1.4.2 等离子熔覆合金粉末材料的分类
从当前的研究来看，等离子熔覆所使用的合金粉末，按照使用性能和工件的使用条件以及磨损类型可分为自熔性合金粉末和复合性合金粉末两种[60]。自熔性合金粉末是自身能起到熔剂作用的合金，这种合金在熔覆时本身有自造渣和自脱氧的功能。目前国内外使用的自熔性元素主要是硅和硼，这两种元素和大多数合金元素（如镍、钴、铁等）形成低熔点共晶组织，使合金熔点降低[61，62]。等离子熔覆合金体系主要有铁基合金、镍基合金、钴基合金及复合性合金粉末体系等。
1.4.2.1 铁基自熔性合金粉末
铁基自熔性合金粉末来源较广、价格较低，所以铁基自熔性合金粉末体系是我国目前使用率最高的涂层合金粉末体系。根据使用性能的不同，铁基自熔性合金粉末又可以分为以下两种：奥氏体不锈钢型铁基自熔性合金粉末和高铬铸铁型铁基自熔性合金粉末。根据研究和实践结果来看，奥氏体铬镍钢堆焊合金由于具有良好的热强性、抗高温氧化性和耐蚀性，现在已经在化工、石油等工程领域的耐腐蚀、耐热设备的表面改性处理中发挥了重要作用。高铬铸铁型合金粉末则主要用于阀门密封面等零部件的表面强化。铁基自熔性合金粉末是金属颗粒在含1.5%～5%C、15%～35%Cr的基础之上再加入其他合金元素得到的。添加这些元素可以提高其耐蚀性能、耐磨性能和高温力学性能。采用等离子熔覆工艺制备的涂层，其显微组织通常是大量的Cr7C3型硬质相碳化物分布在残余奥氏体及共晶碳化物的基体上。其中，高碳共晶型合金粉末，其碳含量位于其共晶点或共晶点附近，有助于提高熔覆层抗开裂的能力，所生成的熔覆层中含有韧性较好的奥氏体或铁素体，以及形状细小、弥散分布且具有高硬度的碳化物强化相。但这种设计思路仍然存在着高韧性与高硬度之间的矛盾。为解决这一矛盾，有人提出了“低碳包晶”的设计思路，即降低粉末含碳量（质量分数大约为0.2%），位于包晶转变温度点附近，合金凝固温度范围窄，晶粒均匀、细小，韧性好，熔覆层主要由强度和韧性都比较好的板条马氏体组成，抗开裂能力强[63，64]，制备出了硬度高达HRC62、无裂纹的等离子熔覆层，且无需预热和后续热处理。
1.4.2.2 镍基自熔性合金粉末
镍基自熔性合金粉末具有良好的韧性、抗氧化性、耐热性、耐冲击性及较高的耐蚀性能，在诸多领域中得到广泛应用。与铁基或者钴基的合金粉末相比，使用该粉末所得到的涂层具有最强的抗金属与金属间的摩擦磨损能力。此外，优良的耐热性、耐蚀性、抗氧化性，使Ni基涂层在锅炉零件、化工设备的表面处理中得到大量应用。就目前的研究来看，等离子熔覆镍基自熔性合金粉末通常有以下几种：Ni-Cr-Mo-W型、Ni-Cr-B-Si型、Ni-Cr型、Ni-Cu型等。Ni是面心立方结构，是构成γ相的主要元素，Ni能使液固相温度区变宽，有效降低了材料的熔点，同时Ni使粉末具有良好的熔覆工艺性能，能改善粉末的高温性能和抗开裂性。Cr是固溶元素，可以和Ni有限固溶产生晶格畸变，降低层错能和原子扩散能力，构成稳定的固溶体，产生固溶强化作用，提高了熔覆层的硬度、耐蚀性以及耐磨性。在一般的Ni基合金粉末中，加入一定量的B可与Ni生成硼化物硬质相，同时可以通过沉淀强化以提高合金的耐磨性，同时通过弥散强化作用提高熔覆层的硬度。镍基合金中的Si元素同样可以提高熔覆层的硬度，适量的B对提高合金金属的持久寿命，降低蠕变速率和改善缺口敏感性都有较大的作用，但B含量过高时，易在晶界上形成硬而脆的化合物，对合金的塑性不利。在高温条件下，B、Si与O的亲和力远大于其他绝大多数合金元素。在熔覆过程中，Si、B随熔滴过渡到熔池并与熔池中的氧反应，即产生“后期脱氧”作用，其脱氧产物与其他合金的氧化物化合形成一种低熔点（722℃）硼硅酸盐的玻璃状复杂化合物，并在熔池金属的强烈搅拌下浮到焊缝的表面，形成一层极薄的均匀保护膜，从而阻止了空气中的氧气、氮气等有害气体的渗入[65-67]。
1.4.2.3 钴基自熔性合金粉末
与铁基或镍基自熔性合金粉末相比，钴基自熔性合金粉末最为突出的特点是钴基涂层具有很高的红硬性。此外，使用钴基自熔性合金粉末得到的涂层能获得最好的综合性能。同时，钴基涂层也可以满足大部分材料表面对抗磨粒磨损、抗金属与金属间摩擦磨损、抗氧化等性能的要求。但美中不足的是，钴基自熔性合金粉末较为昂贵。所以在日常生产和工程应用中，如果不是有特别性能要求的设备，通常情况下都不采用该粉末对零件进行表面处理。
