摘 要
本论文研究了了等离子喷焊Ni60A合金粉末试样的组织与性能。利用等离子喷焊在低碳钢A3基体表面喷焊一层Ni60A合金粉末，通过调整等离子喷焊的工艺参数，分析工艺参数对喷焊层性能的影响。本文就显微硬度、金相分析、X射线衍射（XRD）、快速磨损等试验结果，分析了喷焊层的组织结构、成分、力学性能及基体与喷焊表层的结合情况。
试验试验分析结果表明，合金粉末Ni60A等离子喷焊后形成的合金涂层具有一定耐磨性，等离子喷焊层和A3钢基体形成冶金结合，喷焊层是由各种化合物硬质相和基体组成，例如：γ-Ni (Cr,Fe)7C3 Cr2B (CrFe)23CB)6等组成，这些化合物相可以
提高涂层的硬度和耐磨性；当工艺参数焊接电流为45A，送粉速度为15%时，得到最佳硬度值为49~53HRC。
关键词：镍基自熔性合金粉末 等离子喷焊 耐磨损性能 组织性能 组织性能
Titil: The Influence of Spray Process On Coating Microstructure and
Properties Properties
Abstract
This paper investigates the microstructure and properties of the plasma of spray Ni60A alloy powder sample.Spray a layer of Ni60A alloy powderat the low-carbon steel A3 substrate surfaceof plasma spray welding. By adjusting the plasma spray welding process parameters , Analysis the influence of process parameters on the performance of spraying layer. This paper analyzes the organizational structure, composition, mechanical properties and combination of the substrate and the surface of the spray of spraying layer with the test results of Microhardness, metallographic analysis, X-ray diffraction (XRD) and rapid wear.
The experiment results show that, Alloy coating of alloy powder Ni60A after plasma spray has certain wear resistance; The plasma spray welding layer and A3 steel substrate to form metallurgical bonding; Spraying layer is composed of a variety of compounds of hard; For example: γ-Ni, (Cr,Fe)7C3, Cr2B, (CrFe)23CB)6 and other components, These compounds can improve the hardness and wear resistance of the coating；When the process parameters welding current is 45A, the powder feeding rate of 15%, get the best hardness value of 49 ~ 53 HRC.
Keyword : Ni-based self-fluxing alloy powder Plasma spray welding
Wear resistance Structure and Properties
目 录
第一章 绪 论 ...................................................... 1
1.1 选题背景及意义 ................................................ 1
1.2等离子喷焊的发展 .............................................. 1
1.2.1 等离子喷焊产生 ............................................ 1
1.2.2国外等离子喷焊发展及应用 .................................. 1
1.2.3国内发展及应用 ............................................ 1
1.2.4前景 ...................................................... 2
1.3等离子喷焊 .................................................... 3
1.3.1定义 ...................................................... 3
1.3.2基本原理 .................................................. 3
1.4等离子喷焊特点 ................................................ 3
1.4.1等离子喷焊的设备 .......................................... 3
1.4.2等离子弧 .................................................. 4
1.4.3等离子弧焊的特点 .......................................... 5
1.4.4等离子弧焊的基本方法 ...................................... 5
1.4.5与其他表面喷焊相比 ........................................ 6
1.4.6等离子弧焊的工艺参数 ...................................... 7
1.5等离子喷焊合金粉末及应用 ...................................... 8
1.5.1铁基合金材料 .............................................. 8
1.5.2镍基合金粉末 .............................................. 8
1.5.3钴基合金粉末 .............................................. 9
1.5.4铜基合金粉末 .............................................. 9
1.5.5金属陶瓷及其复合合金粉末 .................................. 9
1.5.6非自熔性合金材料 ......................................... 10
1.6等离子喷焊优点及常见问题 ..................................... 10
1.6.1优点 ..................................................... 10
1.6.2常见问题及解决 ........................................... 11
1.7等离子喷焊工业应用 ........................................... 12
1.8本文研究的内容及意义 ......................................... 12
第二章 实验方法及实验设备 ....................................... 13
2.1实验材料 ..................................................... 13
2.1.1基体材料 ................................................. 13
2.1.2喷焊材料 ................................................. 13
2.2实验设备 ..................................................... 13
2.2.1喷焊设备 ................................................. 13
2.2.2金相试样抛光机 ........................................... 15
2.2.3金相显微镜 ............................................... 15
2.2.4洛氏硬度计 ............................................... 15
2.2.5显微硬度计 ............................................... 15
2.2.6 X-ray衍射仪（XRD） ...................................... 15
2.2.7快速磨损试验机 ........................................... 16
2.3实验方法 ..................................................... 16
2.3.1喷焊试验方法 ............................................. 16
2.3.2喷焊工艺参数 ............................................. 16
2.3.3喷焊层试样的制备及组织观察 ............................... 16
2.4喷焊层组织分析及性能测定 ..................................... 17
2.4.1宏观硬度测试 ............................................. 17
2.4.2显微硬度测试 ............................................. 17
2.4.3喷焊层物相分析 ........................................... 17
2.4.4 耐磨性试验 ............................................... 17
第三章 喷焊层的微观组织与性能分析 ............................... 18
3.1喷焊层硬度分析 ............................................... 18
3.1.1 喷焊层的宏观硬度 ......................................... 18
3.1.2 喷焊层显微硬度 ........................................... 19
3.2喷焊层的快速磨损性能 ......................................... 21
3.3喷焊层显微组织分析 ........................................... 22
3.3.1喷焊层的微观组织特点 ..................................... 22
3.3.2熔合区，热影响区及母材区的微观组织特点 ................... 26
3.4焊接缺陷 ..................................................... 26
第四章 结论 ...................................................... 28
致 谢 ........................................................... 29
参考文献 ......................................................... 30
第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
机械构件往往处于复杂和苛刻的条件下工作，大量设备常常因磨损、腐蚀等原因而失效、报废。据资料介绍，美国由于磨损每年所造成的损失是：飞机产品134亿美元，船舶产品64亿美元，汽车产品400亿美元。我国根据电力、冶金、采矿、农机等部门的不完全统计，每年在备件方面消耗的钢材达200万吨以上。国家科委组织对材料金属腐蚀的情况表明：由金属腐蚀造成的损失每年高达l00～150亿元之多。因此发展金属表面工程技术、提高机械零件表面的耐腐蚀、耐磨损的性能，是当前非常重要的课题[7]之一。而等离子喷焊是利用等离子孤作为高温热源，采用粉末状合金作为填充金属的一种熔化焊工艺。其修复后金属构件的力学性能优良，外形美观，是金属构件修复的重要手段，被国内外广泛研究与应用。
1.2等离子喷焊的发展
1.2.1 等离子喷焊产生
热喷焊技术是由热喷涂技术发展起来的。早在1910年，瑞士工学博士M U Schoop 发明了第一个金属喷涂装置：金属熔液式喷涂。从此，其致力于喷涂装置的改进，于1912年制成了线材火焰喷枪。1913年提出了电弧喷涂的设计，并于1916年制成了实用型的电弧喷枪。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法，在30年代得到了发展，美国METCO金属喷涂工程公司成立后，相继研制出用空气涡轮送丝的E型系列喷涂枪以及用马达送丝的K型系列喷枪。第二次世界大战初期，自熔性合金粉末出现，粉末火焰喷涂盛行，“火焰喷涂”几乎成了热喷涂的代名词。50年代末期，美国METCO公司也致力于研究能够喷涂陶瓷涂层的等离子喷涂设备
[28][5]。到了60年代，等离子喷涂技术已经可以工业上应用，60年代中期等离子弧热喷
[3,9]焊技术已经研制成功。
1.2.2国外等离子喷焊发展及应用
80年代，热喷涂技术又有了新的发展。突出表现在超音速火焰喷涂研制成功和热喷涂设备中电子计算机的应用，使热喷涂涂层向着更高的质量和精密化方向发展
[3]。此后，热喷涂技术进一步应用于工业部门的大批量生产，其发展速度有了大幅度
欧美国家对等离子弧热喷焊技术的研究比较早，如今已形成大规模的开发、研制、提高，“热喷涂工业”真正成长起来。 生产基地。涌现出一大批跨国公司，如美国的Miller公司，瑞士的CastCin公司等。他们分别开发了自己的一系列产品，并在实际应用中不断改进。在日本，等离子弧热喷焊起步相对较晚，但比较注重世界一流设备的引进和研究，近几年来发展迅速。
1.2.3国内发展及应用
我国热喷涂技术的应用始于40年代末期，50年代开始制造线材火焰喷枪和粉末气喷枪。60年代初成功研制了封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和陶瓷粉末气喷枪。60年
代中期开始发展等离子喷涂设备和自熔性合金粉末制造技术。60年代末期开始研究等离子弧热喷焊技术，同时开发粉末火焰喷焊技术。70年代各种喷涂方法就已经相继运用于生产，其中电弧喷涂和火焰喷涂技术大量应用于修复。1981年我国召开了推广应用热喷涂技术的工作会，并开始在全国推广应用，热喷涂设备和材料的生产体系基本形成了。
