bvsvmfq金属基复合材.docx
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bvsvmfq金属基复合材
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世界上有两种人，一种人，虚度年华；另一种人，过着有意义的生活。
在第一种人的眼里，生活就是一场睡眠，如果在他看来，是睡在既温暖又柔和的床铺上，那他便十分心满意足了；在第二种人眼里，可以说，生活就是建立功绩……人就在完成这个功绩中享到自己的幸福。
－－别林斯基
等离子束表面冶金复合材料技术研究
刘峰
（齐齐哈尔大学化工082）
[摘要]定义了等离子束表面冶金复合材料技术特征。
研制了等离子束表面冶
金设备。
对等离子束表面冶金技术和其他相近技术如等离子堆焊技术等进行了比
较。
等离子束表面冶金是一种快速非平衡冶金反应过程，类似粉末冶金。
原则上
可不受组成物的相溶性、熔点、密度等性质的限制，因此不需要预制合金雾化粉，
可利用任意粉末的任意配比，获得通常冶金方法不能得到的（组织与）物相。
等
离子束表面冶金方法效率高，操作简便，成本低，应用前景广阔。
[关键词]等离子束；表面冶金；堆焊；非平衡相；表面强化
[中图分类号]TG174[文献表识码]A
关键词
致谢：
作者在从事纳米材料的研究中得到国家自然科学基金委（国家自然科学基金资助课题：
59001447，59321001，59431021，59771019，59471014，59431022）、国家科委（"攀登计划"：
纳米材料科学）、中国科学院的资助，谨在此对上述机构表示衷心感谢。
StudyontheTechnologyofCompositeMaterialProduction
byPlasma-JetSurfaceMetallurgy
（UniversityofScienceandTechnology,
Beijing100083;2InstituteofMaterial,ShandongUniversityofScience
andTechnology,Tai’an271019;3CentralCommitteeofRevolutionary
CommitteeoftheKuomintang,100006）
[Abstract]Thetechnicalfeatureofcompositematerialproduction
byplasma-jetsurfacemetallurgyisdelimited.Aplasma-jetsurface
metallurgicalequipmentisdeveloped.Thetechnologyofplasma-jet
surfacemetallurgywiththeelsecorrespondingtechnologysuchasplasma
build-upweldingtechniqueiscompared.Plasma-jetsurfacemetallurgyis
akindofrapid,non-equilibriummetallurgicalprocess,whichissimilar
topowdermetallurgy.Theprocesscannotberestrictedbyconsistency,
meltingpoint,densityofconstituents,soprealloypowdersarenotneeded.
Anditcanobtainsomespecialstructuresandphasesinrandompowderand
randommatch.Plasma-jetsurfacemetallurgyhassuchcharacteristicsas
