等离子喷焊镍基合金

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）等离子喷焊镍基合金耐磨性能研究年 级:2007级学 号:20075301姓 名:孙 兵专 业:材料成型及控制工程指导老师:车小莉、李达 2011 年 06 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 年 级 2007级 姓 名 孙 兵 题 目 等离子喷焊镍基合金耐磨性能研究 指导教师 车小莉、李达评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页毕业设计（论文）任务书班 级 成型2007-01班 学生姓名 孙 兵 学 号 20075301 发题日期： 2011年 3 月 8 日 完成日期： 2011年6月 16 日题 目等离子喷焊镍基合金耐磨性能研究 1、本论文的目的、意义 随着列车速度的提高，高速铁路关键材料，如钢轨、轴承以及捣搞等材料的磨损、腐蚀等失效情况也变得日益严重。因此如何提高高速 列车关键材料的耐磨性及疲劳寿命是一个急需解决的问题。利用等离子热源在材 料表面喷焊高性能合金层作为材料表面强化技术之一，具有合金材料消耗少，能 够喷焊各种合金粉末材料，可得到稀释率低，结合强度高的致密合金层。同时，根据材料实际工况的使用要求，可以对不同的合金粉末进行喷焊，成本低、生产率高。镍基合金具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性，是国内外普遍采用的合金粉末。因此，本文拟对等离子喷焊镍基合金喷焊层的耐磨性能进行基本的研究，同时和现阶段使用的堆焊捣镐耐磨性能进行对比，为后续耐磨喷焊层的制备以及具体的工程应用提供理论参考的实际指导作用。 2、学生应完成的任务（1） 阅读中英文文献，熟悉等离子喷焊相关理论及其应用； （2） 采用等离子喷焊设备对试样进行喷焊试验； （3） 对喷焊层显微组织形貌、硬度以及耐磨性等进行试验及分析； （4） 根据以上学习及实验能掌握等离子弧喷焊的基本原理、应用，熟悉材料学中显微组织观察及力学性能测试的基本知识，并完成本科毕业设计论文。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页3、论文各部分内容及时间分配：（共 14 周）第一部分文献阅读及文献综述的撰写 (3周) 第二部分合金粉末准备以及喷焊试验 (3周) 第三部分喷焊试样制备，硬度测试及显微组织观察 (2周)第四部分耐磨性测试 (1周) 第五部分论文撰写及修改 (4周)评阅及答辩 (1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页摘 要 现代高速铁路技术迅猛发展的同时对高速铁路关键材料提出了新的挑战；现役高速铁路关键材料的磨损、腐蚀失效情况也阻碍着高速铁路的发展。利用等离子热源在材料表面喷焊高性能合金层作为材料表面强化技术之一，具有合金材料消耗少，能够喷焊各种合金粉末材料，可得到稀释率低，结合强度高的致密合金层。本文使用等离子喷焊技术制备喷焊镍基合金喷焊层以提高材料的耐磨性。本论文中主要使用等离子喷焊技术在不同转弧电流下喷焊DG.Ni60A和DG.Ni60WC25两种镍基合金粉末。随后对各喷焊层进行了显微组织、硬度特性和耐磨性分析，最后还将各种喷焊层耐磨性和捣镐堆焊层耐磨性做出了对比分析。结果表明：硬质相WC的加入通常可以使得材料硬度增加；具体喷焊时，小电流下喷焊层的硬度更高。一定条件下，转弧电流大小对喷焊镍基合金耐磨性具有很大的影响；硬质相WC的加入在有些时候可以提高喷焊层的耐磨性，但在另外一些时候反而使得耐磨性降低；结果显示出转弧电流越小，耐磨性能越好。最后还通过喷焊层和捣镐堆焊层耐磨性的对比，得出耐磨性优于堆焊捣镐的合金粉末及相应的工艺条件。这就为在以后的工作中进一步寻求更优的工艺参数，寻找耐磨性、韧性更好的合金粉末，使用喷焊合金粉末的方法制备捣镐提供了可能性。