節(jié)處理工藝條件，可以獲得影響層厚度為0.1-5mm范圍的表面硬化層。對(duì)不同壁厚的復(fù)雜形狀工件，以及邊緣和中間部位要求同一處理效果的工件，可通過(guò)連續(xù)調(diào)整噴口與工件表面間的距離和移動(dòng)速度等條件來(lái)確保處理效果的均一。
對(duì)隨溫度變化有相組織變化的合金系，調(diào)整等離子體射流的功率、發(fā)生器與工件間的距離和相對(duì)移動(dòng)速度，可將工件表面一定厚度的區(qū)域快速加熱至材料的相變點(diǎn)以上熔點(diǎn)以下，并隨著射流束斑的移開(kāi)使之快速冷卻，進(jìn)行相變強(qiáng)化處理；或?qū)⒉牧霞訜嶂疗淙埸c(diǎn)并隨之快冷進(jìn)行熔凝強(qiáng)化處理。
對(duì)于不銹鋼等隨溫度的變化不產(chǎn)生相變的合金，由于不能通過(guò)相變或熔凝處理來(lái)改變材料表面的性質(zhì)，為了提高這類(lèi)材料表面耐磨損或隔熱等性能的，可采用熔敷處理工藝。即用層流等離子體射流將工件表面局域加熱至微熔狀態(tài)，同時(shí)向熔池中注入陶瓷或復(fù)合相的粉體，進(jìn)行材料表面熔敷處理。用這種方法可在工件表面形成異質(zhì)材料涂層，如注入硬質(zhì)陶瓷顆粒，形成陶瓷顆粒與工件基材的混合相表面強(qiáng)化層，或形成基材成分與注入材料成不同比例分布的梯度表面涂層。
如果用等離子體射流對(duì)材料表面進(jìn)行加熱之前，先在工件表面預(yù)置一定厚度的粉體涂層，然后用層流等離子體射流加熱工件表面以至基材表面形成微小熔池，則實(shí)現(xiàn)工件表面的各種異質(zhì)材料的熔敷強(qiáng)化層。
用層流等離子體射流對(duì)鑄鐵材料表面進(jìn)行相變處理，可細(xì)化表層顯微組織，形成強(qiáng)化相的梯度分布。對(duì)有析出石墨相的鑄鐵表面，可對(duì)石墨組織形成的表面空孔進(jìn)行封閉，從而提高鑄鐵的抗疲勞強(qiáng)度。
應(yīng)用層流電弧等離子體射流的材料表層相變、熔凝和熔敷等工藝，可以滿足各種金屬工件的抗疲勞、耐磨損、耐腐蝕、隔熱或抗剝落等不同的需求，在不改變工件原有整體性能的同時(shí)，對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)硬化處理。還可以根據(jù)需要，選擇等離子體射流的束斑直徑、功率、發(fā)生器與工件間的相對(duì)距離和移動(dòng)速度以及射流在工件表面的移動(dòng)方式和作用區(qū)域，對(duì)工件表面進(jìn)行指定區(qū)域、點(diǎn)、線的局部表面強(qiáng)化處理。
應(yīng)用層流電弧等離子體射流進(jìn)行材料表面處理時(shí)，實(shí)際操作環(huán)境可以是通常的熱處理車(chē)間或?qū)嶒?yàn)室。首先把工件和層流等離子體發(fā)生器分別安裝在各自可以平移或旋轉(zhuǎn)的速度可調(diào)節(jié)的工作臺(tái)上。其次調(diào)整好發(fā)生器噴口與工件表面的距離并產(chǎn)生層流等離子體射流(這時(shí)工件不在發(fā)生器噴口前方)。最后通過(guò)控制機(jī)構(gòu)將工件以設(shè)定的速度從發(fā)生器噴口前方掃過(guò)，實(shí)現(xiàn)工件表面的改性處理。
本發(fā)明層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法，其主要特點(diǎn)和效果是①其軸向溫度分布梯度約比湍流射流的軸向溫度分布梯度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。直流非轉(zhuǎn)移電弧等離子體射流在發(fā)生器出口中心處的最高溫度一般為約1萬(wàn)度，在約10kW輸入功率的情況下，湍流射流的長(zhǎng)度不超過(guò)50cm，軸向溫度分布梯度在102K/mm量級(jí)；而層流射流的長(zhǎng)度在相同的輸入功率條件下可超過(guò)500cm，因此，軸向溫度分布梯度可降低到101K/mm量級(jí)；②由于軸向溫度分布梯度小，則在應(yīng)用層流射流的軸線垂直于工件表面進(jìn)行加熱時(shí)，發(fā)生器與工件表面間微小的距離變化(如1mm左右)不至于像湍流射流那樣會(huì)引起對(duì)材料表面加熱效果的大幅度波動(dòng)；③湍流射流的氣流脈動(dòng)性遠(yuǎn)強(qiáng)于層流射流，其能量輸出隨時(shí)間變化的波動(dòng)幅度可超過(guò)射流能量的50％；而層流等離子體射流的相應(yīng)波動(dòng)幅度低于10％。