与先进国家相比较，我国等离子弧热喷焊先进技术的研究依靠高校和科研机构。西北工业大学进行脉动等离子弧热喷焊技术研究，在工件和喷枪阳极(喷嘴)之间接入高频IGBT无触点开关，实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作，实现了等离子弧热喷焊的单一电源工作。西安交通大学研究适宜于AI、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备，其由两台直流电源分别给主弧的正、负半波供电，对工件(铝)实现了变极性焊接，这不仅使电弧稳定，还有阴极清理作用。
等离子焊接设备中要控制的对象比较多，包括高频振荡电源、转移弧整流电源、喷焊机床、送粉器、摆动机构等等，对其中任一部分的改变都可能影响喷焊性能。程控系统是用传统的继电器逻辑电路及二极管矩阵逻辑电路，系统组件的集成程度不高，维修或修改工艺程序时均不方便，系统反应也比较慢，可以在设备中引入单片机或可编程控制器，提高设备的可靠性、稳定性和工艺适应性。兰州理工大学研制了以单片机80C196KC为核心的自动等离子弧热喷焊的控制系统，实现了等离子弧热喷焊设备的小型化、控制微机化和操作自动化。目前，等离子弧热喷焊设备正向设备小型化、大功率、智能化的方向发展。随着高新技术的发展。复合材料得以广泛应用。由于等离子弧热喷焊技术所采用的粉料易于调节，这又是一种制备复合材料的新方法。等离子弧热喷焊喷焊枪自身的摆动，可制备厚度和面积都比较大的块材。天津大学杜则裕等人通过对铁基粉末Fe07、Fe9A的研究，发现等离子弧热喷焊可提高金属零件的表面耐磨、耐腐蚀性能，从而获得符合质量要求的喷焊层，这对改善机械零件表面性能有重要意义。在石化工业中，关键零部件(阀座、阀芯等)喷焊Ni基、Co基材料对提高其耐磨、耐腐蚀等有良好效果。
等离子弧热喷焊技术始终受到国家的重视，一直是“六五”、“七五”规划的重点推广项目，也获得了一定的技术经济效益，随着对新材料的进一步开发和应用，等离子弧热喷焊技术也将不断的完善和发展。在未来经济发展中，等离子弧热喷焊技术会发挥巨大作用。
1.2.4前景
等离子弧热喷焊技术可用于制备性能优良的复合材料。因此，改变粉末的配比，使复合材料层与层之间的成分达到连续变化，同时调节射流的速度和温度等参数，使组织变化，以制备性能优越的梯度功能复合材料，这对生产和科研工作都具有积极意义[6]。
设备控制方面，在等离子弧热喷焊设备中引入可编程控制器的方法已逐步得到应
用，但许多人将PLC仅作为一种替代传统的继电器控制系统的逻辑顺序控制器，使PIE的软件功能不能充分发挥[8]。增强设备的工艺适应性和稳定性，充分发挥PIE 控制的软件功能方面，有广泛的研究前景[2,3]。等离子弧热喷焊技术是一种具有发展前景的表面强化技术。随着工业发展，对机械产品的寿命和材料性能都提出了更高的要求。等离子弧热喷焊的产品质量稳定，易于实现自动化，尤其是修补喷嘴环、转子等一些昂贵的零部件时，显著的经济性和可靠性就显现出来了。在未来发展中，将发挥巨大作用。
1.3等离子喷焊
1.3.1定义
等离子喷焊是利用等离子弧作高温热源，粉末状合金作为填充金属的一种熔焊工艺[5]。喷焊用氩气作电离气体，通过调节各工艺参数，可获得熔深浅、冲淡率低、成形平整光滑的优质熔敷层。
1.3.2基本原理
等离子喷焊采用转移型等离子弧为主要热源，在金属表面喷焊合金粉末的方法。一般采用两台整流电源，将负极并联在一起，通过电缆接至喷枪的电极，其中一台电源的正极接喷枪的喷嘴，用于产生非转移弧；另一台电源的正极接工件，用于产生转移弧。喷枪的喷嘴和电极通水冷却，采用氩气作等离子气，首先用高频火花点燃非转移弧，然后利用非转移弧在电极和工件之间选成的导电通道引燃非转移弧，在建立转移弧的同时，由送粉器向喷枪输送粉未，粉未通过电弧后喷射到工件上。转移弧建立后，就在工件上形成了熔池，使合金粉未在工件上熔融。随着喷枪和工件的相对移动，液态合金逐渐凝固，便形成了合金喷焊层 。等离子喷焊包括喷涂和重熔两个过程，但这两个过程是同时进行的。在喷涂过程中，粉末通过弧柱的加热，一般以半融化状态积极到工件上。重融过程是粉末在工作上的融化过程，落入熔池的粉末立即进入转移弧的阳极区，受到高温加热而迅速融化，并将热量传递给基材[30]。等离子喷焊熔深较浅，使得基材对合金的冲淡率低，同氧-乙炔火焰喷焊相比较，电弧对熔池的搅拌作用较强，熔池的冶金过程进行的比较充分，喷焊层气孔和夹渣少。
1.4等离子喷焊特点
1.4.1等离子喷焊的设备
1．等离子弧焊设备的组成
和钨极氢弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路系统和水路系统等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车（或转动夹具）、控制电路、气路系统及水路系统等部分组成。
2．焊接电源
下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源。用纯
氩作为离子气时，电源空载电压只需65-80V；用氩氢混合气时，空载电压需110-120V。大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。 30A以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧，用高频或接触短路回抽引弧。由于非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源。
3．气路系统
等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气。为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气可分两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现离子气流衰减控制。
4．控制系统
手工等离子弧焊机的控制系统比较简单，只要能保证先通离子气和保护气，然后引弧即可。自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频发生器，小车行走。填充焊口逆进拖动电路及程控电路组成。程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧。延迟停气等控制要求。
1.4.2等离子弧
1．等离子弧的概念
等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达105~106W/cm2，电弧温度可高达24000～5000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在104W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。
2．等离子弧的产生
在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。
（1）机械压缩效应（作用）——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。
（2）热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。
（3）电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩
电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。
当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。
3．等离子弧的特性
等离子弧能量密度可达10000--100000W/cm2，比自由钨弧(约10000W/cm2以下)高，其温度可达18000～24000K，也高于自由钨弧(约5000～8000K)很多。
等离子弧的静特性曲线接近U形。与自由钨弧比较最大区别是电弧电压比自由钨弧高。此外，在小电流时，自由钨弧静特性为陡降(负阻特性)的，易与电源外特性曲线相切，使电弧失稳。而等离子弧则为缓降或平的，易与电源外特性相交建立稳定工作。 等离子弧呈圆柱形，扩散角约5度左右，焊接时，当弧长发生波动时，母材的加热面积不会发生明显变化，而自由钨弧呈圆锥形，其扩散角约45度，对工作距离变化敏感性大。等离子弧的挺直度非常好。由于等离子弧是自由钨弧经压缩而成，故其挺度比自由钨弧好，焰流速度大，可达300m/s以上，因而指向性好，喷射有力，其熔透能力强。
4．等离子弧的类型
按电源连接方式的不同，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。
（1）非转移型等离子弧：钨极接电源负端，焊件接电源正端，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在等离子气体压送下，弧柱从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
（2）转移型等离子弧：钨极接电流负端，焊件接电流正端，等离子弧产生的钨极和焊件之间。因为转移弧能把更多的热量传递给焊件，所以金属焊接、切割几乎都是采用转移型等离子弧。
（3）联合型等离子弧：工作时非转移弧和转移弧同时并存，故称为联合型等离子弧。非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用，转移弧直接加热焊件，使之熔化进行焊接。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊。
1.4.3等离子弧焊的特点
由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，故可提高焊接生产率。
此外，等离子弧对焊件的热输入相对较小，焊缝截面形状较窄，深宽比较大，呈“酒杯”状，热影响区窄，其焊接变形也小。由于等离子弧呈圆柱形，扩散角小，挺直度好，所以焊接熔池形状和尺寸受弧长波动的影响小，因而容易获得均匀的焊缝成形，而TIG焊随着弧长的增加，其熔宽增大，而熔深减小。由于等离子弧的压缩效应及热电离充分，所以电弧工作稳定，特别当联合型等离子弧在小电流(0.1A)焊时，仍具有较平的静特性配用恒流(垂降)电源，能保证焊接过程非常稳定，故可以焊接超薄构件。
1.4.4等离子弧焊的基本方法
常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊三种
（1）小孔型等离子弧焊：使用较大的焊接电流，通常为50～500A，转移型弧。
施焊时，压缩的等离子焰流速度较快，电弧细长而有力，为熔池前端穿透焊件而形成一个小孔，焰流穿过母材而喷出，称为 “小孔效应”。随着焊枪的前移，小孔也随着向前移动，后面的熔化金属凝固成焊缝。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限厚板内进行焊接。
（2）熔透型等离子弧焊 当等离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时，此种等离子弧在焊接过程中只熔化焊件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与钨极氩弧焊相似，称为熔透型等离子弧焊，主要用于厚度小于2～3mm的薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。
（3）微束等离子弧焊 焊接电流30A以下熔透型焊接称为微束等离子弧焊。采用小孔径压缩喷嘴（ф0.6mm～ф1.2mm）及联合型弧，当焊接电流小至1A以下，电弧仍能稳定地燃烧，能够焊接细丝和箔材。
1.4.5与其他表面喷焊相比
等离子喷焊利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其它表面喷焊方法相比较，具有以下特点（表 1-1） [10,11]：
表 1-1 焊接方法的比较
1.良好的可控性和低冲淡率
等离子喷焊可以在很大的范围内调节热输入。除了改变输入功率外，还可以改变气体的种类、流量以及喷嘴的尺寸调节等离子弧的热能和温度；选择不同的工作气体可以获得惰性气氛、还原性气氛和氧化性气氛。由于工艺上可调节的参数很多，热输入可控，合金粉末在弧柱中预热，喷射过渡到熔池，有缓冲电弧吹力的作用，熔池受热均匀，故可控制母材熔深，降低母材对合金的冲淡率，冲淡率一般是可以控制在5%～15%以内。
2.喷焊层质量和工艺稳定性好
因为等离子弧是压缩电弧，具有很好的稳定性，故外界因素的干扰(如周围气流流动、喷距高低、喷焊位置不同等)对电弧稳定性影响比较小，使工艺易于稳定。合金粉末熔化地充分，故飞溅少，熔池中的熔渣和气体也易于排除，容易消除焊层内的夹渣、气孔等缺陷。等离子弧的温度高，热量相对集中，喷焊速度较快，一次熔成，工件的热影响区小，可以控制热输入量，调整热影响区的尺寸和硬度，降低裂纹敏感性，避免由晶粒粗化、马氏体转变或应变时效等原因产生的质量缺陷。
3.合金粉末制备简单，使用材料范围广
喷焊用的合金粉末是熔炼后直接雾化成球状粉末，方便制备，不像丝极材料那样，受铸造、轧制、拔丝等加工工艺限制。可按所需配方，熔炼不同成分的合金粉末，获得各种性能的合金喷焊层。
4.生产率高
等离子喷焊热量集中，喷焊的速度接近生产率高的埋弧自动焊。喷焊过程可以自动进行，易于实现机械化和自动化操作。
1.4.6等离子弧焊的工艺参数
1．焊接电流
根据板厚或熔透要求来选定焊接电流。如果焊接电流过小，则难于形成小孔效应：当焊接电流增大，等离子弧穿透能力也会增大，但电流过大则会因小孔直径过大而造成熔池金属坠落，难以形成合格的焊缝，甚至会引起双弧，即损伤喷嘴又破坏焊接过程的稳定性。故此，为了获得稳定的小孔焊接过程，在喷嘴结构确定后，焊接电流只能在某一个与离子气的流量有关的合适的范围内选择。
2．焊接速度
焊接速度是根据等离子气流量及焊接电流来选择的[4]。其他条件一定时，焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等工艺参数应相互匹配。
3．喷嘴离工件的距离
如果距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作；喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低。喷嘴离工件的距离一般取3～8mm。喷嘴距离变化对焊接质
量的影响没有钨极氩弧焊敏感。
4．等离于气及流量
等离子气及保护气体一般是根据被焊金属及电流大小来选择的。大电流等离子弧焊接时，为了保证电弧的稳定性，等离子气及保护气体通常采取相同的气体。小电流等离子弧焊接通常采用电离电压较低的纯氩气作等离子气，可保证电弧引燃容易。
离子气流量由等离子流力和熔透能力决定。等离子气的流量越大，则熔透能力越大。但等离子气流量过大，就会使小孔直径过大，不能保证焊缝成形。因而，应根据等离子气的种类、喷嘴直径、焊接电流及焊接速度选择离子气流量。利用熔入法焊接时，为了减小等离子流力，应适当降低等离子气流量。
5．引弧及收弧
厚板利用穿孔法焊接，引弧及熄弧处容易产生气孔等缺陷。直缝可采用引弧板和熄弧板解决，在引弧板上形成小孔，然后过渡到工件上，最后将小孔在熄弧板上闭合。不便加引弧板和收弧板的大厚度的环缝，应采取焊接电流和离子气递增的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔后，利用电流和离子气流量衰减法来收弧闭合小孔。板厚小于3mm时，可直接在工件上引弧和收弧。
6．接头形式和装配要求
工件厚度小于1.6mm，采用微束等离子弧焊，接头形式有端面接头、对接、卷边对接、卷边角接。
工件厚度大于1.6mm时，I形坡口，用穿孔法单面焊双面成形一次焊透。工件厚度较大时，则根据厚度不同，可开V形、U形或双V形、双U形坡口。
1.5等离子喷焊合金粉末及应用
使用合适的合金粉末，调整喷焊的工艺参数，就能用于多种构件的喷焊修复及表面处理[20,22]。
1.5.1铁基合金材料
铁基合金粉末以铁为基体，含有铬、硼、硅元素，形成 Fe-Cr-B-Si 系自熔性合金。目前应用广泛，为了提高合金的抗蚀性、耐磨性或使晶粒细化等性能还可以加入适量的Co、Ni、Mo、Cu、Mn、V等其它元素。铁基合金一般含铬量较高，具有一定的耐腐蚀和抗氧化性。主要分为耐金属间磨损和耐低应力磨粒磨损。