highefficiency,simpleoperation,lowcost,andhasextensive
applicationprospect.
[Keywords]plasmajet;surfacemetallurgy;build-up
welding;non-equilibriumphase;surfacestrengthening;
1前言
金属零件往往要求同时具备高硬度高耐磨耐腐蚀和高强韧性。
表面性能主要
依靠表面技术来提高。
电镀、等离子喷涂等技术生产的硬化层结合力差，不抗冲
击和热疲劳，生产过程污水、粉尘、噪声等污染严重，难以推广应用。
堆焊、熔
覆、表面冶金等技术目前已成为工业上受欢迎的实用技术。
耐磨焊条自由电弧
堆焊可控性差，熔深和稀释率不均匀，气孔夹渣多，发展潜力有限，本文不再
过多论述。
堆焊、熔覆、表面冶金都涉及到高能量束流。
高能量束流能量集中、
效率高、无三废排放、应用方式灵活、可实现其他方法无法获得的优异性能，
近年来获得了快速发展。
目前已获得工业应用的高能量束流有激光束、电子束、
离子束、等离子束、聚集太阳能等，其中DC-Plasma-Jet直流放电压缩电弧等离
子束具有束流能量密度大，能量转换效率高，可大气中操作，设备维护简便等特
点，因而广泛应用于快速扫描表面淬火、多元共渗合金相变强化、快速熔凝白
口硬化、喷涂、堆焊、熔覆和表面冶金等[1～19]
，发展速度超过了其他高能量束流。
利用等离子束进行表面冶金可获得与基体呈冶金结合、组织性能均匀一致、性能
优良的金属复合材料。
2等离子束表面冶金技术特征
等离子束表面冶金技术特征的定义是：
在按照程序轨迹运行的转移弧等离子
束流的高温下，金属零件表面率先依次形成与弧截面尺寸相近且有一定深度的熔
池，然后将物理混合搅拌均匀的混合粉末或者预先冶炼喷雾而成的合金粉末注
入到熔池中，粉末吸收熔池的热量迅速熔化，与熔池金属混合扩散反应，随着等
离子弧柱的向前移动，新的熔池不断生成，而后面的熔池迅速凝固，形成与基
体金属之间存在冶金过渡层且成分与基体完全不同的高合金或伪合金层。
按照等离子束表面冶金的技术特征，其与熔覆技术的差异在于，熔覆是预先
将混合好的浆料涂敷于基体材料表面，干燥后用高能束流照射涂敷层使之熔化，
基体表面产生微熔层，冷却后凝固结合到一起。
涂敷的材料在熔覆前后主要经
历了熔化→凝固过程，没有与基体显著的混合扩散反应过程。
为了达到基体表面
的微熔，涂敷材料的熔点一般应不小于基体材料熔点。
按照等离子束表面冶金的技术特征，其与表面涂敷烧结技术的差异在于，涂
敷烧结是把预涂好的基体材料整体加热，类似钎焊或搪瓷，基体不熔而涂敷材料
熔化流平形成涂层，因此涂敷材料的熔点须低于基体材料。
按照等离子束表面冶金的技术特征，其与堆焊技术的差异在于，堆焊焊条或
焊丝作为熔化电极比基体金属熔化快得多，尽管其稀释率比熔覆要高，但仍远低
于等离子束表面冶金，堆焊层成分主要是焊条及焊药成分。
另外焊条或焊丝制
造工艺限制了其成分的选择范围，选择范围比等离子束表面冶金小得多。
按照等离子束表面冶金的技术特征，其与等离子喷涂技术的差异在于，等离
子喷涂层组织呈叠片状，与基体主要是机械嵌合，在剧烈频繁的机械或热冲击下
易剥落。
为了提高涂层结合力，要求有严格的前处理和高的射流速度，喷涂粉
末熔点不能太高，凝固区间要宽、粉末粒径分布要窄，这就造成了前处理和喷涂
过程中的粉尘噪声污染和合金粉末的高散失率，也限制了选材空间，增大了粉
末预制成本。
等离子喷涂的放电方式与等离子束表面冶金不同，为非转移弧放电，
其优点是不受基体形状和导电性的影响，缺点是热效率低，大量的热量被喷嘴
的冷却水带走，喷嘴烧蚀快。
等离子喷焊是在喷涂基础上增大了重熔因素，与熔
覆是相近的。
另外喷涂对象一般是连续、连贯或大面积均匀的，工作过程中不