因而，層流等離子體射流材料表面處理工藝可確保處理層厚度均勻。例如對(duì)于平均厚度為1mm的處理層，其最大處理層厚度變化小于0.05-0.1mm。說(shuō)明本發(fā)明工藝具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；④與湍流狀態(tài)的等離子體射流相比，層流射流與周?chē)錃怏w的過(guò)度層明顯減薄，徑向能量分布集中，有利于射流加熱區(qū)域內(nèi)加熱和冷卻速率的提高和控制，也有利于改善急冷或急熱的處理效果以及材料強(qiáng)化區(qū)域與相鄰材料組織間的應(yīng)力分布；⑤工作過(guò)程中層流電弧等離子體射流產(chǎn)生的噪音低于電源和輔助設(shè)備產(chǎn)生的噪音，不需要使用噪音防護(hù)設(shè)施。⑥與轉(zhuǎn)移弧形式的射流不同，非轉(zhuǎn)移弧形式的射流因?yàn)槠潆姌O都在發(fā)生器一側(cè)，與被加熱工件無(wú)關(guān)，因此，對(duì)被加熱工件的導(dǎo)電性沒(méi)有特別的要求；⑦在被處理工件為圓筒、圓柱等形狀，處理時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)工件時(shí)，轉(zhuǎn)移弧處理方法的工件與陽(yáng)極導(dǎo)線的連接也需要特殊的技術(shù)，而本發(fā)明非轉(zhuǎn)移弧層流等離子體射流工件表面處理工藝就不存在這類(lèi)問(wèn)題。


圖1是層流電弧等離子體射流對(duì)工件表面進(jìn)行相變或熔凝強(qiáng)化處理的示意圖。
圖2是層流電弧等離子體射流對(duì)工件表面進(jìn)行粉體注入熔敷強(qiáng)化處理的示意圖。
圖3是層流電弧等離子體射流對(duì)工件表面進(jìn)行粉體預(yù)置熔敷強(qiáng)化處理的示意圖。
圖4是等離子體射流沖擊平板表面時(shí)的附加駐止壓強(qiáng)隨氣體流量的變化關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明方法便于實(shí)現(xiàn)程序化控制的連續(xù)生產(chǎn)并有利于提高成品率。本發(fā)明方法常用工藝參數(shù)的范圍是層流電弧等離子體射流發(fā)生器的輸入功率為1.5-15kW，層流等離子體射流的有效高溫區(qū)溫度為4000-8000K，有效高溫區(qū)直徑為2-12mm，發(fā)生器工作氣體總流量為1-60升/分，發(fā)生器與工件間相對(duì)移動(dòng)速度為0.01-1m/min。
表一列出了材料表面相變、熔凝和熔敷三種表面強(qiáng)化處理的主要工藝參數(shù)。
表一材料表面相變、熔凝和熔敷三種處理工藝參數(shù)

以下結(jié)合附圖和表一所示實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明。
首先請(qǐng)參見(jiàn)圖1。本發(fā)明進(jìn)行相變或熔凝強(qiáng)化處理時(shí)，使用的非轉(zhuǎn)移式層流等離子體材料表面改性裝置包括層流等離子體射流發(fā)生器10、直流電源13、水冷系統(tǒng)14和氣控系統(tǒng)15，發(fā)生器產(chǎn)生的層流等離子體射流16。發(fā)生器10與工件20間完全相互獨(dú)立，即工件20與發(fā)生器的電極無(wú)電的連接。處理過(guò)程中工件20可任意旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，如圖中箭頭28和27所示。以工件表面的法線29為中心，發(fā)生器軸線與法線29間的立體角25在0-45°范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)特定或特殊處理區(qū)域和效果的要求。