关键词： 镍基合金； 喷焊层； 耐磨性 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页Abstract The development of modern high-speed railway technology puts forward new challenges to key materials of high-speed railway; The high-speed railway key materials active wear and corrosion failure situation also hindering the development of high-speed railway. Using plasma heat source spray welding in high-performance alloy material be one of surface strenged technology, with low alloy material consumption, can spray welding various alloy powder materials, can get diluted with high strength, low rate of the density of alloys layer. This paper use plasma spray welding technology to prepare nickel-based alloy spray welding layer to improve material wear resistance.In this thesis, Use plasma spray welding technology to spary DG. Ni60A and DG. Ni60WC25 two kinds of nickel-based alloy powder in different transfer current. Then to analysis the microstructure and hardness properties and wear resistance of all kinds of spray welding layer , finally will also compare spray welded layers with clad layer oftamping pick. Results show that: The addition of hard phase WC can usually increase hardness of material ;In this plasma spray welding process,the lower current provided,the higher hardness will be shown.General speaking,the size of transfer current has a great influence on the wear resistance of nickel-based alloy.The addition of hard phase can improve wear resistance in sometimes,but will be not in another time. The result also show that the smaller transfer current,the higher wear resistance.We also gain some high quality spray layer in corresponding process conditions through compare with clad layer.So it is to provide opportunity for us to find new alloy powder、new process parameters to prepare the high wear resistance of tamping pick for using plasma spary weling.Key words: Nickel-based alloy; spray welding layer; wear resistance 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页第一章 绪论11.1 问题的提出11.2 等离子弧喷焊技术11.2.1 等离子弧的基本知识21.2.2 等离子弧的工作形式31.2.3 等离子弧的基本特点41.2.4 等离子弧热喷焊技术的发展现状及前景51.3 镍基合金及镍基合金喷焊71.3.1 镍基合金71.3.2 镍基合金喷焊及发展现状71.4 材料磨损失效理论101.4.1 磨损的基本理论101.4.2 磨料磨损的基本知识101.4.3 