几种常用铁基粉末型号是WF311、WF3I2、WF331、WF342、WF371、WF372、WF374等．这些粉末被广泛用于通用阀门的阀板、阀座密封面喷焊以及耙路机的耙齿、犁铧或刮板的顶部、铲齿、刀片、各种破碎机锤头和挖土机齿喷焊。石油钻杆接头的喷焊等。其使用寿命可比原来高1～5倍以上．近几年研制的WF342可在铸铁基体上进行喷焊，如蝶阔密封面上喷焊WF342，可以达到国际同类产品的先进水平。
1.5.2镍基合金粉末
镍基合金粉末以镍为基体，含有铅和硼硅元素的Ni-Cr-B-Si系自熔性合金，是最
早的喷焊材料。
常用的几种型号有WF2I3、WF216等。镍基台金综合性能较好，一般都具有良好的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化和较好的红硬性等，可作为阀门密封面喷焊材料。在浓盐酸中工作的高压泵柱塞密封面喷焊该材料，较35CrMo渗碳，提高寿命5倍以上。也可用于化工和石油阀门，挤压机螺杆及简体、螺旋推进器、链轮齿和振动器杆件等修复。对于高温、高冲击条件下要求耐金属间磨损的场合如：热冲模、热挤压机模子、量尺寸的塞模、热前叶片、轧机导向向辊夹，高炉料钟密封面等修复和堆焊。
1.5.3钴基合金粉末
钴基合金粉末基体是钴和铬的合金固熔体，均匀分布着 W、V、Mo等碳化物，Co-Cr-W-B-Si自熔性合金粉末和Co-Cr-W-C/Mo-Ni-Fe系列钻基粉末具有较高的强度和良好的抗氧化和耐腐蚀性能，其强度和硬度可保持在600～800℃以上，具有良好的耐高温、耐腐蚀和耐气蚀性能。由于基体上分布着相当数量的富铬M7C1型碳化物，故也具有较高的耐磨料磨损性能。宜用于要求高温、耐磨并兼有耐蚀(或耐气蚀)的工况条件。
钴基粉末常用型号有WF1II,WFI 4I, WFI51，在相当宽的温度范围内，具有优良的耐多种机械和化学因素复合作用的性能。 合金具有极好的自啮合抗粘着磨损性能。这些粉末广泛地用作各种高中压阀门，电站蒸汽阀门等密封面喷焊，和各种内燃机进排气阀门的密封面和顶端喷焊。此外，该合金也常用在各种要求高温硬度或耐气蚀、磨损场合如舰艇用大型轴承的内外环、大型水轮机转子叶片、透平机叶片、榨油机推进器等的喷焊。粉末中提高钨的含量可广泛地用于各种刀具，特别是毡层、塑料、纸张和化学工业上各种刀刃的堆焊，堆焊的刀刃允许用比工具钢更高的速度进行切削，寿命可提高2～4倍，还适宜用于各种热模具的堆焊(堆焊层碳化物是M23C1类型，韧性较好)，因堆焊层还具有耐粘着磨损和耐气蚀磨损性能，也常用作各种液阀、阀座堆焊。
1.5.4铜基合金粉末
铜基合金粉末是目前等离子喷焊用的新一类合金粉末。主要有低磷锡青铜和锡青铜，粉末型号为WF411、WF412，该种类粉末应用于低压阀门(铸铁基体）密封面的等离子喷焊，特别是大口径低压阀，DN300以的阀门密封面上喷焊铜基台金粉末。其技术效益和经济效益十分显著，也可用于复合材料、轴瓦 配油盘以及需要镶铜合金的工件。
1.5.5金属陶瓷及其复合合金粉末
合金具有高的红硬性、高温强度、能耐高应力金属间磨损，如开缝铜管喷焊该合金粉末可提高寿命5倍以上，还可应用于冶金机械如导位板，热冲模等多种工件。
金属陶瓷及其复合合金材料亦可用于常温、高应力磨粒磨损、高应力、冲击载荷工况，如冷冲模、切边模、拉伸模、矿石破碎机等工件，亦提高寿命5倍以上。
1.5.6非自熔性合金材料
为提高材料的可焊性，即避免喷焊时开裂现象，提高焊层的疲劳强度，这些材料可制成非自熔性的合金材料，如马氏体台金钢，奥氏体高锰钢和马氏体不
锈钢系列合金粉末，这些材料能承受较大冲击和中等程度的金属磨损。常用于齿轮、矿山车轮及轴、链轮、导轮、起重机轴、吊车、翻斗机的轴、挖淘的辊和拖拽轮等零件修复。
合金可满足要求耐冷、热疲劳、耐磨损和承受高的载荷的热加工工作条件，主要应用于热轧工作辊、钢轧锟、支撑辊、夹送辊、连铸机辊及导卫辊、校直辊
的喷焊。合金可满足严重冲击和中等轻微磨料磨损场合，焊层具有高韧性并可能被加工硬化、广泛应用于破碎机辊、挖土机零件、破碎机的锤或飘顿等零件的修复。
1.6等离子喷焊优点及常见问题
1.6.1优点
由于等离子电弧具有较高的能量密度，温度及刚直性（能量密度可达10000～100000w/cm2，弧柱中心温度可达18000～24000K以上，焰流速度可达300m/s以上），因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点：
（1） 能量密度大，电弧方向性强，融透能力强，在不开坡口，不加填充焊丝的情况下可一次焊透8至10mm厚的不锈钢板，与钨极氩弧焊相比，在相同的焊缝熔深情况下，等离子焊接速度要快得多。
（2）焊缝质量对弧长的变化不敏感。这是由于等离子弧的形态接近圆柱形，发散角很小（约5度），且挺直性好，弧长变化对加热斑点的面积影响很小，因此容易获得均匀的焊缝形状。若按钨极氩弧焊的扩散角为90度，等离子焊扩散角为5度计算，电弧断面变化20%时,钨极氩弧焊的焊炬高度只允许变化±0.12mm,而等离子焊则可变化±1.2mm,这对保证焊缝成形和焊缝均匀性都十分有益。
（3）钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可有效避免焊缝金属产生夹钨现象。另外，电弧搅动性好，熔池温度高，有利于熔池内气体的释放。
（4） 等离子电弧由于压缩效应及热电离度较高，电流较小时仍很稳定。配用新型的电子电源，焊接电流可以小到0.1A，这样小的电流也能达到电弧稳定燃烧，因此特别适合焊接微型紧密零件。
（5）焊缝的深宽比大,热影响区小,适合焊接某些可焊性差的材料和双金属等
（6）可以产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊的时候可以获得良好的单面焊双面成型。
（7）焊接成本低，与一般氩弧焊相比，可省电1/3～1/2,省气1/2～2/3，且在焊接厚度较小的情况下，无需填丝。
1.6.2常见问题及解决
1．焊层厚度不够
根据设计要求，该设备的焊层厚度应达到4mm以上，而实际所焊的焊层厚度不足2.5mm，不能满足产品，对焊层厚度的要求。
图1-1
为此，经对该问题进行分析和排查，认为这可能是因供粉量不足造成的，因此加大供粉量进行试验，但是仍无任何效果。通过对该设备供粉机构(见图1-1)的控制原理的分析，找到问题的根源。首先将焊粉由注粉孔注入储粉室中。工作时，进气阀被打开，气体经分流器后分为两路，一路加至储粉室上端；另一路加至送粉调节器中。此时送粉电动机启动，带动送粉盘转动，此时在气体压力和自重的作用下，储粉室中的焊粉由储粉室底部调节螺母上的小孔流人送粉室中的送粉盘上，送粉盘又将焊粉转送到挡粉板处。在挡粉板的作用下，焊粉被送至送粉室底部的出粉孔处。出粉孔下端与送粉凋节器的进粉输人口相连接。图1-2所示为送粉调节器结构图。送粉调节器有一个进粉输人口和一个送粉气输人口。一个送粉气输出口。从图1-2可看出，由送粉输人口流进送粉调节器的气体，通过焊粉气输出口流出至焊枪。送粉气在送粉调节器中流动时，将在其腹腔内形成一受送粉气流量控制的负压。负压随送粉气流量加大而增高。负压对进入腹腔中的焊粉产生一定吸力，使焊粉随同送粉气一起输至焊枪。负压加大，吸力也增大，输至焊枪的焊粉量增多。由此可见，受送粉气流量控制供粉量大小。造成上述问题的主要原因是送粉气流量过小。
2．停焊时堵枪
对整个喷焊过程观察发现，喷焊时，焊粉在图1-1所示出粉孔处堆积。这是因为停焊时，堆积的焊粉就会经送粉调节器流入焊枪。这样每次焊接结束后都需对焊枪进行清理。
图1-2
从图1-1可以看出，储粉室下端的调节螺母是可上、下调动的。调节螺母，就是调节螺母底部与送粉盘间距，从而控制流至送粉盘的焊粉量。当送至出粉孔处的焊粉量比喷焊过程中所消耗的焊粉量多时，多余的焊粉就会堆积在出粉孔处。停焊时，进气阀关闭，气源断开，则堆积的焊粉就会流入焊枪堵枪。
调节螺母至最佳位置，使送至出粉孔处的焊粉量与喷焊中所消耗的焊粉量基本相当，这样就消除了焊粉堆积现象，解决了停焊时的堵枪问题。
1.7等离子喷焊工业应用
等离子喷焊工艺属于表面强化技术领域 它是以等离子弧为热源，以 一定成分的台金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。改善机械零件的表面性能．提高零件表面的耐磨、耐蚀性能，使用等离子喷焊具有重要的意义。
多年来 这项工艺已经在阔门、农机、模具、矿山机械等部门得到了成功的应用，随着工业发展对机械产品的寿命提出了更高的要求．对于机械零件表面性能的要求也越来越高。
1.8本文研究的内容及意义
电站高温安全阀工作温度设在400～600℃，同时要承受开启和关闭时的磨损，目前厂家多采用手工电弧堆焊，然后采用复杂的制造工序来生产安全阀密封面，生产工序多，成本高并且受堆焊材料限制，安全阀的质量还存在不足。
本论文应用等离子喷焊技术强化安全阀密封面，在低碳钢A3上喷焊合金粉末，形成熔敷层。并对熔敷层及喷焊层的组织成分力学性能进行分析。进一步证明，等离子喷焊在节省工序、降低成本、改善机械零件的表面性能、提高零件表面的耐磨性能具有重要的意义。
第二章 实验方法及实验设备
2.1实验材料
2.1.1基体材料
此实验选用普通低碳钢A3钢为基体材料，其成分如表2-1。
表2-1 低碳钢A3的化学成分（Wt%）
2.1.2喷焊材料
等离子喷焊材料除了满足使用性能的要求外，还要满足工艺性能的要求，主要包括:(1)材料应具有良好的热稳定性、粉末的固态流动性和与基体良好的浸润性。(2)材料的热膨胀系数和导热率应与工件材料相近。(3)喷焊粉末的粒子尺寸和粘度要满足设备的要求[14]。
基于本次实验的目的，要测试出镍基自熔性合金粉末自身的焊接性，选择的基材是低成本，浸润性良好的低碳钢A3；选择的喷焊材料是热稳定性和流动性良好，粒子尺寸和粘度都适合的Ni60A合金粉末。
此实验选用镍合金粉末Ni60A（-140~+320目）为喷焊材料，其成分如表2-2。
2.2实验设备
2.2.1喷焊设备
本实验所用的是德国生产的等离子喷焊设备，型号是Eutronic GAP 2000 DC等离子转移弧焊机，如图2-1所示。喷焊系统结构连线示意图，如图2-2所示.
设备特点：高能量密度，高熔敷速度，低稀释效应，熔敷层均匀而无气孔，再现性高，焊接时间短，焊后几乎无需机械加工。
技术参数：
维弧电流：0.1-10A 焊接电流：0.3-160A 直流开路电压：100V 暂载率：160A 100% 主要输入电压：3×380V/415V/50Hz 最大输出功率：12KVA/100% 熔断器：32AT/400V
防护等级：IP23
电源尺寸：600×400×560mm
电源重量：30kg
2.2.2金相试样抛光机
本论文所选用的金相试样抛光机为PG-2C型。技术参数：规格：立式、双盘；抛盘直径：220mm；转速：900r/min
2.2.3金相显微镜
本实验所使用的显微镜型号为OLYMPUS的GX51。光学系统为UIS2。观察方法：明视场/暗视场/微分干涉/简易偏振光。照明装置：明暗视场摇杆切换。微调灵密度:微调旋钮转动1周移动0.1mm.UIS目镜 10X; UIS物镜 5X,10X,20X,50X,100X;放大倍数10～1000. 外形尺寸：280（W）×711（D）×425（H）mm。重量:28kg.
本实验中，根据具体情况，只选用了20X，50X。
2.2.4洛氏硬度计
洛氏硬度计（台式硬度计）为在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。洛氏硬度试验机采用洛氏（ROCKWELL）测量原理，用于碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及工程塑料等材料的硬度检测，具有测试精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印或与外部计算机通讯等特点。
2.2.5显微硬度计
显微硬度计是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值[12,13]。
维氏硬度值计算公式如下：
θ2psin=1.8544pHv=d2d2
式中Hv—维氏显微硬度(kg/mm2)；
P—所加载荷(kg)；
θ—压头相对面夹角，136°；
d—压痕对角线的长度(mm)。
2.2.6 X-ray衍射仪（XRD）
X射线衍射方法是最常用的结构分析方法之一，广泛地应用于研究材料的晶体结构和进行物相分析。
本论文所用X射线衍射仪为日本理学的Dmax-RB，用连续扫描，扫描范围为30˚
到120˚；扫描速度为5˚/min；管电压：40 kV；管电流：30 mA；功率为：1.2kw；发散狭缝：1˚；接收狭缝(RS)：3 mm；防散射狭缝：1˚。
2.2.7快速磨损试验机
本论文所选用的名为SKODA的快速磨损实验机，主要用途：该机主要用于中高档汽车齿轮油，如GL—3、GL—4、GL—5等抗擦伤行性能的模拟评定，也可用于各种金属、非金属材料及涂层等的性能研究[23]。
实验中选用相关技术参数如下：
1、实验所加载荷为：5㎏
2、最大测定摩擦力为：300N
3、主轴转速为：675 r/min
4、试验油温度范围为：室温
5、标准试环尺寸为：φ30mm×2.5mm
6、标准试环材质为：硬质合金
7、试样磨损转数为：3000r
8、试验机外形尺寸（长×宽×高）mm:1000mm×700mm×1600mm
2.3实验方法
2.3.1喷焊试验方法
在尺寸为25ⅹ25ⅹ8（mm）的A3钢基板上进行喷焊Ni60A粉末，喷焊工艺流程如下：工件的清洗、除油→工件的表面喷砂处理→等离子弧喷焊→焊后冷却→工件的焊后处理。
2.3.2喷焊工艺参数
本实验选取对喷焊层影响较大的焊接电流、送粉速度等焊接参数作为变量来分析焊接参数对喷焊层质量以及性能的影响。
表2-3 等离子喷焊焊接工艺参数
2.3.3喷焊层试样的制备及组织观察
基体试板采用低碳钢。对基体进行除油、除锈、粗化处理，以提高基体表面的结
合强度，然后在试样表面进行等离子喷焊。
金相试样的制备包括切样、嵌样、磨样、抛光等步骤。由于焊层较硬，采取线切割的方法来切割试样。在喷焊试件上切出15x15(mm)大小的试样，上表面用砂轮和砂纸打磨出一个至少10x10(mm)的平整光洁区域做金相观察。注意试样在打磨时应保证磨面的光洁。最后，将做好的金相试样用腐蚀液（水+酒精+4%硝酸酒精溶液）进行腐蚀。在XJP-3C光学显微镜下进行观察，达到要求后分别用卧室光学显微镜和JSM-5600LV型扫描电子显微镜（SEM）对微观组织进行观察及照相。
喷焊层金相观察的主要内容有:喷焊层的组织形貌、喷焊层与基体过渡区的结合状况、喷焊层中气孔的大小及分布状况。以喷焊层试样的横断面作为观察面。
2.4喷焊层组织分析及性能测定
2.4.1宏观硬度测试
本实验采用HR-150A型洛氏硬度计测定喷焊层的表面硬度。金刚石压头，加载载荷为150kg，加载时间为10s。测量前用砂轮机将喷焊层上表面磨出一个平面区域。测量时在喷焊层表面上均匀的测五个点硬度然后取平均值，用平均值来衡量喷焊层表面的宏观硬度。 2.4.2显微硬度测试
由于喷焊方法和喷焊条件的差别，决定焊层硬度的焊层结晶微粒的大小与结构、气孔的多少与大小、氧化物等化合物的含量就有差异，其硬度也就有所不同。由于焊层具有多相结构的非均一性，宏观硬度难以全面反映焊层的性能。所以采用金相显微硬度计来测定焊层的显微硬度值(HV)，一方面测定焊层表面HV值的变化；另一方面从喷焊层的表层到基体，依次每隔0.1mm测一个点，对所得的硬度数据作图，观察其变化规律。 2.4.3喷焊层物相分析
X射线衍射分析的目的在于确定喷焊层中生成的相。根据低碳钢基体的组织成分以及事先制备好的粉末中的元素及含量，分析喷焊层中可能有的物相，再利用Jade软件对衍射图中的衍射线条进行检索，确定其对应的PDF衍射卡片，将X射线衍射图谱中的衍射峰与卡片中的物质的衍射峰进行比较，确定喷焊层中的相结构。 2.4.4 耐磨性试验
本次滑动磨损试验是在快速磨损试验机上进行的，采用相对滑动对磨方式。试块与对磨环的尺寸和接触方式如图2-5所示。下面试样在夹具中固定不动，上面由硬质合金制成的小轮旋转而实现相对滑动。试样经过磨损试验后，在表面会形成一个小弧坑，用显微镜观察并测量其宽度，然后对照数据表就能查出在试验过程中所磨损的金属体积，进而也能比较出各种材料的耐磨性。
第三章 喷焊层的微观组织与性能分析
3.1喷焊层硬度分析
3.1.1 喷焊层的宏观硬度