由圖1可見(jiàn)，工件20與發(fā)生器的距離21在3-30mm范圍內(nèi)變化，工件20垂直于層流等離子體射流的軸線并以0.01-1m/min的移動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)，工件20的表面將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于射流束斑高溫區(qū)的熔池區(qū)域22。射流束斑高溫區(qū)范圍是4-12mm。熔池區(qū)域22面內(nèi)尺寸范圍是射流束斑高溫區(qū)徑向尺寸的1-1.5倍。其余主要工藝參數(shù)見(jiàn)表一。實(shí)施例的工件基體材料是Mo-W-Cu鑄鐵。根據(jù)射流氣體溫度、工件離開(kāi)發(fā)生器出口距離、移動(dòng)速度、工件尺寸和導(dǎo)熱系數(shù)的不同，熔池區(qū)深度范圍為1-4mm。工件體積大、要求表面強(qiáng)化厚度大時(shí)，可選擇高射流功率和低相對(duì)移動(dòng)速度。隨著工件移動(dòng)和熔池區(qū)域離開(kāi)等離子體射流，工件導(dǎo)熱使熔池區(qū)域快速冷卻，并得到快速激冷的初生滲碳體和萊氏體組成的過(guò)共晶相組織結(jié)構(gòu)，形成材料表面強(qiáng)化層24。本發(fā)明處理方法對(duì)被處理工件的形狀和尺寸等特征沒(méi)有特別要求。
圖2是本發(fā)明處理方法對(duì)工件表面進(jìn)行粉體注入熔敷強(qiáng)化改性的示意圖。整個(gè)裝置包括層流等離子體射流發(fā)生器30、供粉系統(tǒng)33、粉末攜帶氣體34、層流等離子體射流36。在以層流等離子體射流將工件40表面局域加熱形成微小熔池狀態(tài)的同時(shí)，向熔池中注入Al2O3，ZrO2或其它陶瓷粉體以及這些陶瓷與工件材料復(fù)合相的粉體，例如40％ZrO2-60％Ni的鎳包氧化鋯，進(jìn)行注粉熔敷。本實(shí)施例的主要工藝參數(shù)如表一所列。用這種方法可在工件表面熔敷異質(zhì)材料涂層。如注入硬質(zhì)Al2O3等陶瓷顆粒，在鑄鐵或其它金屬工件表面形成陶瓷熔敷層44。為了改善陶瓷熔敷層較厚時(shí)容易產(chǎn)生裂紋和剝落的現(xiàn)象，可以采用熔敷金屬與硬質(zhì)陶瓷的混合或復(fù)合相粉體，形成陶瓷顆粒與金屬及工件基材的混合相表面強(qiáng)化層。
熔敷強(qiáng)化方法適合于普通鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅和鋁等大多數(shù)常用金屬材料表面的強(qiáng)化處理。既適合于需要在熔凝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高表層硬度的工件，也適合于隨溫度變化不產(chǎn)生相變的不銹鋼等合金材料提高表面硬度。因此，熔敷方法是進(jìn)一步提高材料表面耐磨損或隔熱等性能的有效處理方法之一。
如圖3所示，本發(fā)明處理方法對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)置粉體熔敷強(qiáng)化處理時(shí)，用層流等離子體射流發(fā)生器50產(chǎn)生層流等離子體射流56。用層流等離子體射流56對(duì)工件60表面加熱之前，先在工件60表面預(yù)置0.01-0.2mm厚度的陶瓷或特種性能的粉體涂層63，例如，Al2O3、ZrO2或其它材料粉體。其預(yù)置法可為粉體漿料涂刷或噴涂。然后用層流等離子體射流加熱工件表面以至基材表面形成微小熔池，使預(yù)置涂層與工件表面間形成冶金接合的熔敷層64。同樣，預(yù)置粉體熔敷方法可以對(duì)普通鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅和鋁等大多數(shù)常用金屬材料工件表面實(shí)現(xiàn)多種異質(zhì)材料的強(qiáng)化處理。
本發(fā)明處理方法常用的層流等離子體射流，其高溫氣體的最大流速低于300m/s，約為湍流射流的三分之一。用于加熱工件表面時(shí)，作用于物體表面的附加壓強(qiáng)與氣流速度平方成正比。對(duì)離開(kāi)發(fā)生器一定距離且垂直于射流軸線的平板物體，射流在其表面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)是以射流軸線為最大值的軸對(duì)稱高斯分布。如果采用陽(yáng)極口徑為4mm的層流等離子體發(fā)生器(其它相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表一)，隨著離發(fā)生器出口的距離增加，射流氣流速度減低，附加壓強(qiáng)也隨之減低。圖4是工作氣體流量分別為5、9、14升/分時(shí)射流中心作用于物體表面的壓強(qiáng)隨離發(fā)生器出口距離的變化關(guān)系。其中曲線3氣流量最大的14升/分條件下等離子體射流為湍流流動(dòng)情形。其有效高溫區(qū)在軸線方向一般不超過(guò)20mm，且在此高溫區(qū)內(nèi)射流作用于工件表面的壓強(qiáng)高，軸向溫度變化梯度大，用于材料表面熔凝或熔敷處理時(shí)，當(dāng)工件表面出現(xiàn)液相熔池時(shí)往往被射流作用形成的高壓強(qiáng)而吹散，由此可見(jiàn)，湍流等離子體射流不適用于材料表面的熔凝或熔敷處理。