影响材料磨料磨损失效的因素111.4.4材料组织和硬度对耐磨性的影响121.5 本文研究的内容及意义121.5.1 本论文研究的内容以及试验方法121.5.2 本论文研究的意义13第二章 试验设备材料及研究方法142.1喷焊方法简介142.2 等离子喷焊设备142.2.1 等离子喷焊过程142.2.2 喷焊设备162.2.3 喷焊送粉系统172.2.4 非转移弧工作形式172.2.5 直焊道喷焊装置172.2.6 喷焊过程中的劳动保护182.2.7 等离子弧喷焊操作流程192.3 试验材料192.3.1 试验基体材料192.3.2 喷焊合金粉末192.3 实验研究方法202.3.1 等离子喷焊工艺试验202.3.2 喷焊金相组织试验222.3.3 硬度测试试验232.3.4 耐磨性测试24第三章 喷焊层基本性能分析263.1 喷焊工艺试验及分析263.1.1 DG.Ni60A合金喷焊263.1.2 DG.Ni60WC25合金粉末喷焊263.2 金相实验结果分析及讨论273.3 硬度结果分析及讨论30第四章 镍基喷焊层耐磨性分析394.1磨损的实验方法及材料耐磨性评定方法394.1.1 材料磨损程度评定方法394.2磨损失重量分析404.3磨损后试样形貌分析454.3.1 磨损后宏观形貌分析454.3.2 磨损后微观形貌分析46结论48致谢50参考文献51 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第54页第一章 绪论1.1 问题的提出随着世界范围内先进制造技术的发展，新的焊接方法也随之发展；随着人们对构件性能要求的提高，新的制造和修复方法也随之发展。作为拥有诸多优势的等离子弧喷焊技术，在冶金、矿山、机械、电力和交通运输等行业已广泛使用，同时等离子弧喷焊技术也可以作为一种构件修复手段。镍基合金具有良好的耐磨性能，使用等离子弧喷焊技术制备出镍基合金喷焊层具有重大的现实意义。 铁路的电气化和高速化是现代轨道交通的重要标志。高速铁路巨大的发展同时也对我国列车高耐磨材料、大型养路事业提出了更高的要求。随着列车速度的提高，高速铁路关键材料，如钢轨、轴承以及捣搞等材料的磨损、腐蚀等失效情况也变得日益严重。因此如何提高高速列车关键材料的耐磨性及疲劳寿命是一个急需解决的问题。利用等离子热源在材料表面喷焊高性能合金层作为材料表面强化技术之一，具有合金材料消耗少，能够喷焊各种合金粉末材料，可得到稀释率低，结合强度高的致密合金层。同时，根据材料实际工况的使用要求，可以对不同的合金粉末进行喷焊，成本低、生产率高 H Wang et al. Investigation on the deposition rate and the dilution ratio of plasma surface weldingJ.China Welding.2002,11(1) : 56-58 。镍基合金具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性，是国内外普遍采用的合金粉末。因此，使用等离子弧喷焊技术喷焊合金粉末来开发新的耐磨材料、制造高耐磨关键材料及设备配件是具有重大现实意义的。1.2 等离子弧喷焊技术 等离子弧喷焊是应用氩气等离子弧作为高温热源，采用合金粉末作填充金属的一种表面熔敷合金的新技术，是新的表面硬化或材料保护方法之一 高荣发 马小雄编著 等离子弧喷焊M.机械工业出版社,北京.1979:2-4,9。目前等离子弧喷焊技术已广泛应用于机械制造、石油化工等行业 Nefedov Lyalyakin. Development of plasma welding and surfacing abroadJ.Welding International.1998,(9):736-741。同时在现在等离子弧的应用过程中，等离子弧可与激光、其他电弧共同作用且取得了一定的效果 Claus Emmelmann et al. Development of Plasma-Laser-Hybrid Welding ProcessJ. Physics Procedia.2011,(12):194-200。1.2.1 等离子弧的基本知识等离子弧本身是一种压缩电弧，是通过外部拘束使自由电弧被强烈压缩形成的电弧 杨春利 林三宝主编 电弧焊基础M.哈尔滨工业出版社,哈尔滨.2003:114,116。等离子弧焊抢中，阴极和水冷紫铜喷嘴之间或阴极和工件之间形成的电弧通过较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，使弧柱受到强行压缩。