要求频繁中断和起动，对送粉和等离子弧的同步开关性要求不十分严格。
而等离
子束表面冶金对象一般是机械零部件上某一或某些局部耐磨部位，连续化工业
生产过程要求工件一次装夹，三轴数控，设定程序，按照程序多次频繁起弧灭弧。
如果起弧时送粉滞后会产生熔蚀坑，如果灭弧后停粉滞后，会产生合金粉末的
大量散失，这都是不允许的。
因此等离子束表面冶金中送粉和弧的起灭要严格同
步，粉末喷射速率也不能太高。
3设备
按照等离子束表面冶金的技术特征，相应的设备、工艺与材料系列都需要按
照工业需求开展研究。
等离子束表面冶金的主要目的是得到呈冶金结合的均匀密
实的高质量梯度复合冶金层，以满足某些机械零部件的高抗冲击、高耐磨以及
耐高温氧化的使用要求。
为此，要对影响等离子束冶金涂层质量的各种因素进行
研究。
大量的试验和生产结果表明，影响等离子束表面冶金质量的主要因素有：
加入粉末的成分与配伍方式、粉末流量及送粉位置、自熔性、流平性、对基体的
润湿性、等离子工作气、保护气、送粉气的种类和流量、等离子炬的放电方式、
功率、喷嘴的直径与形状、扫描速度、基体预热温度以及基体零件的冷却方式等。
等离子束表面冶金设备由等离子电源、等离子炬、送粉系统、机床、控制系统、
冷却系统等组成，其核心部件为专用的表面冶金送粉器和等离子炬，其基本要求
是能够稳定、可控地定量送入不同粉体颗粒形状、不同密度、宽粒度分布的任
意混合粉末，能够稳定地在大气环境中产生束流截面功率密度分布较为均匀的等
离子束。
为了实现任意合金体系的表面冶金研究，首先要解决各种材料的粉体制备技
术，不然的话表面冶金研究就只能是无本之木。
但是由于不同材料的力学性能和
冶金性能有很大的区别，粉体制备技术也有很大的不同。
如熔点不很高、相溶
性好、抗氧化性、耐腐蚀性高的金属或合金适于用雾化法生产，脆性大、熔点高
的材料适于用球磨法生产，还有的只能用气相或液相反应生成法生产，有许多
根本不相溶的材料则无法制成合金粉末。
如果一种材料能用几种方法来生产粉
末，则只有其中一种方法的生产成本最低或性价比最高。
如果设备的适用性强，
就能够选用任何一种方法制备的粉末或成本最低的粉末，这对适应表面冶金要求
和大幅度降低成本是至关重要的。
目前的等离子喷涂设备尚不能做到这一点。
为了达到表面冶金的需求，需要设计制造不同于目前等离子喷涂原理的专用
设备，其中最关键的是表面冶金送粉器和表面冶金等离子炬。
表面冶金送粉器必
须消除风力对混合粉末密度差异的影响，需要解决送粉通道对不同粉体形状和
粒度的影响，还应达到严格同步可控，即与等离子炬的起弧灭弧同步开关。
在上
述原则指导下，我们自行开发了数控送粉系统，基本实现了上述要求。
其结构
特点一是将重力送粉与风力送粉分段布局，送粉通道尽量简捷短小，避免粉末分
层和堵塞；二是粉末与送粉气的同步截止阀开关无滞后现象，消除了起弧时有
气无粉和粉末浪费。
新型送粉系统简便可靠，适用于各种制粉方法制备的粉末，
使用寿命长，维护方便，数控灵活，为等离子表面冶金研究和生产提供了技术
支持。
对表面冶金专用等离子炬的要求一是将处于中心的等离子束与周围的冷空
气隔绝，以稳定等离子弧，避免合金元素氧化烧损；二是获得沿弧柱径向温度分
布较为平缓的柔性等离子束，以减小熔池冶金的不均匀性和对熔池的冲刷力；
三是提高粉末熔化的均匀性，提高粉末的利用率，避免合金元素的过热烧蚀与熔
化不足，提高熔覆层的内外在质量；四是提高等离子炬连续工作的可靠性与寿
命，提高等离子冶金的热效率。
在上述原则指导下，自行研制了专用等离子炬，其结构特点是：
在等离子炬
喷嘴孔周围增加了一个与之同心的环状狭缝，氩气由进气管进入到均气环槽均压
后，通过环状狭缝高速向下吹出，形成高速流动的圆环状气套，将处于中心的
等离子束与周围的大气隔绝，更重要的是产生了中心负压区。