圖4中的曲線1和2分別是氣體流量為5升/分和9升/分的層流電弧等離子體射流作用于物體表面時(shí)，其射流中心的壓強(qiáng)隨離開(kāi)發(fā)生器出口距離的變化規(guī)律。特別是氣流量為5升/分情況下，射流對(duì)工件表面的沖擊壓強(qiáng)較小，沿射流軸線方向沖擊壓強(qiáng)變化梯度也很小，有很好的穩(wěn)定性。證明層流等離子體射流適用于材料表面熔凝和熔敷等強(qiáng)化處理。
以下再詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明方法的幾個(gè)實(shí)施例及其效果。
實(shí)施例1熔凝表面強(qiáng)化處理用本發(fā)明處理方法對(duì)用于大功率柴油機(jī)缸套的Mo-W-Cu鑄鐵進(jìn)行了單次掃描熔凝表面強(qiáng)化處理，相關(guān)工藝參數(shù)為層流等離子體射流的氣流量為5升/分、輸入功率為8kW，工件與發(fā)生器出口距離為20mm，工件平移速度為0.05m/min。
結(jié)果表明層流等離子體射流對(duì)鑄鐵表層加熱狀態(tài)均勻，并便于操作控制，即使是工件表面與發(fā)生器之間的距離有4mm變化，仍可保持鑄鐵表面熔痕基本均勻，熔池中的液體沒(méi)有被射流吹離熔池的跡象，熔凝處理后工件表面熔化層內(nèi)石墨片被碎化，形成由初生滲碳體和萊氏體組成的過(guò)共晶組織，表面硬化層厚度約為1mm，最高硬度超過(guò)Hv900，達(dá)到原基底硬度的3倍。
實(shí)施例2粉體注入式熔敷表面處理本實(shí)施例是對(duì)1Cr18Ni19Ti不銹鋼表面進(jìn)行粒度為40-100μm的ZrO2氧化鋯粉末和40％ZrO2-60％Ni鎳包氧化鋯粉末的粉體注入式熔敷表面處理。相關(guān)工藝參數(shù)為層流等離子體射流工作氣體流量為6升/分，輸入功率為9kW，工件離開(kāi)發(fā)生器出口的距離為15mm，工件移動(dòng)速度為0.1m/mim，供粉氣體流量為0.3升/分。
結(jié)果表明單次處理可在不銹鋼表面形成厚度約為1mm、寬度約為4mm的熔敷帶。顯微觀察表明熔敷層與工件基材間有很好的冶金接合界面，無(wú)微裂紋和微孔洞等微缺陷生成。處理后不銹鋼表面熔化層的顯微硬度與原有基材硬度相當(dāng)，約為Hv200，熔敷層中陶瓷硬質(zhì)點(diǎn)顯微硬度約為Hv1200，并且在1mm表面處理層中可以形成由材料內(nèi)部向材料表面粉體材料成分逐漸增加的梯度層。
實(shí)施例3預(yù)置粉體式熔敷表面處理采用本發(fā)明預(yù)置粉體式熔敷表面處理方法。所選用的基材、粉體材料以及工藝參數(shù)完全與實(shí)施例2相同，預(yù)置粉體厚度為0.1mm，預(yù)置方法是粉體漿料涂刷。
結(jié)果表明預(yù)置熔敷方法同樣可在不銹鋼表面形成厚度約為1mm、寬度約為4mm的熔敷帶，并得到與注入粉體熔敷處理相同的效果。所不同的是該方法不涉及粉末的供給工藝。這樣，對(duì)于一些流動(dòng)性較差的細(xì)粉，如顆粒粒度小于20μm的ZrO2氧化鋯粉末和40％ZrO2-60％Ni鎳包氧化鋯粉末，同樣可以應(yīng)用該工藝進(jìn)行材料表面強(qiáng)化處理。
權(quán)利要求
1.一種層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法，其特征在于采用直流非轉(zhuǎn)移式層流電弧等離子體發(fā)生器為熱源，發(fā)生器與工件間無(wú)電聯(lián)接，各自完全獨(dú)立，改變層流等離子體射流的能量、發(fā)生器出口與工件間的距離，發(fā)生器與工件間的空間夾角和相對(duì)移動(dòng)速度，對(duì)各種導(dǎo)電材料的工件表面進(jìn)行急冷急熱的相變、熔敷、熔凝強(qiáng)化或改性處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層流等離子體材料表面處理方法，其特征是發(fā)生器的輸入功率為1.