等离子喷焊从结合力的角度上看，结合形式为冶金结合。冶金结合是涂层材料与基材在界面形成共同晶粒即“晶内结合”；或者在界面只是晶粒相互接触并存在晶粒界限(不形成共同的晶粒)即“晶间结合”。喷焊技术是使喷焊材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现焊层与基体之间，焊层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。由于喷焊层的结合方式主要为冶金结合，所以组织致密，冶金缺陷较少，与基体结合强度高，是一般热喷涂涂层的10倍左右。
等离子喷焊的喷焊层的结合强度及冶金组织的性能与喷焊工艺参数的选择息息相关，如：焊接电流，送粉速度，等离子气体流量，保护气体流量，送粉气体流量，喷嘴与工件的距离等等，都会影响喷焊层的冶金结合及组织性能，特别是对于镍基自熔性合金粉末Ni60A喷在低碳钢A3上的耐磨性能的影响，本实验选择两个变量：焊接电流，送丝速度，来试验这两个变量对喷焊层性能的影响，以下表格为单一变量时得到的喷焊层宏观洛氏硬度值，以表征材料的力学性能。
焊接电流一定，改变送粉速度，材料力学性能受到的影响。
表3-1 焊接电流为45A时，改变送粉速度得到的平均洛氏硬度值
学性能。
由表中数据可以得出，当焊接电流为45A不变时，随着送粉速度的增加洛氏硬度先呈一定的上升趋势，然后当送粉速度达到一定值时洛氏硬度开始呈下降趋势。初步推断：由于焊接电流不改变，随着前期送粉速度的增加，使得喷焊层变厚而增加了熔合比，降低了材料的稀释度，喷焊层合金含量逐渐增高，形成的硬质相的量也同时增加，导致硬度值增高，直到最大值出现。而当送粉速度继续增加时，由于此时焊接
送粉速度为送粉器中转轮旋转一周的百分数，送粉速度的改变直接影响材料的力
电流值是不变，焊接电源输出的功率已经不足以使合金粉末完全溶化，使得一些粉末未能完全溶化就喷到了喷焊层，则会使粉末颗粒与颗粒之间的溶化结合变成颗粒与颗粒的表面之间的相互结合，还可能粉末颗粒没有溶化就直接喷到了熔融的喷焊层，从而造成夹杂，气孔等缺陷，破坏了喷焊层原有的高性能的组织，使得硬度下降，即洛氏硬度值呈现下降趋势。
送粉速度一定，改变焊接电流，材料力学性能受到的影响。
表3-2 送粉速度为12%时，改变焊接电流得到的平均洛氏硬度
焊接电流为焊接时，流经焊接回路的电流。
由表中数据可以得出，当送粉速度为12%不变时，随着焊接电流的增加洛氏硬度值呈现先上升趋势，然后当焊接电流达到一定数值时洛氏硬度值又呈现下降趋势。初步推断:由于送粉速度不改变，随着前期焊接电流的增加，产生强有力的等离子束，输出功率变大，从喷嘴喷出的粉末熔化的效果好，那么就会得到合金粉末与母材之间良好的冶金结合，形成优质的硬质相，并且气孔等缺陷非常少，从而导致喷焊层硬度增加且呈上升趋势；而当焊接电流继续增加时，母材的熔化量也会增加，导致焊缝的熔合比变大，促使材料的稀释率增加，那么镍基合金粉末中的合金被母材稀释，则喷焊层的合金含量降低，合金粉末产生的硬质相变少，导致喷焊层的宏观洛氏硬度值减小；再随着焊接电流的提高，容易产生双弧现象，破坏电弧的稳定燃烧，减小了主弧电流，降低了主弧的功率，则使得合金粉末的熔化程度变弱，结合的冶金性变坏，易出现夹杂，又同时由于双弧现象的原因，主弧不稳定，焊接时保护气的保护效果变坏，使得喷焊层出现气孔等缺陷，所以多层原因导致喷焊层的组织性能变坏，硬度下降，呈下降趋势。 3.1.2 喷焊层显微硬度
喷焊层的显微硬度的梯度值是更能反映出从喷焊层表面到母材的原始组织处之间的力学性能的变化，特别是本实验主要为了工艺参数的变化，观察合金粉末与母材
之间的冶金结合性，测得喷焊层的硬度和其耐磨性。是当焊层用于耐磨损用途时，焊层硬度和使用性能关系更为密切。硬度是喷焊层力学性能的一个表征。
为了表征喷焊层的显微硬度的梯度，在喷焊层的侧面（焊缝的截面：从喷焊层的表面到接近母材的原始组织没有变化处）做了显微硬度测试。采用的实验参数为：载荷为100g,加载时间为15s,测得的显微硬度值用绘制的曲线图表示出来。测得的改变送粉速度的1--4的试样的HV值曲线图，如图3-1，测得的改变焊接电流的5--8的试样的HV值曲线图，如图3-2。
图中显微硬度曲线中有四条曲线，焊接电流都是45A，其中红色曲线是送粉速度为15%的显微硬度曲线，红色曲线在焊缝溶合处呈现陡降趋势，可以推测在此工艺参数下，在保证合金粉末与基体之间良好的熔合时，稀释率较小，且近表面的硬度值很高，与母材的硬度值差距大，则会在焊缝溶合处陡降。蓝色曲线为送粉速度为12%的显微硬度曲线，变化趋势与红色曲线相似。黑色曲线是送粉速度为10%的显微硬度曲线，黑色曲线下降速度相对较缓慢，是由于在此送粉速度情况下，焊接电流调配相对较大，合金粉末与基体熔合较好，且熔合比较大，喷焊层中合金含量降低，被稀释到母材中，导致喷焊层表明硬度就比较低，表面硬度的最大值与母材的硬度值（基本为定值）跨距小，所以呈现出平缓下降。绿色曲线是送粉速度为18%的显微硬度曲线，
在此焊接电流情况下，绿色曲线的送粉速度相对较大，此时的输出功率不足以使从喷嘴喷出的全部合金粉末都完全溶化，则会出现夹杂，喷焊层近表面的硬度同样较低，与黑色曲线相似，呈平缓下降。在抛出个别误差点和缺陷的前提下，由这四条曲线图可以看出，不同焊接工艺参数的喷焊材料焊后显微硬度变化趋势基本一致，在喷焊层近表面的硬度的变化相对平缓，当接近焊缝溶合处时硬度开始下降，并急剧下降，最终在母材区达到稳定，即:缓-陡-缓。
图中显微硬度曲线中有四条曲线，送粉速度都是12%，焊接电流不同，黑色曲线为30A,红色曲线为35A，蓝色曲线为40A，绿色曲线为45A。黑色曲线和蓝色曲线较为平缓，主要原因是这两个试样的喷焊层厚度略薄一点，稀释率较大些，所以呈现缓降。而红色曲线和绿色曲线稀释较小，呈现陡降趋势。由此曲线图可以看出，改变焊接电流测得的显微硬度变化趋势与改变送粉速度的变化趋势基本一致，在喷焊层近表面时的硬度变化相对平缓，当接近焊缝熔合处时硬度开始下降，并急剧下降，最终在母材区达到稳定，即:缓-陡-缓。
3.2喷焊层的快速磨损性能
实验前先将试样在砂轮上进行打磨，去除其表面的熔渣层，使其表面平整，再用
砂纸对试样表面进行细磨，使其表面光滑平整。
试验加载载荷为5Kg，转速为675转/min，转数为3000转。测得磨损体积如表3-3所示。
表3-3 喷焊层和基体磨损体积
从表3-3中的数据可以看出，喷焊层的耐磨性远优于母材基体的耐磨性，这是由于喷焊层中铬化物和硼化物硬质相对提高材料的耐磨性起到了至关重要的作用。而低碳钢中组织相主要是铁素体和珠光体相，其耐磨性较低。
3.3喷焊层显微组织分析
3.3.1喷焊层的微观组织特点
此等离子弧喷焊镍基自溶性合金粉末实验，主要研究Ni60A的喷焊层的组织性能和力学性能，选用了良好的浸润性能的低碳钢，但是镍基自溶合金粉末在成分上与低碳钢的成分存在一定的差异，在低碳钢基材上喷焊镍基自熔性合金粉末后，靠近基体一侧的喷焊层组织和性能必然会发生一些变化。同时，由于Ni60A合金粉末中合金含量较高，合金元素相互扩散，经过物理化学反应，将形成许多复杂的相[18]。
根据结合部位的组织结构特点，可将镍基粉末喷焊结合部位分成四个区域：即喷焊层、熔合区、热影响区以及母材区，如图3-3所示参数是焊接电流45A,送粉速度15%，显微倍数（50X）的四个区域。
由于本次实验采用的镍基自熔合金粉末是由Cr,Ni,B,Si,Fe,C等元素组成的，在喷焊重熔过程中，这些合金元素必将发生各种化学冶金反应，
而且焊后冷却速度快，诸多因素决定了喷焊层组织组成的复杂性、结构的多样性。
喷焊层组织属液态结晶组织， 对镍基合金喷焊层和基体进行X射线衍射分析，结果如图3-4所示。
图3-4是Ni60A合金粉末等离子弧喷焊层粉末X射线衍射图谱。通过分析试验结果进行试样标定表明,喷焊层的组成相有γ- Ni 固溶体, Cr2B 型化合物以及碳化物M7C3 和M23C6。Ni60A合金粉末中Ni 为主要元素,占成份的70%左右, 且自身是奥氏体形成元素, 所以喷焊层基体为γ- Ni 固溶体, 其中溶解有Cr, Si 等元素。此外合金粉末中还含有较多的C, B 和大量的Cr 元素, Cr 是中强碳化物形成元素, 所以生成Cr2B, M7C3, 而M7C3 属于亚稳相, 在冷却过程中部分M7C3 转化为M23C。
以上四个图片都为镍基喷焊层显微组织，从喷焊的镍基喷焊层表面的组织形貌可见喷焊层组织是以亚共晶方式结晶。喷焊后镍基合金采用非均匀形核方式在冷却时先
析出初生的树枝晶,再继续冷却到共晶转变后，在初生枝晶间形成细小的共晶体,共晶体也是由更细小枝晶及各种化合物相所组成。 由于等离子弧所产生的温度很高,能够使自熔性合金粉末完全熔化,在快速凝固过程中,形成了过饱和的固溶体和一些共晶化合物。对比图3-6与图3-5 ，其主要参数变化表现在焊接电流的变化，在同样的500倍显微镜照射下，图3-6采用的是45A焊接电流，因此由于电流过大导致等离子弧温度过高形成较为粗大的树枝晶；相反，图3-5采用的是30A焊接电流，等离子弧温度相对较低所产生的树枝晶较为细小，却容易产生夹杂和气孔。对比图3-8与图3-7，其主要参数变化表现在送粉速度的变化，由于图3-8采用的是18%的送粉速度，所以喷焊粉末不能完全熔敷到母材表面，导致图中所出现的液体飞溅，未能较好熔合；相反，图3-7采用的是10%的送粉速度，合金粉末能够完全熔敷在母材表面，但是稀释率增加，降低喷焊层的力学性能。
由于镍基合金粉末中含有Cr元素具有良好的耐蚀性，而低碳钢耐蚀性很差，所以当采用同样的腐蚀方法时，镍基合金粉末腐蚀较浅，颜色较亮，低碳钢腐蚀较深，
颜色较暗。当改变电流而产生的镍基喷焊层组织变化，图3-9为采用30A电流时，由于电流过小，粉末未能完全熔化导致出现夹杂和气孔影响材料力学性能；图3-10为电流为35A，材料焊接性能较好；图3-11为当材料采用40A电流时，镍基喷焊层明显出现晶粒粗大现象影响喷焊材料硬度；图3-12为当继续增加电流到45A时，镍基喷焊层明显出现了柱状晶，这是由于产生过热现象，性能下降。
3.3.2熔合区，热影响区及母材区的微观组织特点
在合金喷焊层和基材之间存在着明显灰白层就是熔合区（如图3-3b）。它是基材表面的微熔区以平面晶的形态生长而形成的，它的形成表明送入熔池的合金粉末与基材发生了熔合，在凝固后形成了良好的冶金结合。熔合区主要受温度和保温时间以及焊层厚度影响，在实现冶金结合的前提下，熔合区窄一点较好。否则，基材中的元素向喷焊层中扩散过多，会造成靠近熔合区的喷焊层中的碳烧损过多，导致喷焊层金属失去原有的耐磨等特性。
熔合区下面为母材基体热影响区（如图3-3c），由于靠近熔池底部的基体温度较高，依靠基材传热将发生过热现象，使基体组织发生一定程度的改变，随着与结合界面距离的增加，加热温度不断的降低，将由相变区、部分相变区最后过渡到基体原始组织。
母材区在喷焊以及随后的冷却过程中受热作用较小，其组织与母材低碳钢组织相同，主要为铁素体和珠光体。
3.4焊接缺陷
缺陷类举：
1.图3-8a的缺陷为气孔。 产生原因：母材表面不清洁，存在油污，铁锈，水分等杂质；保护气体流量值低；
弧长过长，保护效果减弱，使空气混入到焊接区；出现双弧现象。
采取措施：焊前清洁好焊件表面及邻近表面；改变焊接条件和工艺；确保保护气
的保护效果。
2.图3-8b的缺陷为夹杂。
产生原因：母材表面存在铁锈等杂质；焊接电流过小，不能使粉末溶化充分；送
粉速度太大；
采取措施：焊前清洁好焊件表面的铁锈等杂质；优化焊接工艺参数；要切记先停
止送粉，再停弧，保证所送的粉末都能熔敷到焊缝中。
3.图3-8c的缺陷是未熔合。
产生原因：焊接电流太小；焊接速度太快；工件表面焊前清理不充分。
采取措施：控制焊接的热输入量；配合焊接电流的大小，调得合适的焊接速度；
焊前充分清理焊件。
4.图3-8d的缺陷是过热现象。
产生原因：当加热温度过高并且以较快速度冷却时，生成呈针片状的魏氏组织，
魏氏组织是一种过热缺陷组织，它使钢的力学性能，特别是冲击韧度
和塑性有着显著的降低，并提高钢的脆性转折温度，因而使钢容易发
生脆性断裂。
采取措施：可以通过细化晶粒的调质，正火，退火，等温淬火等工艺来防止或消
除魏氏组织。
第四章 结论
此实验使用等离子弧喷焊设备，将镍基自溶性合金粉末Ni60A喷焊到低碳钢A3的基材上获得喷焊层。研究了喷焊层的组织与性能，主要结论如下：
1.本实验的等离子喷焊焊层冶金结合较好，焊层组织致密、稀释率低、无裂纹、夹杂等缺陷。从侧面看，焊层表面的硬度较高，达到了630HV，越接近基体，显微硬度越小。喷焊层的宏观硬度在49～53HRC之间，拥有较高的硬度，在实际应用中具有重要的意义。推荐喷焊工艺参数：焊接电流45A，送粉速度15%。
2.实验得到结论：当焊接电流一定时，增加送粉速度，则喷焊层的硬度增加，但当送粉速度达到一定数值时，喷焊层的硬度开始下降；当送粉速度一定时，提高焊接电流，则喷焊层的硬度增加，同样，当焊接电流增加到一定数值时，喷焊层的硬度开始下降。
3.本次实验获得的喷焊层主要由：γ-Ni固溶体, Cr2B 型化合物以及碳化物M7C3 和M23C6等组成。其中铬化物和硼化物使得喷焊层具有较高的硬度和耐磨性。
致 谢
本论文研究工作是在刘耀东教授的细心指导下完成的。从论文的选题到具体方案的拟定以及论文撰写的每个细节都浸透着导师的心血和汗水。导师渊博的知识，求实的科研态度，严谨的工作作风，奋发向上的工作热情是我学习的榜样。
本论文在试验过程中，李于鹏老师给予我很大的帮助，并提出了宝贵建议，值此论文完成之际，谨向尊敬的两位老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢刘威、杨长征、尹建等各位实验室老师为本论文的试样性能检测部分所做的工作。材料科学与工程学院的很多老师和同学都曾给予我热情的帮助。在此，我表示真诚的感谢！
最后我要感谢我的父母，是他们的艰苦付出成就了我的学业。
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摘 要
本论文研究了了等离子喷焊Ni60A合金粉末试样的组织与性能。利用等离子喷焊在低碳钢A3基体表面喷焊一层Ni60A合金粉末，通过调整等离子喷焊的工艺参数，分析工艺参数对喷焊层性能的影响。本文就显微硬度、金相分析、X射线衍射（XRD）、快速磨损等试验结果，分析了喷焊层的组织结构、成分、力学性能及基体与喷焊表层的结合情况。
试验试验分析结果表明，合金粉末Ni60A等离子喷焊后形成的合金涂层具有一定耐磨性，等离子喷焊层和A3钢基体形成冶金结合，喷焊层是由各种化合物硬质相和基体组成，例如：γ-Ni (Cr,Fe)7C3 Cr2B (CrFe)23CB)6等组成，这些化合物相可以
提高涂层的硬度和耐磨性；当工艺参数焊接电流为45A，送粉速度为15%时，得到最佳硬度值为49~53HRC。
关键词：镍基自熔性合金粉末 等离子喷焊 耐磨损性能 组织性能 组织性能
Titil: The Influence of Spray Process On Coating Microstructure and
Properties Properties
Abstract
This paper investigates the microstructure and properties of the plasma of spray Ni60A alloy powder sample.Spray a layer of Ni60A alloy powderat the low-carbon steel A3 substrate surfaceof plasma spray welding. By adjusting the plasma spray welding process parameters , Analysis the influence of process parameters on the performance of spraying layer. This paper analyzes the organizational structure, composition, mechanical properties and combination of the substrate and the surface of the spray of spraying layer with the test results of Microhardness, metallographic analysis, X-ray diffraction (XRD) and rapid wear.
