1.2　等离子熔覆技术研究进展

等离子熔覆技术已有30多年的历史，国内外研究者做了很多工作，取得了大量有价值的研究成果，并得到一定规模的应用。等离子熔覆既可用于传统材料的表面改性，提升材料的性能，又可用于表面失效零件的修复，故适用的基体材料十分广泛，如碳钢、合金钢和铸铁，以及铝合金、铜合金和镍基高温合金等[43，44]。

熔覆层材料的状态一般有粉末状、丝状等。另外还可将金属板材、粉末冶金制品、钢带和焊条等作为熔覆材料，其中合金粉末在等离子熔覆技术中应用最为广泛。实际使用环境条件不同，对工件表面熔覆层的性能要求也不一样。等离子熔覆合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金以及其复合合金粉末等。铁基合金粉末适用于要求局部耐磨且容易变形的零件；镍基合金适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件，所需的等离子功率密度要比熔覆铁基合金的略高；钴基合金熔覆层适用于要求耐磨、耐蚀和抗热疲劳的零件。陶瓷熔覆层在高温下有较高的强度且热稳定性好，化学稳定性高，适用于耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。等离子熔覆层的性能取决于组织和相组成，而其化学成分和工艺参数又决定了等离子熔池的状态及涂层的组织结构。不同的合金成分及工艺条件下的实际组织形态以及性能具有一定的差异[45]。

高华等[46]在45钢基体表面熔覆了一层铁基合金涂层，该研究表明涂层的组织由平面晶、胞状晶、树枝晶、等轴晶、共晶体、大块的碳化物和硼化物等组成，等离子涂层中主要相为M₂₃C₆、Fe₂B、γ-Fe（Me）等，涂层的显微硬度和基体的硬度相比有显著提高，可达到基体的3～4倍。当等离子熔覆电流一定时，枝晶组织会随着扫描速度的增大而变得更加细小，故当涂层材料的成分一定时，单位体积的粉末在单位时间内从外界获得的热量越少，组织越细小；相反，组织就越粗大。Cheng等[9]研究了电磁搅拌对等离子涂层的影响，结果表明，在熔覆过程中添加电磁搅拌作用，能够提高熔覆的效率并改善涂层性能。吴希文等[47]研究了等离子熔覆对50Mn2钢表面涂层质量的影响，发现主弧电流和扫描速度对涂层质量的影响很大，主弧电流越大，涂层焊道更加连续且更宽，涂层的中部组织由胞状晶逐渐转变为树枝晶和等轴晶，显微硬度显著提高；而当不断加快扫描速度时，焊道出现了不连续现象，同时熔池宽度减小。罗燕等[48]通过在涂层材料中添加Cr₃C₂颗粒，研究其对钴基堆焊层组织结构以及各方面性能的影响，发现只使用Co40的堆焊层由γ-Co和Cr₂₃C₆两相组成；而在粉末中加入Cr₃C₂之后，复合堆焊层中的相组成发生了一定的变化，出现了Cr₃C₂和Cr₇C₃及Cr₂₃C₆相，而且堆焊层的组织特征也有明显变化。Yuan等[49]利用等离子熔覆技术在低碳钢表面制备了以Fe30Ni、W粉和C粉作为熔覆材料的复合等离子熔覆涂层，希望通过W粉和C粉在高温等离子弧的作用下在熔池中发生原位反应生成WC增强相，起到改善涂层耐磨性的作用。结果表明，熔覆 过程 中W和C发生 了 原位反 应 生 成WC相。图1.2为WC/Fe基涂层的显微组织和能谱分析结果，可以看到原位WC以三角棱柱形态存在于涂层中（彩图参见目录中二维码）。图1.3为磨损率和原位合成WC含量的关系，熔覆层的磨损率随着WC含量的增加而大幅度降低，WC/Fe基等离子熔覆层的耐磨性随着原位合成WC含量的增加而得到大幅度提升。

宋强等[50]通过等离子熔覆技术在镁合金表面制备了成分为NiAl/Ti+C的复合等离子熔覆涂层，复合涂层由NiAl金属间化合物和分布其上的块状TiC颗粒相共同组成。图1.4是从复合涂层到基体材料的硬度分布，横坐标中1mm处的左侧为涂层材料的硬度，右侧为基体材料的硬度。NiAl和TiC相的存在，使等离子熔覆层的硬度明显高于基体材料的硬度，根据数据可知涂层材料的最大硬度为基体材料的5倍。图1.5为基体材料和涂层材料的极化曲线，可以看出涂层材料的腐蚀电位远高于基体材料的腐蚀电位，说明通过等离子熔覆技术在镁合金表面制备的NiAl/Ti+C复合涂层的耐蚀性能要优于基体材料的耐蚀性能。