5-15kW，射流束斑直徑為2-12mm，射流的平均能量密度為103-105W/cm2，發(fā)生器出口與工件表面間的距離為3-30mm，工件與發(fā)生器間的相對(duì)移動(dòng)速度為0.01-1m/min，發(fā)生器的軸線與工件表面法線間的立體角在0-45°范圍變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征是對(duì)隨溫度變化有相組織變化的合金材料，將工件表面快速加熱至材料的相變點(diǎn)以上熔點(diǎn)以下，然后自工件表面移開(kāi)射流束斑使其快速冷卻，進(jìn)行相變強(qiáng)化處理；或?qū)⒐ぜ砻婕訜嶂疗淙埸c(diǎn)，然后自工件表面移開(kāi)射流束斑使工件快速冷卻，進(jìn)行熔凝強(qiáng)化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征在于加熱工件表面至其形成微小熔池時(shí)，向熔池中注入陶瓷或復(fù)合相的粉體，進(jìn)行粉體注入熔敷強(qiáng)化處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征在于發(fā)生器加熱工件表面之前，先在工件表面預(yù)置粉體涂層，然后以層流等離子體射流加熱工件表面至其達(dá)到微熔為止，在工件表面形成預(yù)置異質(zhì)材料涂層或梯度表面涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征在于對(duì)基體材料為Mo-W-Cu鑄鐵進(jìn)行相變強(qiáng)化處理，采用下列工藝參數(shù)發(fā)生器弧電流100-200A、弧電壓40-50V、工作氣體Ar、工作氣體流量4.5-7.5l/min；工件相對(duì)于發(fā)生器的移動(dòng)速度＜0.4m/min、與發(fā)生器出口間的距離5-25mm、熱處理溫度800-1200K。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征是對(duì)基體材料為Mo-W-Cu鑄鐵進(jìn)行熔凝強(qiáng)化處理，采用下列工藝參數(shù)發(fā)生器弧電流100-200A、弧電壓40-50V、工作氣體Ar、工作氣體流量4.5-7.5l/min；工件相對(duì)于發(fā)生器的移動(dòng)速度＜0.4m/min、與發(fā)生器出口間的距離5-25mm、熱處理溫度1100-1400K。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的層流等離子體射流的材料表面處理方法，其特征是對(duì)基體材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行熔敷強(qiáng)化處理，采用下列工藝參數(shù)發(fā)生器弧電流100-200A、弧電壓40-50V、工作氣體Ar、工作氣體流量4.5-7.5l/min；熔敷粉末材料40％ZrO2-60％Ni、粒度＜25μm、供粉氣體流量0.1-0.7l/min工件移動(dòng)速度＜0.4m/min、與發(fā)生器出口間的距離10-25mm、熱處理或加熱溫度1100-1400K。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料表面處理工藝，涉及層流電弧等離子體射流的材料表面處理方法。本發(fā)明方法以直流非轉(zhuǎn)移式層流等離子體射流發(fā)生器為熱源，發(fā)生器與工件間無(wú)電的聯(lián)接，各自完全獨(dú)立，改變層流等離子體射流的能量、發(fā)生器出口與工件間的距離，發(fā)生器與工件間的空間夾角和相對(duì)移動(dòng)速度，對(duì)各種導(dǎo)電材料的工件表面進(jìn)行急冷急熱的相變、熔敷、熔凝強(qiáng)化或改性處理。本發(fā)明方法具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，獲得材料性能波動(dòng)小、高硬度的表面強(qiáng)化層。
文檔編號(hào)C23C4/00GK1501761SQ0215052
公開(kāi)日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月12日
發(fā)明者吳承康, 潘文霞, 馬維 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所