压缩电弧和自由电弧相比弧柱直径更细、弧柱电流密度显著提高。通过喷嘴的气体受到剧烈的碰撞和热作用，气体能够充分电离来产生等离子体弧柱，这种压缩电弧叫等离子弧2。图1-1是自由电弧及压缩电弧的基本示意图。 图1-1自由电弧和压缩电弧基本示意图关于通过喷嘴孔道之后的电弧就形成了等离子弧的原理。通常认为主要是喷嘴本身以及气流两方面的原因促使电弧内部热电离过程的变化。各种因素主要通过热收缩作用、机械压缩作用以及自磁压缩作用使自由电弧至等离子弧转变的发生: 1.热收缩作用 紫铜喷嘴本身有着较优良的导电性、导热性，当受到水冷时，孔道壁面温度很低。气体连续地流过孔道在靠近壁面的气体受到冷却，迫使电弧电流往电离度高的中心部位流过，即电弧向中心部位压缩。这种使得弧柱温度升高和能量密度提高的作用叫“热收缩作用”2,3。2.机械压缩效应水冷孔道对电弧有机械式压缩作用。喷嘴孔径大小也就基本确定了相应的等离子弧弧柱的粗细，使得电弧弧柱截面积减小、能量密度提高。显然，喷嘴孔径及其几何尺寸，除通过热收缩效应实现对电弧不同程度的压缩外，还起到对电弧机械压缩的作用。 3.自磁压缩效应电弧电流有一定的流向，整个弧柱电流线之间的自磁收缩作用进一步增强，可以使得弧柱的电流密度进一步增加、温度和能量密度进一步提高。在磁场的作用下，每根导体受到的电磁力都是指向这一束导体的中心；这种自身磁场产生的电磁力作用的结果，使弧柱受到一个指向弧柱轴心的压缩力，从而使电弧受到压缩，如图1-2所示。热压缩和机械压缩效应使弧柱变细后，自磁压缩效应更强。在三个作用中，喷嘴的机械式拘束是前提条件，而热压缩是最本质的原因。以上三个效应对电弧作用的结果，使电弧受到强行压缩而产生等离子弧，其温度可达2.41045.0104K。等离子弧拥有着很高的温度，在焊接应用中有着无可比拟的优势。这三个效应是相互依存、共同作用的。 图1-2 平行导线同向电流受力示意图1.2.2 等离子弧的工作形式等离子弧的工作形式主要有以下几种形式2：（1）非转移型弧 喷嘴接正极，钨极接负极，电弧建立在钨极与喷嘴内表面之间，高温的等离子焰流从喷嘴内喷出。一般用于喷镀、切割等。（2）转移型弧工件接正极，钨极接负极，电弧建立在钨极和工件之间。其温度比非转移型等离子弧高，能量集中。工作中，等离子弧引燃后，通过开关切断引燃弧。转移性弧可用于金属切割、熔炼、焊接、送丝堆焊和粉末喷焊等。（3）联合型弧（混合型弧）非转移型弧和转移型弧并存时叫联合型弧，即当电弧引燃并形成转移弧后，引燃弧仍然保持。在采用联合弧时，一般非转移型弧是辅助热源。混合型等离子弧一般用于粉末喷焊。三种等离子弧的形式如图1-3所示。 图1-3等离子弧的形式1.2.3 等离子弧的基本特点等离子弧和一般自由电弧相比，显著的不同是弧柱细、电流密度大、气体电离充分，因而具有以下主要特点2：（1） 温度高能量密度集中 根据焦耳-楞次定律知，通过导电导体的热功率密度W为： (式1-1)式中代表电流密度（A/cm2）、代表导电率（1/cm）（2） 稳定性好 等离子弧挺直度好，没有自由电弧易于飘动的缺点。（3） 可控性好 通过气体选择和改变压缩效应可以获得所需要的参数。1.2.4 等离子弧热喷焊技术的发展现状及前景热喷焊技术是基于热喷涂技术发展起来的。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(Metal Spra-ying)。此后, Schoop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、1916年制成了实用型的电弧喷枪。二战初期,自熔性合金粉末出现,粉末火焰喷涂风靡一时8。到了20世纪60年代,等离子喷涂技术已经在工业上应用, 20世纪60年代中期等离子弧热喷焊技术研制成功。随着各种热喷涂和热喷焊技术的全面发展,国际间的交流逐渐开展。20世纪80年代,热喷涂技术又有了新的发展。突出表现在研制成功超音速火焰喷涂和将电子计算机应用于热喷涂设备之中,使热喷涂涂层向着更高的质量和精密化方向发展。此后,热喷涂技术进一步在工业部门民用产品大批量的生产中得到应用,其增长速度有了大幅度提高,“热喷涂工业”才真正成长起来 邓世均. 迎接热喷涂工业的兴起J.材料保护.2000,33(1):78-82。我国热喷涂技术的应用始于20世纪40年代末期，20世纪60年代末期开始研究等离子弧热喷焊技术,同时开始应用粉末火焰喷焊技术。随着热喷涂（喷焊）技术的推广应用,现已基本形成了热喷涂（喷焊）设备和材料的生产体系。