The experiment results show that, Alloy coating of alloy powder Ni60A after plasma spray has certain wear resistance; The plasma spray welding layer and A3 steel substrate to form metallurgical bonding; Spraying layer is composed of a variety of compounds of hard; For example: γ-Ni, (Cr,Fe)7C3, Cr2B, (CrFe)23CB)6 and other components, These compounds can improve the hardness and wear resistance of the coating；When the process parameters welding current is 45A, the powder feeding rate of 15%, get the best hardness value of 49 ~ 53 HRC.
Keyword : Ni-based self-fluxing alloy powder Plasma spray welding
Wear resistance Structure and Properties
目 录
第一章 绪 论 ...................................................... 1
1.1 选题背景及意义 ................................................ 1
1.2等离子喷焊的发展 .............................................. 1
1.2.1 等离子喷焊产生 ............................................ 1
1.2.2国外等离子喷焊发展及应用 .................................. 1
1.2.3国内发展及应用 ............................................ 1
1.2.4前景 ...................................................... 2
1.3等离子喷焊 .................................................... 3
1.3.1定义 ...................................................... 3
1.3.2基本原理 .................................................. 3
1.4等离子喷焊特点 ................................................ 3
1.4.1等离子喷焊的设备 .......................................... 3
1.4.2等离子弧 .................................................. 4
1.4.3等离子弧焊的特点 .......................................... 5
1.4.4等离子弧焊的基本方法 ...................................... 5
1.4.5与其他表面喷焊相比 ........................................ 6
1.4.6等离子弧焊的工艺参数 ...................................... 7
1.5等离子喷焊合金粉末及应用 ...................................... 8
1.5.1铁基合金材料 .............................................. 8
1.5.2镍基合金粉末 .............................................. 8
1.5.3钴基合金粉末 .............................................. 9
1.5.4铜基合金粉末 .............................................. 9
1.5.5金属陶瓷及其复合合金粉末 .................................. 9
1.5.6非自熔性合金材料 ......................................... 10
1.6等离子喷焊优点及常见问题 ..................................... 10
1.6.1优点 ..................................................... 10
1.6.2常见问题及解决 ........................................... 11
1.7等离子喷焊工业应用 ........................................... 12
1.8本文研究的内容及意义 ......................................... 12
第二章 实验方法及实验设备 ....................................... 13
2.1实验材料 ..................................................... 13
2.1.1基体材料 ................................................. 13
2.1.2喷焊材料 ................................................. 13
2.2实验设备 ..................................................... 13
2.2.1喷焊设备 ................................................. 13
2.2.2金相试样抛光机 ........................................... 15
2.2.3金相显微镜 ............................................... 15
2.2.4洛氏硬度计 ............................................... 15
2.2.5显微硬度计 ............................................... 15
2.2.6 X-ray衍射仪（XRD） ...................................... 15
2.2.7快速磨损试验机 ........................................... 16
2.3实验方法 ..................................................... 16
2.3.1喷焊试验方法 ............................................. 16
2.3.2喷焊工艺参数 ............................................. 16
2.3.3喷焊层试样的制备及组织观察 ............................... 16
2.4喷焊层组织分析及性能测定 ..................................... 17
2.4.1宏观硬度测试 ............................................. 17
2.4.2显微硬度测试 ............................................. 17
2.4.3喷焊层物相分析 ........................................... 17
2.4.4 耐磨性试验 ............................................... 17
第三章 喷焊层的微观组织与性能分析 ............................... 18
3.1喷焊层硬度分析 ............................................... 18
3.1.1 喷焊层的宏观硬度 ......................................... 18
3.1.2 喷焊层显微硬度 ........................................... 19
3.2喷焊层的快速磨损性能 ......................................... 21
3.3喷焊层显微组织分析 ........................................... 22
3.3.1喷焊层的微观组织特点 ..................................... 22
3.3.2熔合区，热影响区及母材区的微观组织特点 ................... 26
3.4焊接缺陷 ..................................................... 26
第四章 结论 ...................................................... 28
致 谢 ........................................................... 29
参考文献 ......................................................... 30
第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
机械构件往往处于复杂和苛刻的条件下工作，大量设备常常因磨损、腐蚀等原因而失效、报废。据资料介绍，美国由于磨损每年所造成的损失是：飞机产品134亿美元，船舶产品64亿美元，汽车产品400亿美元。我国根据电力、冶金、采矿、农机等部门的不完全统计，每年在备件方面消耗的钢材达200万吨以上。国家科委组织对材料金属腐蚀的情况表明：由金属腐蚀造成的损失每年高达l00～150亿元之多。因此发展金属表面工程技术、提高机械零件表面的耐腐蚀、耐磨损的性能，是当前非常重要的课题[7]之一。而等离子喷焊是利用等离子孤作为高温热源，采用粉末状合金作为填充金属的一种熔化焊工艺。其修复后金属构件的力学性能优良，外形美观，是金属构件修复的重要手段，被国内外广泛研究与应用。
1.2等离子喷焊的发展
1.2.1 等离子喷焊产生
热喷焊技术是由热喷涂技术发展起来的。早在1910年，瑞士工学博士M U Schoop 发明了第一个金属喷涂装置：金属熔液式喷涂。从此，其致力于喷涂装置的改进，于1912年制成了线材火焰喷枪。1913年提出了电弧喷涂的设计，并于1916年制成了实用型的电弧喷枪。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法，在30年代得到了发展，美国METCO金属喷涂工程公司成立后，相继研制出用空气涡轮送丝的E型系列喷涂枪以及用马达送丝的K型系列喷枪。第二次世界大战初期，自熔性合金粉末出现，粉末火焰喷涂盛行，“火焰喷涂”几乎成了热喷涂的代名词。50年代末期，美国METCO公司也致力于研究能够喷涂陶瓷涂层的等离子喷涂设备
[28][5]。到了60年代，等离子喷涂技术已经可以工业上应用，60年代中期等离子弧热喷
[3,9]焊技术已经研制成功。
1.2.2国外等离子喷焊发展及应用
80年代，热喷涂技术又有了新的发展。突出表现在超音速火焰喷涂研制成功和热喷涂设备中电子计算机的应用，使热喷涂涂层向着更高的质量和精密化方向发展
[3]。此后，热喷涂技术进一步应用于工业部门的大批量生产，其发展速度有了大幅度
欧美国家对等离子弧热喷焊技术的研究比较早，如今已形成大规模的开发、研制、提高，“热喷涂工业”真正成长起来。 生产基地。涌现出一大批跨国公司，如美国的Miller公司，瑞士的CastCin公司等。他们分别开发了自己的一系列产品，并在实际应用中不断改进。在日本，等离子弧热喷焊起步相对较晚，但比较注重世界一流设备的引进和研究，近几年来发展迅速。
1.2.3国内发展及应用
我国热喷涂技术的应用始于40年代末期，50年代开始制造线材火焰喷枪和粉末气喷枪。60年代初成功研制了封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和陶瓷粉末气喷枪。60年
代中期开始发展等离子喷涂设备和自熔性合金粉末制造技术。60年代末期开始研究等离子弧热喷焊技术，同时开发粉末火焰喷焊技术。70年代各种喷涂方法就已经相继运用于生产，其中电弧喷涂和火焰喷涂技术大量应用于修复。1981年我国召开了推广应用热喷涂技术的工作会，并开始在全国推广应用，热喷涂设备和材料的生产体系基本形成了。
与先进国家相比较，我国等离子弧热喷焊先进技术的研究依靠高校和科研机构。西北工业大学进行脉动等离子弧热喷焊技术研究，在工件和喷枪阳极(喷嘴)之间接入高频IGBT无触点开关，实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作，实现了等离子弧热喷焊的单一电源工作。西安交通大学研究适宜于AI、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备，其由两台直流电源分别给主弧的正、负半波供电，对工件(铝)实现了变极性焊接，这不仅使电弧稳定，还有阴极清理作用。
等离子焊接设备中要控制的对象比较多，包括高频振荡电源、转移弧整流电源、喷焊机床、送粉器、摆动机构等等，对其中任一部分的改变都可能影响喷焊性能。程控系统是用传统的继电器逻辑电路及二极管矩阵逻辑电路，系统组件的集成程度不高，维修或修改工艺程序时均不方便，系统反应也比较慢，可以在设备中引入单片机或可编程控制器，提高设备的可靠性、稳定性和工艺适应性。兰州理工大学研制了以单片机80C196KC为核心的自动等离子弧热喷焊的控制系统，实现了等离子弧热喷焊设备的小型化、控制微机化和操作自动化。目前，等离子弧热喷焊设备正向设备小型化、大功率、智能化的方向发展。随着高新技术的发展。复合材料得以广泛应用。由于等离子弧热喷焊技术所采用的粉料易于调节，这又是一种制备复合材料的新方法。等离子弧热喷焊喷焊枪自身的摆动，可制备厚度和面积都比较大的块材。天津大学杜则裕等人通过对铁基粉末Fe07、Fe9A的研究，发现等离子弧热喷焊可提高金属零件的表面耐磨、耐腐蚀性能，从而获得符合质量要求的喷焊层，这对改善机械零件表面性能有重要意义。在石化工业中，关键零部件(阀座、阀芯等)喷焊Ni基、Co基材料对提高其耐磨、耐腐蚀等有良好效果。