在隔绝了大气的负
压环境中，等离子束流会沿径向自动扩展，其结果是改变了等离子束流截面的
功率密度分布，将原来高度压缩内外温差剧烈的弧柱，变为适当扩束且沿弧柱径
向温度分布较为平缓的柔性等离子束，负压环境也减小了弧柱放电电压，从而
提高了等离子束的稳定性。
根据热流体力学中的热绕流原理，处于室温下的合金
粉末及送粉气将会更易于吹入等离子束流中并与之均匀混合，从而提高了粉末
熔化的均匀性，减少了粉末的热绕流散失，提高了粉末的利用率，同时也避免了
由于粉末加热不均带来的合金元素的过热烧蚀与熔化不足现象，使得熔覆层内
的过热组织与未熔颗粒夹杂等缺陷明显减少，提高了熔覆层的内外在质量。
高速
流动的环状气套还有助于喷嘴和熔覆层的冷却，提高喷嘴的使用寿命并减小零
件的变形。
钨极杆的尖端处于喷嘴下端面上，既可提高起弧可靠性，又可减少弧
光辐射对等离子炬内部的热影响，避免绝缘材料的烧蚀，提高等离子炬的可靠
性与寿命，同时也进一步提高了等离子弧输出的热效率。
此外，由于钨极杆的起
弧尖端与喷嘴向下伸出，可适当增加等离子炬与被熔覆零件表面之间的距离，
既延长了粉末与等离子束流的混合距离与时间，又减少了熔融金属液对炬的烘
烤，提高了等离子炬连续工作的可靠性。
除了上述的关键部件之外，还需要抗干扰能力强的数控系统，以及三维运动
的机床，以供不同要求零件的表面冶金生产。
对于大批量同种型号零件的表面冶
金生产，还需要制造专用的机构和工装，以提高生产效率。
首先针对煤矿机械部分部件的应用特点开展了等离子表面冶金的应用研究。
煤矿机械粗大笨重，技术附加值低，市场竞争激烈，破损形式主要是磨粒磨损、
冲击磨损和腐蚀磨损。
对磨损部件，使用耐磨焊条局部堆焊是目前性价比可接
受的技术，故得到较广泛的应用。
等离子喷涂层不能承受冲击磨损，等离子堆焊
及激光熔覆难以降低成本，因而未得到应用。
煤矿井下刮板运输机中部槽由可焊性良好的低碳低合金结构钢焊接而成，其
失效形式主要是磨粒磨损和腐蚀磨损。
一般情况下，国产中部槽过煤量只有20
余万吨。
利用等离子束表面冶金技术在磨损部位反应生成一层高抗冲击抗磨损
低成本高合金冶金层，以提高其耐磨损性能和降低摩擦系数，其优越的性价比完
全可超越耐磨焊条堆焊，获得大面积推广应用。
利用该技术生产了上万节煤矿
刮板运输机中部槽，在井下经实用考核，结果表明比未经等离子表面冶金强化的
中部槽使用寿命提高4倍以上，但表面冶金的成本仅增加不到20%。
同时还大幅
度降低井上井下拆迁搬运成本，降低频繁更换的劳动强度和煤炭生产中断损失，
综合经济效益十分明显。
图4是等离子表面冶金处理后的刮板输送机中部槽，
图中白色亮带是等离子表面冶金带。
另一个成功应用的案例是采煤机截齿。
采煤机截齿的工作环境十分恶劣，其
破损方式主要有三种：
一是硬质合金刀头碎裂；二是刀体磨损后硬质合金刀头脱
落；三是齿体弯曲或脆断。
在上述三种破损方式中，尤以第二种最多且最难解
决。
所以，在硬质合金刀头的周围“加固”一层抗冲击耐磨层，一直是截齿技术
攻关的核心内容之一。
等离子表面冶金强化技术为此提供了一种迄今为止最为
可行的技术。
采用这一新技术，已生产了数万支截齿在全国各地煤矿投入使用，
万吨消耗量明显下降，使该种破损方式由主要地位下降为次要地位。
图5是等
离子表面冶金处理后的截齿，图中靠近尖部的周边白色部位是等离子表面冶金
层。
从等离子表面冶金技术在较低附加值的煤矿机械上成功应用来看，等离子表
面冶金技术具备了优质高效低成本生产冶金结合超厚耐磨复合材料的特点，这是
由等离子束表面冶金技术自身的技术特征所决定的。
新材料及其制备技术的研究将对世界经济发展产生重大影响，其发展趋主要体现在：
（1）功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向发展；