乔金士等[51]通过等离子熔覆技术在45钢基体上制备了Ni60和Ni60+35%WC两种涂层。高温氧化研究结果表明，在氧化膜形成初期阶段，氧的内扩散控制着氧化速率，在氧化膜形成后期阶段三价铬的扩散控制着氧化速率。图1.6为Ni60和Ni60+WC两种涂层氧化膜的XRD分析结果，主要组成为SiO₂和Cr₂O₃。

高温氧化动力学表明，最初几个小时内两种涂层质量增加均较快，这是因为氧化初期涂层内的缺陷等容易使氧化物形核。待完整的氧化膜形成后质量增加缓慢，因为氧化膜处于生长阶段，氧化速率较小；在氧化后期涂层质量变化呈平缓趋势是因为表面已经形成一层厚而完整的氧化膜，这层氧化膜阻止了氧化的继续进行。涂层的抗氧化性是由其组织和成分共同决定的，而非单一因素决定的，加入的WC增强相可提升整体涂层的抗氧化性。

此外，有学者用等离子熔覆技术探索了近期的研究热点——增材制造。增材制造中等离子弧作为热源克服了激光、电子束作为热源时成本高的问题[52]。

许可可等[52]设计了以等离子弧作为热源的增材制造设备，并研究了等离子弧增材制造工艺对成型的影响。图1.7为等离子弧增材制造设备的工作原理图，主要由弧焊过程控制系统、焊接电源、冷却系统、送丝系统及三维控制系统等组成。等离子弧作为热源将填入熔池的焊丝及基体材料表层熔化，通过计算机三维控制系统，按照提前设定好的路径进行扫描，每熔覆一层则尺寸得以增加一次，直至形成预先规划的形状为止。图1.8为等离子弧增材制造成型的桶状零件，再经过后续加工即可获得所需的零件，研究表明只有适宜的工艺条件才能实现良好的成型效果。

王凯博等[53]以脉冲等离子弧作为热源实现了Inconel 718合金的增材制造，并研究了不同热输入对晶粒形态和硬度的影响。图1.9为不同热输入下样品的光学显微照片，从（a）到（e）热输入逐渐增加，由于结晶状态受实际温度梯度G和结晶前沿的晶体生长速度R影响，即由控制，随着热输入的增加，热量积累增加，温度梯度降低，减小，柱状枝晶逐渐转变为粗大胞状枝晶且枝晶间距增大。此外，还发现随着热输入的增加，合金元素在晶界处偏析，Laves相从颗粒形状逐渐变成长链状。图1.10为不同热输入下样品的显微硬度曲线，从曲线图可知随着热输入量的逐渐增加，增材涂层的硬度逐渐降低。由此可知等离子弧增材制造过程中增加热输入会明显改变组织形态进而改变材料的性能，通过合理地控制热输入可以有效地获得性能优异的等离子弧增材涂层。

Chen等[54]用等离子熔覆技术成功制备了铁基熔覆涂层，结果表明涂层与基体形成了良好的冶金结合，涂层组织为典型的快速冷却的层状结晶，界面过渡区域为平面晶，涂层中间部分为均匀的树枝晶，顶部主要是细小的等轴晶。由于涂层中存在第二相，熔覆层的硬度较基体有大幅度提高；由于固溶强化、细晶强化以及第二相粒子强化等综合作用，涂层的耐磨性有所提升。

Deng等[55]研究了耐热钢的表面强化，用等离子熔覆技术在DIN X45CrSi9-3耐热钢表面制备了Stellite 12涂层。结果表明涂层中的物相主要为枝晶组织上钴的过饱和固溶体和分布在枝晶间铬的碳化物，并且随着涂层厚度的降低，熔覆温度相对高一些，涂层的抗弯强度有所提高。由于涂层中有大量的硬质相，弯曲试验中涂层和界面处都出现了垂直分布的裂纹。

为了提高不锈钢的耐磨性，拓展其应用领域，Rokanopoulou等[56]研究了陶瓷颗粒增强的不锈钢基涂层，用等离子熔覆技术成功制备了α-γ-Fe/Al₂O₃复合涂层，并且表面耐磨性得到了很大的改善。王志新等[37]在Q235钢表面制备了γ-Cr₇C₃复合涂层并研究了耐磨性，其磨痕形貌对比如图1.11所示。由于硬质γ-Cr₇C₃的存在，表面耐磨性大幅度提升，表面只有轻微的磨痕，而未处理的钢表面磨损情况则十分严重。