等离子弧热喷焊技术始终受到国家的重视，一直是“六五”、“七五”规划的重点推广项目，也获得了一定的技术经济效益，随着对新材料的进一步开发和应用，等离子弧热喷焊技术也将不断的完善和发展。在未来经济发展中，等离子弧热喷焊技术会发挥巨大作用。
1.2.4前景
等离子弧热喷焊技术可用于制备性能优良的复合材料。因此，改变粉末的配比，使复合材料层与层之间的成分达到连续变化，同时调节射流的速度和温度等参数，使组织变化，以制备性能优越的梯度功能复合材料，这对生产和科研工作都具有积极意义[6]。
设备控制方面，在等离子弧热喷焊设备中引入可编程控制器的方法已逐步得到应
用，但许多人将PLC仅作为一种替代传统的继电器控制系统的逻辑顺序控制器，使PIE的软件功能不能充分发挥[8]。增强设备的工艺适应性和稳定性，充分发挥PIE 控制的软件功能方面，有广泛的研究前景[2,3]。等离子弧热喷焊技术是一种具有发展前景的表面强化技术。随着工业发展，对机械产品的寿命和材料性能都提出了更高的要求。等离子弧热喷焊的产品质量稳定，易于实现自动化，尤其是修补喷嘴环、转子等一些昂贵的零部件时，显著的经济性和可靠性就显现出来了。在未来发展中，将发挥巨大作用。
1.3等离子喷焊
1.3.1定义
等离子喷焊是利用等离子弧作高温热源，粉末状合金作为填充金属的一种熔焊工艺[5]。喷焊用氩气作电离气体，通过调节各工艺参数，可获得熔深浅、冲淡率低、成形平整光滑的优质熔敷层。
1.3.2基本原理
等离子喷焊采用转移型等离子弧为主要热源，在金属表面喷焊合金粉末的方法。一般采用两台整流电源，将负极并联在一起，通过电缆接至喷枪的电极，其中一台电源的正极接喷枪的喷嘴，用于产生非转移弧；另一台电源的正极接工件，用于产生转移弧。喷枪的喷嘴和电极通水冷却，采用氩气作等离子气，首先用高频火花点燃非转移弧，然后利用非转移弧在电极和工件之间选成的导电通道引燃非转移弧，在建立转移弧的同时，由送粉器向喷枪输送粉未，粉未通过电弧后喷射到工件上。转移弧建立后，就在工件上形成了熔池，使合金粉未在工件上熔融。随着喷枪和工件的相对移动，液态合金逐渐凝固，便形成了合金喷焊层 。等离子喷焊包括喷涂和重熔两个过程，但这两个过程是同时进行的。在喷涂过程中，粉末通过弧柱的加热，一般以半融化状态积极到工件上。重融过程是粉末在工作上的融化过程，落入熔池的粉末立即进入转移弧的阳极区，受到高温加热而迅速融化，并将热量传递给基材[30]。等离子喷焊熔深较浅，使得基材对合金的冲淡率低，同氧-乙炔火焰喷焊相比较，电弧对熔池的搅拌作用较强，熔池的冶金过程进行的比较充分，喷焊层气孔和夹渣少。
1.4等离子喷焊特点
1.4.1等离子喷焊的设备
1．等离子弧焊设备的组成
和钨极氢弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路系统和水路系统等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车（或转动夹具）、控制电路、气路系统及水路系统等部分组成。
2．焊接电源
下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源。用纯
氩作为离子气时，电源空载电压只需65-80V；用氩氢混合气时，空载电压需110-120V。大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。 30A以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧，用高频或接触短路回抽引弧。由于非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源。
3．气路系统
等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气。为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气可分两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现离子气流衰减控制。
4．控制系统
手工等离子弧焊机的控制系统比较简单，只要能保证先通离子气和保护气，然后引弧即可。自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频发生器，小车行走。填充焊口逆进拖动电路及程控电路组成。程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧。延迟停气等控制要求。
1.4.2等离子弧
1．等离子弧的概念
等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达105~106W/cm2，电弧温度可高达24000～5000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在104W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。
2．等离子弧的产生
在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。
（1）机械压缩效应（作用）——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。
（2）热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。
（3）电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩
电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。
当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。
3．等离子弧的特性
等离子弧能量密度可达10000--100000W/cm2，比自由钨弧(约10000W/cm2以下)高，其温度可达18000～24000K，也高于自由钨弧(约5000～8000K)很多。
等离子弧的静特性曲线接近U形。与自由钨弧比较最大区别是电弧电压比自由钨弧高。此外，在小电流时，自由钨弧静特性为陡降(负阻特性)的，易与电源外特性曲线相切，使电弧失稳。而等离子弧则为缓降或平的，易与电源外特性相交建立稳定工作。 等离子弧呈圆柱形，扩散角约5度左右，焊接时，当弧长发生波动时，母材的加热面积不会发生明显变化，而自由钨弧呈圆锥形，其扩散角约45度，对工作距离变化敏感性大。等离子弧的挺直度非常好。由于等离子弧是自由钨弧经压缩而成，故其挺度比自由钨弧好，焰流速度大，可达300m/s以上，因而指向性好，喷射有力，其熔透能力强。
4．等离子弧的类型
按电源连接方式的不同，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。
（1）非转移型等离子弧：钨极接电源负端，焊件接电源正端，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在等离子气体压送下，弧柱从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
（2）转移型等离子弧：钨极接电流负端，焊件接电流正端，等离子弧产生的钨极和焊件之间。因为转移弧能把更多的热量传递给焊件，所以金属焊接、切割几乎都是采用转移型等离子弧。
（3）联合型等离子弧：工作时非转移弧和转移弧同时并存，故称为联合型等离子弧。非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用，转移弧直接加热焊件，使之熔化进行焊接。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊。
1.4.3等离子弧焊的特点
由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，在同样熔深下其焊接速度比TIG焊高，故可提高焊接生产率。
此外，等离子弧对焊件的热输入相对较小，焊缝截面形状较窄，深宽比较大，呈“酒杯”状，热影响区窄，其焊接变形也小。由于等离子弧呈圆柱形，扩散角小，挺直度好，所以焊接熔池形状和尺寸受弧长波动的影响小，因而容易获得均匀的焊缝成形，而TIG焊随着弧长的增加，其熔宽增大，而熔深减小。由于等离子弧的压缩效应及热电离充分，所以电弧工作稳定，特别当联合型等离子弧在小电流(0.1A)焊时，仍具有较平的静特性配用恒流(垂降)电源，能保证焊接过程非常稳定，故可以焊接超薄构件。
1.4.4等离子弧焊的基本方法
常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊三种
（1）小孔型等离子弧焊：使用较大的焊接电流，通常为50～500A，转移型弧。
施焊时，压缩的等离子焰流速度较快，电弧细长而有力，为熔池前端穿透焊件而形成一个小孔，焰流穿过母材而喷出，称为 “小孔效应”。随着焊枪的前移，小孔也随着向前移动，后面的熔化金属凝固成焊缝。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限厚板内进行焊接。
（2）熔透型等离子弧焊 当等离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时，此种等离子弧在焊接过程中只熔化焊件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与钨极氩弧焊相似，称为熔透型等离子弧焊，主要用于厚度小于2～3mm的薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。
（3）微束等离子弧焊 焊接电流30A以下熔透型焊接称为微束等离子弧焊。采用小孔径压缩喷嘴（ф0.6mm～ф1.2mm）及联合型弧，当焊接电流小至1A以下，电弧仍能稳定地燃烧，能够焊接细丝和箔材。
1.4.5与其他表面喷焊相比
等离子喷焊利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其它表面喷焊方法相比较，具有以下特点（表 1-1） [10,11]：
表 1-1 焊接方法的比较
1.良好的可控性和低冲淡率
等离子喷焊可以在很大的范围内调节热输入。除了改变输入功率外，还可以改变气体的种类、流量以及喷嘴的尺寸调节等离子弧的热能和温度；选择不同的工作气体可以获得惰性气氛、还原性气氛和氧化性气氛。由于工艺上可调节的参数很多，热输入可控，合金粉末在弧柱中预热，喷射过渡到熔池，有缓冲电弧吹力的作用，熔池受热均匀，故可控制母材熔深，降低母材对合金的冲淡率，冲淡率一般是可以控制在5%～15%以内。
2.喷焊层质量和工艺稳定性好
因为等离子弧是压缩电弧，具有很好的稳定性，故外界因素的干扰(如周围气流流动、喷距高低、喷焊位置不同等)对电弧稳定性影响比较小，使工艺易于稳定。合金粉末熔化地充分，故飞溅少，熔池中的熔渣和气体也易于排除，容易消除焊层内的夹渣、气孔等缺陷。等离子弧的温度高，热量相对集中，喷焊速度较快，一次熔成，工件的热影响区小，可以控制热输入量，调整热影响区的尺寸和硬度，降低裂纹敏感性，避免由晶粒粗化、马氏体转变或应变时效等原因产生的质量缺陷。
3.合金粉末制备简单，使用材料范围广
喷焊用的合金粉末是熔炼后直接雾化成球状粉末，方便制备，不像丝极材料那样，受铸造、轧制、拔丝等加工工艺限制。可按所需配方，熔炼不同成分的合金粉末，获得各种性能的合金喷焊层。
4.生产率高
等离子喷焊热量集中，喷焊的速度接近生产率高的埋弧自动焊。喷焊过程可以自动进行，易于实现机械化和自动化操作。
1.4.6等离子弧焊的工艺参数
1．焊接电流
根据板厚或熔透要求来选定焊接电流。如果焊接电流过小，则难于形成小孔效应：当焊接电流增大，等离子弧穿透能力也会增大，但电流过大则会因小孔直径过大而造成熔池金属坠落，难以形成合格的焊缝，甚至会引起双弧，即损伤喷嘴又破坏焊接过程的稳定性。故此，为了获得稳定的小孔焊接过程，在喷嘴结构确定后，焊接电流只能在某一个与离子气的流量有关的合适的范围内选择。
2．焊接速度
焊接速度是根据等离子气流量及焊接电流来选择的[4]。其他条件一定时，焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等工艺参数应相互匹配。
3．喷嘴离工件的距离
如果距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作；喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低。喷嘴离工件的距离一般取3～8mm。喷嘴距离变化对焊接质
量的影响没有钨极氩弧焊敏感。
4．等离于气及流量
等离子气及保护气体一般是根据被焊金属及电流大小来选择的。大电流等离子弧焊接时，为了保证电弧的稳定性，等离子气及保护气体通常采取相同的气体。小电流等离子弧焊接通常采用电离电压较低的纯氩气作等离子气，可保证电弧引燃容易。
离子气流量由等离子流力和熔透能力决定。等离子气的流量越大，则熔透能力越大。但等离子气流量过大，就会使小孔直径过大，不能保证焊缝成形。因而，应根据等离子气的种类、喷嘴直径、焊接电流及焊接速度选择离子气流量。利用熔入法焊接时，为了减小等离子流力，应适当降低等离子气流量。
5．引弧及收弧
厚板利用穿孔法焊接，引弧及熄弧处容易产生气孔等缺陷。直缝可采用引弧板和熄弧板解决，在引弧板上形成小孔，然后过渡到工件上，最后将小孔在熄弧板上闭合。不便加引弧板和收弧板的大厚度的环缝，应采取焊接电流和离子气递增的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔后，利用电流和离子气流量衰减法来收弧闭合小孔。板厚小于3mm时，可直接在工件上引弧和收弧。
6．接头形式和装配要求
工件厚度小于1.6mm，采用微束等离子弧焊，接头形式有端面接头、对接、卷边对接、卷边角接。
工件厚度大于1.6mm时，I形坡口，用穿孔法单面焊双面成形一次焊透。工件厚度较大时，则根据厚度不同，可开V形、U形或双V形、双U形坡口。
1.5等离子喷焊合金粉末及应用
使用合适的合金粉末，调整喷焊的工艺参数，就能用于多种构件的喷焊修复及表面处理[20,22]。
1.5.1铁基合金材料
铁基合金粉末以铁为基体，含有铬、硼、硅元素，形成 Fe-Cr-B-Si 系自熔性合金。目前应用广泛，为了提高合金的抗蚀性、耐磨性或使晶粒细化等性能还可以加入适量的Co、Ni、Mo、Cu、Mn、V等其它元素。铁基合金一般含铬量较高，具有一定的耐腐蚀和抗氧化性。主要分为耐金属间磨损和耐低应力磨粒磨损。