（2）结构材料向高性能化、复合化、功能化和低成本化方向发展；
（3）薄膜和低维材料研究发展迅速，工业、航天材料异军突起；
（4）新材料制品的精加工技术和近净形成形技术受到高度重视；
（5）材料及其制品与生态环境的协调性倍受重视，以满足社会可持续发展的要求；
（6）材料的制备及评价表征技术日受重视，材料制备与评价表征新技术、新装备不断涌现；
（7）材料在不同层次（微观、介观和宏观）上的设计发展迅速，已成为发展新材料的重要基础。
综上所述，当今新材料及其制备技术的发展趋势具有以下几个特点：
（1）新材料技术是现代工业和高技术发展中的共性关键技术，材料科学技术已成为当代和下世纪初最重要的、发展最快的科学技术之一。
信息、能源、农业和先进制造等技术领域的发展都离不开新材料及其制备技术的发展；
（2）综合利用现代先进科学技术成就，多学科交叉，知识密集，导臻新材料及其制备技术的投资强度大、更新换代快，经济效益和社会效益巨大；
（3）新材料的制备和质量的提高更加依赖于新技术、新工艺的发展和精确的检测控制技术的应用。
对制备技术的重视与投入直线上升，极大地加速了基础材料的发展和传统产业的改造。
（4）对材料基础性、先导性的认识已形成共识。
材料的研帛和发展既要与器件的研帛密切配合，又要注意到自身的系统性和超前性，这样才有利于材料实现跨跃发展。
4方法
2.扫描电镜
扫描电子显微镜（SEM）是材料学领域中应用最为广泛的一种电子显微镜。
SEM广泛使用是因为它既具有光学显微镜制样简易性，又具有昂贵、复杂的透射电镜的众多功能和适用性。
SEM是20世纪30年代在德国由Knoll和VonArdenne首创的。
在20世纪40年代，美国RCA研究所实验室的Zworykin，Hillier和Snyder对它的进展起了重要作用，但是，他们的成功最终受到当时真空条件的限制。
现代的SEM是Oatley和他的学生从1948年到1965年期间在剑桥大学的研究成果。
SEM是近几十年来才趋于完善的一种电子光学仪器，它利用入射电子束与试样作用产生的各种信号，可对试样进行形貌观察、成分分析等多方面工作。
SEM具有分辨本领高、放大倍率变化范围宽（放大率可从十几倍连续放大到几十万倍）、成像焦深长、立体感强等特点，可对凸凹不平的断口表面的宏观和微观形貌特征进行观察和分析。
SEM还备有X射线谱仪，可对断口表面进行成分分析。
3.电子探针X射线显微分析
电子探针X射线显微分析简称电子探针。
它的结构与扫描电镜相似，新型的电子探针是一种综合性的测试分析仪器，能同时获得微区成分、微观形貌、晶体结构等信息，是研究冶金缺陷的先进工具之一。
由于电子探针具有分析区域小、分析元素范围广、分析灵敏度高、分析速度快且不损耗试样等特点，它在冶金学、地质和矿物学、材料科学等领域得到了广泛的应用。
在分析钢中非金属夹杂物的成分时，将电子探针与金相鉴别方法紧密的结合起来，直接测量与金相观察相对应的夹杂物成分，对识别钢中非金属夹杂物的属类和进一步追溯夹杂物的来源是很有价值的。
5前景
進人20世紀90年代后，國際上普遍認為材料工业應逐步由傳統的熔炼冶金向合成冶金過渡，中（鹼）性施膠劑AKD（烷基烯酮二聚物）和ASA（烯鏈基琥珀酸酐）均屬反應型施膠劑，其施膠机理是施膠劑与纖維素通過共价鍵結合使紙張產生抗水性。
但是，由于AKD与纖維反應較慢，且易出現堆滑等問題，因此不适合于車速在1200m2/分以上的紙机﹔而ASA乳液不穩定，保存期短，需要現場乳化使用。
同時，反應型施膠劑AKD和ASA比較适用于木漿原料造紙，在用于再生纖維抄紙時效果不理想，其施膠度也不象松香系列施膠劑那樣容易控制。
因此，中（鹼）性施膠劑AKD和ASA反應型施膠劑在中國的推廣沒有原來估計的那么順利，根据我國造紙纖維原料以再生纖維為主（2004年達到52%）的國情,施膠劑的使用將進入一個多元化的時代。