1.4.2.4 复合性合金粉末
复合性合金粉末是一种新型的表面强化材料。复合性合金粉末是指由两种或两种以上合金粉末所组成的合金粉末。随着科技的发展，对涂层性能的要求越来越高，采用单一的合金粉末，通过等离子熔覆的方式处理材料表面有时很难达到要求，因此复合性合金粉末的应用也越来越多。复合性合金粉末不仅包括金属和金属的混合粉末，也可以是金属和非金属的混合粉末。按照复合粉末的结构，又可以分为以下几类：包覆型复合粉末、非包覆型复合粉末和烧结型复合粉末等。区别在于：包覆型复合粉末中的芯核颗粒被包覆材料完整地包覆着；非包覆型粉末的芯核材料并没有完全被包覆住，有些是部分被包覆，有些是没有被包覆。除包覆型复合粉末外，其他粉末的各组分之间为机械结合。
等离子熔覆材料体系对比如表1.1所示。总体而言，镍基合金粉末是以Ni为主要元素，同时还含有Cr、B和C等其他元素。镍基合金粉末有良好的润湿性、耐蚀性及高温自润滑性，可以用于改善基体表面的耐磨性、耐热腐蚀性以及抗热疲劳性能；铁基合金粉末综合性能良好、价格低廉，形成的涂层和大多数工件基体的成分接近，结合良好；钴基合金粉末具有良好的耐高温、耐蚀、抗蠕变性能。综合比较涂层的性能，钴基合金粉末涂层的综合性能明显优于铁基合金粉末涂层和镍基合金粉末涂层，但是钴基合金粉末的价格也明显高于其他粉末。
表1.1 等离子熔覆材料体系对比
1.4.2.5 增强相材料
增强相的种类及其在涂层材料中存在的形式，对金属基复合涂层的性能影响非常显著[68-70]，因此，增强相材料体系的选择对涂层性能同样至关重要。颗粒增强金属基复合材料，由于具有较好的耐磨、耐热性以及高强度等特点而受到研究者的青睐。随着航天事业的不断发展，对耐热材料的需求愈加迫切，如以钛、铝、镍为基体的金属基复合材料越来越受到人们的关注。
金属基复合材料熔覆层中的增强相，一般应具有高强度、高熔点，良好的耐蚀性能、抗冲击性能及抗磨损性能等特点[71]，在物理性能上与基体金属相匹配。工作条件下增强相不与基体发生互溶，能够与之形成良好的冶金结合，从而获得综合性能优异的涂层。目前用于金属基材料的增强相主要有碳化物、硼化物、氧化物、氮化物等[72，73]。常用增强相的物理和力学性能如表1.2所示。
表1.2 常用增强相的物理和力学性能
表1.2介绍的颗粒增强相中WC、TiN具有高硬度，良好的高温强度、高断裂强度，耐化学腐蚀性能好，抗热震性能好等特点。在众多的颗粒增强相中主要选择这两种有代表性的增强相作为研究对象，研究其不同的存在形式对涂层组织性能的影响。
目前在科研生产中，含增强相的复合材料的制备方法主要有两种：增强相的外加法和原位合成法。根据增强相在涂层中的存在方式，增强方式主要有弥散颗粒增强、细晶强化、固溶析出强化等。颗粒外加法工艺相对简单，便于实施，成本低。但第二相颗粒在熔覆过程中易发生熔化分解及氧化烧损，在高温热源作用下发生分解、扩散，使得一些含碳量较高的基体形成莱氏体、马氏体等脆性组织，导致熔覆层脆性增大。适当地调节熔覆工艺，可减轻外加增强相熔化、分解及烧损程度。
原位自生增强颗粒法与外加增强颗粒法相比有一定的优势，能够避免颗粒外加的诸多问题，如结合强度不足、界面污染及增强相分解等。增强颗粒能够形成弥散强化相细化基体晶粒，改善基体组织性能[71]，但是也要考虑实际工况及复合粉末的匹配性等因素来确定复合涂层的生成方式。原位合成法是一种新型的金属基复合材料制备方法。它利用热源将能够发生冶金反应的合金粉末熔覆于基材上达到冶金结合状态，同时在熔覆层中反应生成增强相且弥散分布于涂层基体上，达到增强目的[74-76]。目前报道的原位合成技术主要有：铸造原位合成技术、熔覆原位合成技术等。Zee等[77]将石墨和钛合金在感应炉中一起熔化烧结而获得TiC颗粒增强复合材料，制备了TiC颗粒大小不同的混合增强复合材料。屈平等[78]采用等离子熔覆技术，在Q235B钢表面制备了Ti（C，N）-WC增强的Ni60A基复合陶瓷涂层。预涂覆层中的钛（Ti）粉、石墨粉、氮化钛（TiN）粉在等离子熔覆过程中原位合成了颗粒状新生相Ti（C，N），且均匀弥散分布在熔覆层中，与基体相比有较好的硬度和耐磨性能。