几种常用铁基粉末型号是WF311、WF3I2、WF331、WF342、WF371、WF372、WF374等．这些粉末被广泛用于通用阀门的阀板、阀座密封面喷焊以及耙路机的耙齿、犁铧或刮板的顶部、铲齿、刀片、各种破碎机锤头和挖土机齿喷焊。石油钻杆接头的喷焊等。其使用寿命可比原来高1～5倍以上．近几年研制的WF342可在铸铁基体上进行喷焊，如蝶阔密封面上喷焊WF342，可以达到国际同类产品的先进水平。
1.5.2镍基合金粉末
镍基合金粉末以镍为基体，含有铅和硼硅元素的Ni-Cr-B-Si系自熔性合金，是最
早的喷焊材料。
常用的几种型号有WF2I3、WF216等。镍基台金综合性能较好，一般都具有良好的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化和较好的红硬性等，可作为阀门密封面喷焊材料。在浓盐酸中工作的高压泵柱塞密封面喷焊该材料，较35CrMo渗碳，提高寿命5倍以上。也可用于化工和石油阀门，挤压机螺杆及简体、螺旋推进器、链轮齿和振动器杆件等修复。对于高温、高冲击条件下要求耐金属间磨损的场合如：热冲模、热挤压机模子、量尺寸的塞模、热前叶片、轧机导向向辊夹，高炉料钟密封面等修复和堆焊。
1.5.3钴基合金粉末
钴基合金粉末基体是钴和铬的合金固熔体，均匀分布着 W、V、Mo等碳化物，Co-Cr-W-B-Si自熔性合金粉末和Co-Cr-W-C/Mo-Ni-Fe系列钻基粉末具有较高的强度和良好的抗氧化和耐腐蚀性能，其强度和硬度可保持在600～800℃以上，具有良好的耐高温、耐腐蚀和耐气蚀性能。由于基体上分布着相当数量的富铬M7C1型碳化物，故也具有较高的耐磨料磨损性能。宜用于要求高温、耐磨并兼有耐蚀(或耐气蚀)的工况条件。
钴基粉末常用型号有WF1II,WFI 4I, WFI51，在相当宽的温度范围内，具有优良的耐多种机械和化学因素复合作用的性能。 合金具有极好的自啮合抗粘着磨损性能。这些粉末广泛地用作各种高中压阀门，电站蒸汽阀门等密封面喷焊，和各种内燃机进排气阀门的密封面和顶端喷焊。此外，该合金也常用在各种要求高温硬度或耐气蚀、磨损场合如舰艇用大型轴承的内外环、大型水轮机转子叶片、透平机叶片、榨油机推进器等的喷焊。粉末中提高钨的含量可广泛地用于各种刀具，特别是毡层、塑料、纸张和化学工业上各种刀刃的堆焊，堆焊的刀刃允许用比工具钢更高的速度进行切削，寿命可提高2～4倍，还适宜用于各种热模具的堆焊(堆焊层碳化物是M23C1类型，韧性较好)，因堆焊层还具有耐粘着磨损和耐气蚀磨损性能，也常用作各种液阀、阀座堆焊。
1.5.4铜基合金粉末
铜基合金粉末是目前等离子喷焊用的新一类合金粉末。主要有低磷锡青铜和锡青铜，粉末型号为WF411、WF412，该种类粉末应用于低压阀门(铸铁基体）密封面的等离子喷焊，特别是大口径低压阀，DN300以的阀门密封面上喷焊铜基台金粉末。其技术效益和经济效益十分显著，也可用于复合材料、轴瓦 配油盘以及需要镶铜合金的工件。
1.5.5金属陶瓷及其复合合金粉末
合金具有高的红硬性、高温强度、能耐高应力金属间磨损，如开缝铜管喷焊该合金粉末可提高寿命5倍以上，还可应用于冶金机械如导位板，热冲模等多种工件。
金属陶瓷及其复合合金材料亦可用于常温、高应力磨粒磨损、高应力、冲击载荷工况，如冷冲模、切边模、拉伸模、矿石破碎机等工件，亦提高寿命5倍以上。
1.5.6非自熔性合金材料
为提高材料的可焊性，即避免喷焊时开裂现象，提高焊层的疲劳强度，这些材料可制成非自熔性的合金材料，如马氏体台金钢，奥氏体高锰钢和马氏体不
锈钢系列合金粉末，这些材料能承受较大冲击和中等程度的金属磨损。常用于齿轮、矿山车轮及轴、链轮、导轮、起重机轴、吊车、翻斗机的轴、挖淘的辊和拖拽轮等零件修复。
合金可满足要求耐冷、热疲劳、耐磨损和承受高的载荷的热加工工作条件，主要应用于热轧工作辊、钢轧锟、支撑辊、夹送辊、连铸机辊及导卫辊、校直辊
的喷焊。合金可满足严重冲击和中等轻微磨料磨损场合，焊层具有高韧性并可能被加工硬化、广泛应用于破碎机辊、挖土机零件、破碎机的锤或飘顿等零件的修复。
1.6等离子喷焊优点及常见问题
1.6.1优点
由于等离子电弧具有较高的能量密度，温度及刚直性（能量密度可达10000～100000w/cm2，弧柱中心温度可达18000～24000K以上，焰流速度可达300m/s以上），因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点：
（1） 能量密度大，电弧方向性强，融透能力强，在不开坡口，不加填充焊丝的情况下可一次焊透8至10mm厚的不锈钢板，与钨极氩弧焊相比，在相同的焊缝熔深情况下，等离子焊接速度要快得多。
（2）焊缝质量对弧长的变化不敏感。这是由于等离子弧的形态接近圆柱形，发散角很小（约5度），且挺直性好，弧长变化对加热斑点的面积影响很小，因此容易获得均匀的焊缝形状。若按钨极氩弧焊的扩散角为90度，等离子焊扩散角为5度计算，电弧断面变化20%时,钨极氩弧焊的焊炬高度只允许变化±0.12mm,而等离子焊则可变化±1.2mm,这对保证焊缝成形和焊缝均匀性都十分有益。
（3）钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可有效避免焊缝金属产生夹钨现象。另外，电弧搅动性好，熔池温度高，有利于熔池内气体的释放。
（4） 等离子电弧由于压缩效应及热电离度较高，电流较小时仍很稳定。配用新型的电子电源，焊接电流可以小到0.1A，这样小的电流也能达到电弧稳定燃烧，因此特别适合焊接微型紧密零件。
（5）焊缝的深宽比大,热影响区小,适合焊接某些可焊性差的材料和双金属等
（6）可以产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊的时候可以获得良好的单面焊双面成型。
（7）焊接成本低，与一般氩弧焊相比，可省电1/3～1/2,省气1/2～2/3，且在焊接厚度较小的情况下，无需填丝。
1.6.2常见问题及解决
1．焊层厚度不够
根据设计要求，该设备的焊层厚度应达到4mm以上，而实际所焊的焊层厚度不足2.5mm，不能满足产品，对焊层厚度的要求。
图1-1
为此，经对该问题进行分析和排查，认为这可能是因供粉量不足造成的，因此加大供粉量进行试验，但是仍无任何效果。通过对该设备供粉机构(见图1-1)的控制原理的分析，找到问题的根源。首先将焊粉由注粉孔注入储粉室中。工作时，进气阀被打开，气体经分流器后分为两路，一路加至储粉室上端；另一路加至送粉调节器中。此时送粉电动机启动，带动送粉盘转动，此时在气体压力和自重的作用下，储粉室中的焊粉由储粉室底部调节螺母上的小孔流人送粉室中的送粉盘上，送粉盘又将焊粉转送到挡粉板处。在挡粉板的作用下，焊粉被送至送粉室底部的出粉孔处。出粉孔下端与送粉凋节器的进粉输人口相连接。图1-2所示为送粉调节器结构图。送粉调节器有一个进粉输人口和一个送粉气输人口。一个送粉气输出口。从图1-2可看出，由送粉输人口流进送粉调节器的气体，通过焊粉气输出口流出至焊枪。送粉气在送粉调节器中流动时，将在其腹腔内形成一受送粉气流量控制的负压。负压随送粉气流量加大而增高。负压对进入腹腔中的焊粉产生一定吸力，使焊粉随同送粉气一起输至焊枪。负压加大，吸力也增大，输至焊枪的焊粉量增多。由此可见，受送粉气流量控制供粉量大小。造成上述问题的主要原因是送粉气流量过小。
2．停焊时堵枪
对整个喷焊过程观察发现，喷焊时，焊粉在图1-1所示出粉孔处堆积。这是因为停焊时，堆积的焊粉就会经送粉调节器流入焊枪。这样每次焊接结束后都需对焊枪进行清理。
图1-2
从图1-1可以看出，储粉室下端的调节螺母是可上、下调动的。调节螺母，就是调节螺母底部与送粉盘间距，从而控制流至送粉盘的焊粉量。当送至出粉孔处的焊粉量比喷焊过程中所消耗的焊粉量多时，多余的焊粉就会堆积在出粉孔处。停焊时，进气阀关闭，气源断开，则堆积的焊粉就会流入焊枪堵枪。
调节螺母至最佳位置，使送至出粉孔处的焊粉量与喷焊中所消耗的焊粉量基本相当，这样就消除了焊粉堆积现象，解决了停焊时的堵枪问题。
1.7等离子喷焊工业应用
等离子喷焊工艺属于表面强化技术领域 它是以等离子弧为热源，以 一定成分的台金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。改善机械零件的表面性能．提高零件表面的耐磨、耐蚀性能，使用等离子喷焊具有重要的意义。
多年来 这项工艺已经在阔门、农机、模具、矿山机械等部门得到了成功的应用，随着工业发展对机械产品的寿命提出了更高的要求．对于机械零件表面性能的要求也越来越高。
1.8本文研究的内容及意义
电站高温安全阀工作温度设在400～600℃，同时要承受开启和关闭时的磨损，目前厂家多采用手工电弧堆焊，然后采用复杂的制造工序来生产安全阀密封面，生产工序多，成本高并且受堆焊材料限制，安全阀的质量还存在不足。
本论文应用等离子喷焊技术强化安全阀密封面，在低碳钢A3上喷焊合金粉末，形成熔敷层。并对熔敷层及喷焊层的组织成分力学性能进行分析。进一步证明，等离子喷焊在节省工序、降低成本、改善机械零件的表面性能、提高零件表面的耐磨性能具有重要的意义。
第二章 实验方法及实验设备
2.1实验材料
2.1.1基体材料
此实验选用普通低碳钢A3钢为基体材料，其成分如表2-1。
表2-1 低碳钢A3的化学成分（Wt%）
2.1.2喷焊材料
等离子喷焊材料除了满足使用性能的要求外，还要满足工艺性能的要求，主要包括:(1)材料应具有良好的热稳定性、粉末的固态流动性和与基体良好的浸润性。(2)材料的热膨胀系数和导热率应与工件材料相近。(3)喷焊粉末的粒子尺寸和粘度要满足设备的要求[14]。
基于本次实验的目的，要测试出镍基自熔性合金粉末自身的焊接性，选择的基材是低成本，浸润性良好的低碳钢A3；选择的喷焊材料是热稳定性和流动性良好，粒子尺寸和粘度都适合的Ni60A合金粉末。
此实验选用镍合金粉末Ni60A（-140~+320目）为喷焊材料，其成分如表2-2。
2.2实验设备
2.2.1喷焊设备
本实验所用的是德国生产的等离子喷焊设备，型号是Eutronic GAP 2000 DC等离子转移弧焊机，如图2-1所示。喷焊系统结构连线示意图，如图2-2所示.
设备特点：高能量密度，高熔敷速度，低稀释效应，熔敷层均匀而无气孔，再现性高，焊接时间短，焊后几乎无需机械加工。
技术参数：
维弧电流：0.1-10A 焊接电流：0.3-160A 直流开路电压：100V 暂载率：160A 100% 主要输入电压：3×380V/415V/50Hz 最大输出功率：12KVA/100% 熔断器：32AT/400V
防护等级：IP23
电源尺寸：600×400×560mm
电源重量：30kg
2.2.2金相试样抛光机
本论文所选用的金相试样抛光机为PG-2C型。技术参数：规格：立式、双盘；抛盘直径：220mm；转速：900r/min
2.2.3金相显微镜
本实验所使用的显微镜型号为OLYMPUS的GX51。光学系统为UIS2。观察方法：明视场/暗视场/微分干涉/简易偏振光。照明装置：明暗视场摇杆切换。微调灵密度:微调旋钮转动1周移动0.1mm.UIS目镜 10X; UIS物镜 5X,10X,20X,50X,100X;放大倍数10～1000. 外形尺寸：280（W）×711（D）×425（H）mm。重量:28kg.
本实验中，根据具体情况，只选用了20X，50X。
2.2.4洛氏硬度计
洛氏硬度计（台式硬度计）为在规定条件下，将压头（金刚石圆锥、钢球或硬质合金球）分2个步骤压入试样表面。卸除主试验力后，在初试验力下测量压痕残余深度h。以压痕残余深度ｈ代表硬度的高低。洛氏硬度试验机采用洛氏（ROCKWELL）测量原理，用于碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及工程塑料等材料的硬度检测，具有测试精度高，测量范围宽，主试验力自动加卸载，测量结果数字显示并自动打印或与外部计算机通讯等特点。
2.2.5显微硬度计
显微硬度计是一种压入硬度，反映被测物体对抗另一硬物体压入的能力。实际上是一台设有加负荷装置带有目镜测微器的显微镜。将待测磨料制成反光磨片试样，置于显微硬度计的载物台上，通过加负荷装置对四棱锥形的金刚石压头加压。负荷的大小可根据待测材料的硬度不同而增减。金刚石压头压入试样后，在试样表面上产生一个凹坑。把显微镜十字丝对准凹坑，用目镜测微器测量凹坑对角线长度。根据所加负荷及凹坑对角线长度就可计算出所测物质的显微硬度值[12,13]。
维氏硬度值计算公式如下：
θ2psin=1.8544pHv=d2d2
式中Hv—维氏显微硬度(kg/mm2)；
P—所加载荷(kg)；
θ—压头相对面夹角，136°；
d—压痕对角线的长度(mm)。
2.2.6 X-ray衍射仪（XRD）
X射线衍射方法是最常用的结构分析方法之一，广泛地应用于研究材料的晶体结构和进行物相分析。
本论文所用X射线衍射仪为日本理学的Dmax-RB，用连续扫描，扫描范围为30˚
到120˚；扫描速度为5˚/min；管电压：40 kV；管电流：30 mA；功率为：1.2kw；发散狭缝：1˚；接收狭缝(RS)：3 mm；防散射狭缝：1˚。
2.2.7快速磨损试验机
本论文所选用的名为SKODA的快速磨损实验机，主要用途：该机主要用于中高档汽车齿轮油，如GL—3、GL—4、GL—5等抗擦伤行性能的模拟评定，也可用于各种金属、非金属材料及涂层等的性能研究[23]。
实验中选用相关技术参数如下：
1、实验所加载荷为：5㎏
2、最大测定摩擦力为：300N
3、主轴转速为：675 r/min
4、试验油温度范围为：室温
5、标准试环尺寸为：φ30mm×2.5mm
6、标准试环材质为：硬质合金
7、试样磨损转数为：3000r
8、试验机外形尺寸（长×宽×高）mm:1000mm×700mm×1600mm
2.3实验方法
2.3.1喷焊试验方法
在尺寸为25ⅹ25ⅹ8（mm）的A3钢基板上进行喷焊Ni60A粉末，喷焊工艺流程如下：工件的清洗、除油→工件的表面喷砂处理→等离子弧喷焊→焊后冷却→工件的焊后处理。
2.3.2喷焊工艺参数
本实验选取对喷焊层影响较大的焊接电流、送粉速度等焊接参数作为变量来分析焊接参数对喷焊层质量以及性能的影响。
表2-3 等离子喷焊焊接工艺参数
2.3.3喷焊层试样的制备及组织观察
基体试板采用低碳钢。对基体进行除油、除锈、粗化处理，以提高基体表面的结
合强度，然后在试样表面进行等离子喷焊。
金相试样的制备包括切样、嵌样、磨样、抛光等步骤。由于焊层较硬，采取线切割的方法来切割试样。在喷焊试件上切出15x15(mm)大小的试样，上表面用砂轮和砂纸打磨出一个至少10x10(mm)的平整光洁区域做金相观察。注意试样在打磨时应保证磨面的光洁。最后，将做好的金相试样用腐蚀液（水+酒精+4%硝酸酒精溶液）进行腐蚀。在XJP-3C光学显微镜下进行观察，达到要求后分别用卧室光学显微镜和JSM-5600LV型扫描电子显微镜（SEM）对微观组织进行观察及照相。
喷焊层金相观察的主要内容有:喷焊层的组织形貌、喷焊层与基体过渡区的结合状况、喷焊层中气孔的大小及分布状况。以喷焊层试样的横断面作为观察面。
2.4喷焊层组织分析及性能测定
2.4.1宏观硬度测试
本实验采用HR-150A型洛氏硬度计测定喷焊层的表面硬度。金刚石压头，加载载荷为150kg，加载时间为10s。测量前用砂轮机将喷焊层上表面磨出一个平面区域。测量时在喷焊层表面上均匀的测五个点硬度然后取平均值，用平均值来衡量喷焊层表面的宏观硬度。 2.4.2显微硬度测试