根据有關信息資料調查，2004年我國紙和紙板生產企業約有3500家，國內造紙厂80%以上是中小型企業，造紙的纖維原料以草漿和廢紙漿為主，只有少數外資企業如江蘇省金東紙業、芬歐匯川（常熟）有限公司等全部使用進口木漿生產。
從對國內大中型紙厂統計的數据上來看，陽离子松香施膠劑占43%，AKD占28%，陰离子施膠劑占21%，ASA占8%，乳液松香施
膠劑（包括陽离子型、陰离子型）占的比重達到64%。
隨著紙厂規模化經營和品种檔次及質量要求的提高，許多中小型紙厂在施膠劑的選擇檔次上也會有所提升，但由于這類紙厂造紙的纖維原料以草漿和廢紙
漿為主，纖維原料的來源決定了中小型紙厂使用的是性能較好的松香系列施膠劑（陰离子乳液松香膠、陽离子乳液松香膠）。
因此，在今后若干年內松香系列施膠
劑（陰离子乳液松香膠、陽离子乳液松香膠）仍將是我國施膠劑的主流產品,造紙行業仍將是硫酸鋁產品的巨大市場。
由于中國的經濟保持著高速發展，可以預計2015年8000万吨的全國造紙行業規划指標將會提前實現，新增加的3000万吨紙与紙板的產量中需要施膠的紙种如果60%使用乳液松香施膠劑就將新增35 40万吨硫酸鋁的需求量，這對我國鋁鹽行業的產能發揮是一項重要的保障。
3.硫酸鋁產品在水處理行業的應用与前景
硫酸鋁在工業和市政廢水處理中被用混凝劑,將其加入到水中，反應生成三水合氧化鋁膠狀沉淀，吸收沉降細菌、膠体以及其他懸浮物質。
隨著水排放指標的日益提高，硫酸鋁在水處理中的用量加大了。
硫酸鋁在飲用水中用來脫色、去味。
在飲用水處理過程中因為消毒副產物的增加，使得硫酸鋁的加入量增大，導致了硫酸鋁市場需求的上升。
硫酸鋁通常与鋁酸鈉一起使用。
在水處理中硫酸鋁与其他絮凝劑一起競爭市場份額，比如﹕鐵鹽系列、有机聚合物以及其他鋁化合物（包括PAC、鹼式氯化鋁）。
4.硫酸鋁產品的其他用途
硫酸鋁還用于生產醫藥、化妝品、媒染劑、油脂澄清劑、滅火劑、鞣革劑以及生產鈦白粉高級填料等。
硫酸鋁也用于生產銨明礬、鉀明礬、硫酸鋁鈉，硫
酸凝膠等其他鋁鹽產品。
硫酸鋁凝膠及燒結無鐵硫酸鋁還可作為生產高純氧化鋁的原料。
市场前景分析
尽管我国丁二烯目前还供不应求，但专家分析指出，趋势正在向供需基本平衡转变。
从国际看，不少国家和地区产能过剩。
其中，美国是最大生产国，年产能力达274万吨，其下游行业迫于竞争压力纷纷向国外转移，使得美国等发达国家丁二烯行业抹上了不景气的色彩。
"风景这边独好"的中国，势必会成为他们的目标，从而对国内供需走向带来影响。
国内方面，为与新建或扩建乙烯装置配套，多家企业准备新建或扩建丁二烯装置，据不完全统计，今后几年可能会新增50万吨丁二烯年产能力。
丁二烯下游行业，如顺丁胶、SBS热塑性弹性体等，需求也在增长，ABS将是我国丁二烯消费增长的主要动力。
随着国内信息和汽车工业迅速发展，对ABS需求量将较快增长，不少地方都在新建ABS装置，投产后对丁二烯的需求必然增长。
但总的看，受消费主要领域合成胶新增产能的限制，随着丁二烯产能增加，国内丁二烯市场将由供不应求转向供需基本平衡。
因此，丁二烯厂家在关注量的增长的同时，更要重视质的提高，以适应国际竞争的需要。
5结论
等离子束表面冶金 的技术特征是在按照程序轨迹运行的转移弧等离子束流
的高温下，金属零件表面率先依次形成与弧截面尺寸相近且有一定深度的熔池，
然后将物理混合搅拌均匀的混合粉末或者预先冶炼喷雾而成的合金粉末注入到
熔池中，粉末吸收熔池的热量迅速熔化，与熔池金属混合扩散反应，随着等离子
弧柱的向前移动，新的熔池不断生成，而后面的熔池迅速凝固，形成与基体金
属之间
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