国内等离子弧热喷焊技术的研究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，同时也获得了技术经济效益8。随着对新材料的进一步开发和应用,等离子弧热喷焊技术将不断得到完善和发展。国外从事等离子弧喷焊技术的研究相对比较早，尤其是欧美国家。欧美国家从事等离子弧喷焊技术的研究较早,现已形成大规模的开发研制生产基地。与此同时也涌现出了一大批跨国公司,比如Miller（美国）、METco（美国）、CastCin（瑞士）等等。分别都研制了自己的系列产品、并不断改进和提升。虽说日本等离子弧喷焊起步相对较晚,但比较注重世界一流设备的引进和研究,特别是近几年来的发展相对迅速。较之发达国家，我国对等离子弧喷焊技术研究主要集中在高校和科研机构，企事业单位相对很少。针对设备的改进工作，西北工业大学开展了脉动等离子弧热喷焊技术研究,通过在工件和喷枪阳极(喷嘴)间接入高频的IGBT无触点开关,成功地实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作,实现了单一电源下的等离子弧热喷焊。西安交通大学开展了适宜于Al、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备的研究,主弧的正、负半波分别由两台直流电源供电,对工件(铝)实现了变极性焊接,它不仅使电弧稳定,而且还有可靠的阴极清理作用。王惜宝、张文钺 王惜宝 张文钺. 等离子弧粉末堆焊过程中粉末颗粒的运输行为J.焊接学报.2000,21(4):33-37分析了等离子弧粉末喷焊时粉末在转移弧中的输运行为及其主要影响因素,以铁基合金粉末和碳化硼粉末为例，计算了不同参数下在弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布。在应用方面,西安航空发动机公司以自制的电源设备和进口的等离子焊枪,实现了某航空发动机工艺的改进。南京船舶设备配件有限公司从美国引进的等离子粉末喷焊机对气阀阀面、阀座阀面进行了有效的强化处理,并对杆身、端部进行各种强化,以保证可靠的性能,取得了良好的效果。喷焊工艺主要适合于冲击载荷较大、热疲劳环境及对工件变形要求不严格的地方 许雪 赵程. 等离子弧热喷焊技术的发展与现状J.冶金丛刊.2006,(3):44-46。 关于控制工作,等离子弧喷焊工艺程序相对是比较复杂的。等离子焊接设备中要控制的对象比较多,主要有电源、振荡电源、喷焊机身、送粉器、摆动机构等等,而同时任何一部分都可以影响喷焊层的效果，故而对任何一部分的改进都是具有相当意义的。兰州理工大学研制了以单片机80C196KC为核心的自动等离子弧喷焊控制系统,使得整个设备的体积和重量都大大减小并且实现了喷焊过程的自动控制 陈克选 郝晓龙 李春旭. 等离子弧热喷焊单片机控制系统研究J.兰州理工大学学报.2004,30(2):15-17。南昌航空工业学院进行了用PLC改进等离子弧热喷焊装置的研究,并通过实践证明该控制系统抗高频干扰能力强、运行可靠、故障率低、操作方便 陈焕明 江淑园 葛志雄. 等离子弧热喷焊过程的PLC控制J.新技术新工艺.2003,(7):35-37。目前,随着等离子弧喷焊技术研究的不断加强和深入,等离子弧热喷焊技术需要朝着大功率、小型化、智能化、自动化、高精度的发展。随着复合材料等技术的广泛研究和应用。喷焊所采用的粉末易于调节,也是一种制备复合材料的新方法。杜则裕 杜则裕 宋均 熊慰军等. 等离子喷焊工艺研究J.焊接技术.1996,(3):2-3等人采用正交试验方法对Fe07、Fe9A等铁基合金粉末的等离子弧焊接工艺参数进行了研究，并找出了最优值。在试验中采用正交的试验方法为后续的试验研究工作提供了重要的理论指导和实际意义。在煤矿机械中,应用等离子弧热喷焊技术在金属零部件工作表面堆焊耐磨耐蚀合金材料能满足石油化工行业的“三高”工况，同时也减少停机检修造成的经济损失 汪瑞军 徐林 黄小鸥. 等离子粉末堆焊技术在石油化工业的应用J.焊接.2003,(1):24-26。邵德春等 邵德春 李慕勤 马臣. 稀土对喷焊层耐磨性的影响机制J.中国稀土学报.1991,9(3):248-252通过系列化试验提出稀土元素可以是喷焊层的组织细化并使硬质相数量、尺寸、形状发生变化。等离子弧喷焊是种有着巨大发展前景的表面技术。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, 如何利用改变粉末的比例、工艺参数使成分连续变化、组织具有一定程度的变化以制备性能优良的复合材料, 对生产和科研工作都具有重大的现实意义8。