2.2　等离子熔覆工艺研究

等离子熔覆是借助高能等离子束的作用，使涂层材料和基体材料表面同时熔化，经快速凝固后形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善材料表面的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等性能的工艺方法。熔覆层最终的组织特征与等离子熔覆的工艺条件、合金体系的组成以及元素的存在状态、母材状况等有关。一般情况下，冷却速度越快，所得的熔覆组织越细小。等离子熔覆与其他常规的加热、冷却方法相比，具有能量密度高、可局部加热、自激冷却速度快的独特优势。较快的加热速度及冷却速度使得熔覆材料与基体的熔化与凝固过程远远偏离其平衡状态，加之熔覆层与基体之间的界面换热系数趋向于无穷大，从而导致熔覆层组织的形成机制和规律发生了相应的变化，使得熔覆层具有复杂的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等。

利用等离子熔覆技术，能够快速、高效并且高质量地实现机械零件的再制造及功能修复。等离子熔覆是一个快速而复杂的过程，熔覆层组织转变的过程较其他的制造技术也更复杂，只有准确把握等离子熔覆材料的性能特点，才能在经济、高效的前提下确保熔覆层的各项性能达到使用要求。

在采用不同的粉末体系时，等离子熔覆工艺主要参数包括功率密度（电流密度）、扫描速度以及单层和多层的搭接方式，这些参数对熔覆层的性能有很大的影响。通过研究发现熔覆层单位面积吸收的能量（也称比能）对涂层质量影响较大。比能过高会在熔池中形成强烈的对流，不仅会使熔覆层的表面不平整，易形成垂直于表面的裂纹，晶粒粗大，力学性能减弱，还会增大基体的稀释率；比能过低会使涂层粉末熔化而基体未熔化，引起基体材料与熔化粉末间的界面能增大，导致熔覆后在基体表面形成不连续的柱状熔层，减弱了基体与熔覆层的结合强度[79]。扫描速度对裂纹的变化也较为敏感。扫描速度过慢，熔池与等离子束接触时间过长，容易造成熔池内合金元素的烧损；加快扫描速度即增大了温度梯度，热应力随之增大。因此，参数的选择要根据熔覆层的厚度，同时考虑熔覆材料与基体的熔点、吸收因子等因素。在能量密度满足理想比能的情况下，适当降低扫描速度。

本节将介绍等离子熔覆工艺参数对熔覆层性能的影响及其工艺优化分析。以镍基等离子熔覆层Ni35和铁基等离子熔覆层Fe-Cr-B-Si为典型涂层，研究其工艺因素对涂层性能的影响。