由于喷焊方法和喷焊条件的差别，决定焊层硬度的焊层结晶微粒的大小与结构、气孔的多少与大小、氧化物等化合物的含量就有差异，其硬度也就有所不同。由于焊层具有多相结构的非均一性，宏观硬度难以全面反映焊层的性能。所以采用金相显微硬度计来测定焊层的显微硬度值(HV)，一方面测定焊层表面HV值的变化；另一方面从喷焊层的表层到基体，依次每隔0.1mm测一个点，对所得的硬度数据作图，观察其变化规律。 2.4.3喷焊层物相分析
X射线衍射分析的目的在于确定喷焊层中生成的相。根据低碳钢基体的组织成分以及事先制备好的粉末中的元素及含量，分析喷焊层中可能有的物相，再利用Jade软件对衍射图中的衍射线条进行检索，确定其对应的PDF衍射卡片，将X射线衍射图谱中的衍射峰与卡片中的物质的衍射峰进行比较，确定喷焊层中的相结构。 2.4.4 耐磨性试验
本次滑动磨损试验是在快速磨损试验机上进行的，采用相对滑动对磨方式。试块与对磨环的尺寸和接触方式如图2-5所示。下面试样在夹具中固定不动，上面由硬质合金制成的小轮旋转而实现相对滑动。试样经过磨损试验后，在表面会形成一个小弧坑，用显微镜观察并测量其宽度，然后对照数据表就能查出在试验过程中所磨损的金属体积，进而也能比较出各种材料的耐磨性。
第三章 喷焊层的微观组织与性能分析
3.1喷焊层硬度分析
3.1.1 喷焊层的宏观硬度
等离子喷焊从结合力的角度上看，结合形式为冶金结合。冶金结合是涂层材料与基材在界面形成共同晶粒即“晶内结合”；或者在界面只是晶粒相互接触并存在晶粒界限(不形成共同的晶粒)即“晶间结合”。喷焊技术是使喷焊材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现焊层与基体之间，焊层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。由于喷焊层的结合方式主要为冶金结合，所以组织致密，冶金缺陷较少，与基体结合强度高，是一般热喷涂涂层的10倍左右。
等离子喷焊的喷焊层的结合强度及冶金组织的性能与喷焊工艺参数的选择息息相关，如：焊接电流，送粉速度，等离子气体流量，保护气体流量，送粉气体流量，喷嘴与工件的距离等等，都会影响喷焊层的冶金结合及组织性能，特别是对于镍基自熔性合金粉末Ni60A喷在低碳钢A3上的耐磨性能的影响，本实验选择两个变量：焊接电流，送丝速度，来试验这两个变量对喷焊层性能的影响，以下表格为单一变量时得到的喷焊层宏观洛氏硬度值，以表征材料的力学性能。
焊接电流一定，改变送粉速度，材料力学性能受到的影响。
表3-1 焊接电流为45A时，改变送粉速度得到的平均洛氏硬度值
学性能。
由表中数据可以得出，当焊接电流为45A不变时，随着送粉速度的增加洛氏硬度先呈一定的上升趋势，然后当送粉速度达到一定值时洛氏硬度开始呈下降趋势。初步推断：由于焊接电流不改变，随着前期送粉速度的增加，使得喷焊层变厚而增加了熔合比，降低了材料的稀释度，喷焊层合金含量逐渐增高，形成的硬质相的量也同时增加，导致硬度值增高，直到最大值出现。而当送粉速度继续增加时，由于此时焊接
送粉速度为送粉器中转轮旋转一周的百分数，送粉速度的改变直接影响材料的力
电流值是不变，焊接电源输出的功率已经不足以使合金粉末完全溶化，使得一些粉末未能完全溶化就喷到了喷焊层，则会使粉末颗粒与颗粒之间的溶化结合变成颗粒与颗粒的表面之间的相互结合，还可能粉末颗粒没有溶化就直接喷到了熔融的喷焊层，从而造成夹杂，气孔等缺陷，破坏了喷焊层原有的高性能的组织，使得硬度下降，即洛氏硬度值呈现下降趋势。
送粉速度一定，改变焊接电流，材料力学性能受到的影响。
表3-2 送粉速度为12%时，改变焊接电流得到的平均洛氏硬度
焊接电流为焊接时，流经焊接回路的电流。
由表中数据可以得出，当送粉速度为12%不变时，随着焊接电流的增加洛氏硬度值呈现先上升趋势，然后当焊接电流达到一定数值时洛氏硬度值又呈现下降趋势。初步推断:由于送粉速度不改变，随着前期焊接电流的增加，产生强有力的等离子束，输出功率变大，从喷嘴喷出的粉末熔化的效果好，那么就会得到合金粉末与母材之间良好的冶金结合，形成优质的硬质相，并且气孔等缺陷非常少，从而导致喷焊层硬度增加且呈上升趋势；而当焊接电流继续增加时，母材的熔化量也会增加，导致焊缝的熔合比变大，促使材料的稀释率增加，那么镍基合金粉末中的合金被母材稀释，则喷焊层的合金含量降低，合金粉末产生的硬质相变少，导致喷焊层的宏观洛氏硬度值减小；再随着焊接电流的提高，容易产生双弧现象，破坏电弧的稳定燃烧，减小了主弧电流，降低了主弧的功率，则使得合金粉末的熔化程度变弱，结合的冶金性变坏，易出现夹杂，又同时由于双弧现象的原因，主弧不稳定，焊接时保护气的保护效果变坏，使得喷焊层出现气孔等缺陷，所以多层原因导致喷焊层的组织性能变坏，硬度下降，呈下降趋势。 3.1.2 喷焊层显微硬度
喷焊层的显微硬度的梯度值是更能反映出从喷焊层表面到母材的原始组织处之间的力学性能的变化，特别是本实验主要为了工艺参数的变化，观察合金粉末与母材
之间的冶金结合性，测得喷焊层的硬度和其耐磨性。是当焊层用于耐磨损用途时，焊层硬度和使用性能关系更为密切。硬度是喷焊层力学性能的一个表征。
为了表征喷焊层的显微硬度的梯度，在喷焊层的侧面（焊缝的截面：从喷焊层的表面到接近母材的原始组织没有变化处）做了显微硬度测试。采用的实验参数为：载荷为100g,加载时间为15s,测得的显微硬度值用绘制的曲线图表示出来。测得的改变送粉速度的1--4的试样的HV值曲线图，如图3-1，测得的改变焊接电流的5--8的试样的HV值曲线图，如图3-2。
图中显微硬度曲线中有四条曲线，焊接电流都是45A，其中红色曲线是送粉速度为15%的显微硬度曲线，红色曲线在焊缝溶合处呈现陡降趋势，可以推测在此工艺参数下，在保证合金粉末与基体之间良好的熔合时，稀释率较小，且近表面的硬度值很高，与母材的硬度值差距大，则会在焊缝溶合处陡降。蓝色曲线为送粉速度为12%的显微硬度曲线，变化趋势与红色曲线相似。黑色曲线是送粉速度为10%的显微硬度曲线，黑色曲线下降速度相对较缓慢，是由于在此送粉速度情况下，焊接电流调配相对较大，合金粉末与基体熔合较好，且熔合比较大，喷焊层中合金含量降低，被稀释到母材中，导致喷焊层表明硬度就比较低，表面硬度的最大值与母材的硬度值（基本为定值）跨距小，所以呈现出平缓下降。绿色曲线是送粉速度为18%的显微硬度曲线，
在此焊接电流情况下，绿色曲线的送粉速度相对较大，此时的输出功率不足以使从喷嘴喷出的全部合金粉末都完全溶化，则会出现夹杂，喷焊层近表面的硬度同样较低，与黑色曲线相似，呈平缓下降。在抛出个别误差点和缺陷的前提下，由这四条曲线图可以看出，不同焊接工艺参数的喷焊材料焊后显微硬度变化趋势基本一致，在喷焊层近表面的硬度的变化相对平缓，当接近焊缝溶合处时硬度开始下降，并急剧下降，最终在母材区达到稳定，即:缓-陡-缓。
图中显微硬度曲线中有四条曲线，送粉速度都是12%，焊接电流不同，黑色曲线为30A,红色曲线为35A，蓝色曲线为40A，绿色曲线为45A。黑色曲线和蓝色曲线较为平缓，主要原因是这两个试样的喷焊层厚度略薄一点，稀释率较大些，所以呈现缓降。而红色曲线和绿色曲线稀释较小，呈现陡降趋势。由此曲线图可以看出，改变焊接电流测得的显微硬度变化趋势与改变送粉速度的变化趋势基本一致，在喷焊层近表面时的硬度变化相对平缓，当接近焊缝熔合处时硬度开始下降，并急剧下降，最终在母材区达到稳定，即:缓-陡-缓。
3.2喷焊层的快速磨损性能
实验前先将试样在砂轮上进行打磨，去除其表面的熔渣层，使其表面平整，再用
砂纸对试样表面进行细磨，使其表面光滑平整。
试验加载载荷为5Kg，转速为675转/min，转数为3000转。测得磨损体积如表3-3所示。
表3-3 喷焊层和基体磨损体积
从表3-3中的数据可以看出，喷焊层的耐磨性远优于母材基体的耐磨性，这是由于喷焊层中铬化物和硼化物硬质相对提高材料的耐磨性起到了至关重要的作用。而低碳钢中组织相主要是铁素体和珠光体相，其耐磨性较低。
3.3喷焊层显微组织分析
3.3.1喷焊层的微观组织特点
此等离子弧喷焊镍基自溶性合金粉末实验，主要研究Ni60A的喷焊层的组织性能和力学性能，选用了良好的浸润性能的低碳钢，但是镍基自溶合金粉末在成分上与低碳钢的成分存在一定的差异，在低碳钢基材上喷焊镍基自熔性合金粉末后，靠近基体一侧的喷焊层组织和性能必然会发生一些变化。同时，由于Ni60A合金粉末中合金含量较高，合金元素相互扩散，经过物理化学反应，将形成许多复杂的相[18]。
根据结合部位的组织结构特点，可将镍基粉末喷焊结合部位分成四个区域：即喷焊层、熔合区、热影响区以及母材区，如图3-3所示参数是焊接电流45A,送粉速度15%，显微倍数（50X）的四个区域。
由于本次实验采用的镍基自熔合金粉末是由Cr,Ni,B,Si,Fe,C等元素组成的，在喷焊重熔过程中，这些合金元素必将发生各种化学冶金反应，
而且焊后冷却速度快，诸多因素决定了喷焊层组织组成的复杂性、结构的多样性。
喷焊层组织属液态结晶组织， 对镍基合金喷焊层和基体进行X射线衍射分析，结果如图3-4所示。
图3-4是Ni60A合金粉末等离子弧喷焊层粉末X射线衍射图谱。通过分析试验结果进行试样标定表明,喷焊层的组成相有γ- Ni 固溶体, Cr2B 型化合物以及碳化物M7C3 和M23C6。Ni60A合金粉末中Ni 为主要元素,占成份的70%左右, 且自身是奥氏体形成元素, 所以喷焊层基体为γ- Ni 固溶体, 其中溶解有Cr, Si 等元素。此外合金粉末中还含有较多的C, B 和大量的Cr 元素, Cr 是中强碳化物形成元素, 所以生成Cr2B, M7C3, 而M7C3 属于亚稳相, 在冷却过程中部分M7C3 转化为M23C。
以上四个图片都为镍基喷焊层显微组织，从喷焊的镍基喷焊层表面的组织形貌可见喷焊层组织是以亚共晶方式结晶。喷焊后镍基合金采用非均匀形核方式在冷却时先
析出初生的树枝晶,再继续冷却到共晶转变后，在初生枝晶间形成细小的共晶体,共晶体也是由更细小枝晶及各种化合物相所组成。 由于等离子弧所产生的温度很高,能够使自熔性合金粉末完全熔化,在快速凝固过程中,形成了过饱和的固溶体和一些共晶化合物。对比图3-6与图3-5 ，其主要参数变化表现在焊接电流的变化，在同样的500倍显微镜照射下，图3-6采用的是45A焊接电流，因此由于电流过大导致等离子弧温度过高形成较为粗大的树枝晶；相反，图3-5采用的是30A焊接电流，等离子弧温度相对较低所产生的树枝晶较为细小，却容易产生夹杂和气孔。对比图3-8与图3-7，其主要参数变化表现在送粉速度的变化，由于图3-8采用的是18%的送粉速度，所以喷焊粉末不能完全熔敷到母材表面，导致图中所出现的液体飞溅，未能较好熔合；相反，图3-7采用的是10%的送粉速度，合金粉末能够完全熔敷在母材表面，但是稀释率增加，降低喷焊层的力学性能。
由于镍基合金粉末中含有Cr元素具有良好的耐蚀性，而低碳钢耐蚀性很差，所以当采用同样的腐蚀方法时，镍基合金粉末腐蚀较浅，颜色较亮，低碳钢腐蚀较深，
颜色较暗。当改变电流而产生的镍基喷焊层组织变化，图3-9为采用30A电流时，由于电流过小，粉末未能完全熔化导致出现夹杂和气孔影响材料力学性能；图3-10为电流为35A，材料焊接性能较好；图3-11为当材料采用40A电流时，镍基喷焊层明显出现晶粒粗大现象影响喷焊材料硬度；图3-12为当继续增加电流到45A时，镍基喷焊层明显出现了柱状晶，这是由于产生过热现象，性能下降。
3.3.2熔合区，热影响区及母材区的微观组织特点
在合金喷焊层和基材之间存在着明显灰白层就是熔合区（如图3-3b）。它是基材表面的微熔区以平面晶的形态生长而形成的，它的形成表明送入熔池的合金粉末与基材发生了熔合，在凝固后形成了良好的冶金结合。熔合区主要受温度和保温时间以及焊层厚度影响，在实现冶金结合的前提下，熔合区窄一点较好。否则，基材中的元素向喷焊层中扩散过多，会造成靠近熔合区的喷焊层中的碳烧损过多，导致喷焊层金属失去原有的耐磨等特性。
熔合区下面为母材基体热影响区（如图3-3c），由于靠近熔池底部的基体温度较高，依靠基材传热将发生过热现象，使基体组织发生一定程度的改变，随着与结合界面距离的增加，加热温度不断的降低，将由相变区、部分相变区最后过渡到基体原始组织。
母材区在喷焊以及随后的冷却过程中受热作用较小，其组织与母材低碳钢组织相同，主要为铁素体和珠光体。
3.4焊接缺陷
缺陷类举：
1.图3-8a的缺陷为气孔。 产生原因：母材表面不清洁，存在油污，铁锈，水分等杂质；保护气体流量值低；
弧长过长，保护效果减弱，使空气混入到焊接区；出现双弧现象。
采取措施：焊前清洁好焊件表面及邻近表面；改变焊接条件和工艺；确保保护气
的保护效果。
2.图3-8b的缺陷为夹杂。
产生原因：母材表面存在铁锈等杂质；焊接电流过小，不能使粉末溶化充分；送
粉速度太大；
采取措施：焊前清洁好焊件表面的铁锈等杂质；优化焊接工艺参数；要切记先停
止送粉，再停弧，保证所送的粉末都能熔敷到焊缝中。
3.图3-8c的缺陷是未熔合。
产生原因：焊接电流太小；焊接速度太快；工件表面焊前清理不充分。
采取措施：控制焊接的热输入量；配合焊接电流的大小，调得合适的焊接速度；
焊前充分清理焊件。
4.图3-8d的缺陷是过热现象。
产生原因：当加热温度过高并且以较快速度冷却时，生成呈针片状的魏氏组织，
魏氏组织是一种过热缺陷组织，它使钢的力学性能，特别是冲击韧度
和塑性有着显著的降低，并提高钢的脆性转折温度，因而使钢容易发
生脆性断裂。
采取措施：可以通过细化晶粒的调质，正火，退火，等温淬火等工艺来防止或消
除魏氏组织。
第四章 结论
此实验使用等离子弧喷焊设备，将镍基自溶性合金粉末Ni60A喷焊到低碳钢A3的基材上获得喷焊层。研究了喷焊层的组织与性能，主要结论如下：
1.本实验的等离子喷焊焊层冶金结合较好，焊层组织致密、稀释率低、无裂纹、夹杂等缺陷。从侧面看，焊层表面的硬度较高，达到了630HV，越接近基体，显微硬度越小。喷焊层的宏观硬度在49～53HRC之间，拥有较高的硬度，在实际应用中具有重要的意义。推荐喷焊工艺参数：焊接电流45A，送粉速度15%。
2.实验得到结论：当焊接电流一定时，增加送粉速度，则喷焊层的硬度增加，但当送粉速度达到一定数值时，喷焊层的硬度开始下降；当送粉速度一定时，提高焊接电流，则喷焊层的硬度增加，同样，当焊接电流增加到一定数值时，喷焊层的硬度开始下降。
3.本次实验获得的喷焊层主要由：γ-Ni固溶体, Cr2B 型化合物以及碳化物M7C3 和M23C6等组成。其中铬化物和硼化物使得喷焊层具有较高的硬度和耐磨性。
致 谢
本论文研究工作是在刘耀东教授的细心指导下完成的。从论文的选题到具体方案的拟定以及论文撰写的每个细节都浸透着导师的心血和汗水。导师渊博的知识，求实的科研态度，严谨的工作作风，奋发向上的工作热情是我学习的榜样。
本论文在试验过程中，李于鹏老师给予我很大的帮助，并提出了宝贵建议，值此论文完成之际，谨向尊敬的两位老师致以衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢刘威、杨长征、尹建等各位实验室老师为本论文的试样性能检测部分所做的工作。材料科学与工程学院的很多老师和同学都曾给予我热情的帮助。在此，我表示真诚的感谢！
最后我要感谢我的父母，是他们的艰苦付出成就了我的学业。
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