关于控制工作，引入单片机、PLC等对设备进行控制改进的方法已逐步得到应用,但还不能使PLC的软件功得到充分发挥。因此在增强设备的工艺适应性和稳定性, 更好的发挥控制软件功能方面, 还有好长一段路要走。1.3 镍基合金及镍基合金喷焊1.3.1 镍基合金 镍基粉末主要是镍铬硼硅合金和镍硼硅合金。此类合金的共同点是熔点低且自熔性好，具有良好的耐磨、耐蚀和抗氧化性能。该合金以镍为基，还有10%以上的铬和添加硼、硅元素的Ni-Cr-B-Si系自熔性合金粉末，是最早作为喷焊的材料，至今应用还很广泛。 Ni-Cr-B-Si系自熔性合金具有较宽的液固相温度范围，熔点较低，液态流动性很好，因而具有良好的工艺性。这类合金随温度的升高，不发生相变，因而在一般热处理时，其硬度和其他性能基本不发生变化。 镍基合金喷焊后，合金中的硼、硅形成三氧化硼、二氧化硅，其他金属氧化物形成硼硅酸玻璃而熔融上浮。故而喷焊层的缺陷较少。1.3.2 镍基合金喷焊及发展现状 随着工业和制造业的发展，人们对机械产品的寿命和服役性能有了更高层次的需求，尤其是对材料在服役期内的特殊性能有所要求。同时，现在制造业中单纯的通过添加合金元素来使得构件整体满足使用要求的方式的方法已被淘汰。现阶段表面技术已大力发展且发展前景广阔，这就为表面技术的进一步发展提供了良好的基础。等离子弧喷焊产品质量稳定、性能优良、适用性好；其次，喷焊设备控制性能好、易于实现自动化等。该技术在诸多领域已有应用，尤其是在修补已损坏零部件和表面改性中有着显著的经济效益和可靠性。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。随着工业的发展,对机械产品的寿命和新材料的制备都提出了更高的要求。随着等离子焊接设备和工艺的发展,将在生产和维修中发挥越来越重要的作用。镍基合金喷焊技术在现阶段有着深入的研究发展和广泛应用的。镍基合金有着优良的使用性能，是应用最广泛的喷焊合金粉末之一。镍基固溶体具有良好的高温和常温力学性能、良好的稳定性和优异的韧性, 可作为熔覆层的连续相 卢金斌 张照军 宁久超等. 添加碳化物铁基合金等离子弧熔覆复合涂层的组织分析J.焊接学报.2009,30(9):65-68， 卢金斌 田慧敏 梁存等. 等离子熔覆添加WC的Fe-Cr-Ni-B-Si涂层的研究J.热加工工艺.2009,38(4):55-57。镍基合金具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性能，是国内外高质量的等离子堆焊所普遍采用的合金粉末 宇文利 刘秀丽 李伟华. 等离子堆焊Ni基合金粉末熔覆层性能研究J.金属热处理.2006,31(10):41-43。罗勋等 罗勋 宣天鹏. 镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展J.电镀与环保.2007, 27 (3):8-11认为利用镍基镀覆层作为表面抗磨层可以减轻磨损造成的破坏, 修复被损坏的零件, 降低能量的消耗, 延长机器使用寿命等, 对节约能源和原材料,保护环境, 促进国民经济的发展具有重大意义。然而在具体的工程应用中，单纯的镍基合金还不足以满足人们对工件、构件实际工况环境下使用性能的需求。这时，研究人员就在工程应用背景之下来寻求更好的满足使用性能需求的合金系，通过添加合金元素或其他元素的方式较为常见，例如WC、稀土合金、稀土氧化物等。庞佑霞、陆由南 庞佑霞 陆由南. WC加入量对Ni60自熔合金喷焊层冲蚀磨损特性的影响J.材料保护.2007,40(3):71-72提出，在没有腐蚀介质的干磨损的情况下随着WC含量的提高，喷焊层耐磨性提高。同时对WC添加量在合适范围内的冲蚀性能进行了更深的研究，提出了关于冲蚀磨损机理是微切削及硬质粒子的剥落的观点；同时也提及了喷焊层要有好的耐冲蚀性能, 需要保持一定的WC硬质粒子含量的观点。对后续喷焊层在冲蚀磨损方面的工作提供了重要的理论指导。邵德春等13通过系列化试验提出在镍基合金添加稀土元素可在一定范围内提高喷焊层的耐磨性能；并且提出了大致的最优添加量。王长生、杨蕴林 王长生 杨蕴林. WC加入量对Ni60自熔合金喷焊层磨粒磨损性能影响J.热加工工艺.1997,1：28-30提出了适当的增加WC的含量可以提高合金喷焊层的抗磨粒磨损性能,并且另外一方面也通过实验证明了WC的加入量在20-35%(wt)时，相对耐磨性可以提高大约4倍；另外，作者还运用对比试验的方法说明了Ni60自熔性合金喷焊层磨粒磨损失效的主要形式，那便是显微切削擦伤和梨沟，其次才是剥落；并且通过对比试验结果有力的证明了WC的加入可以提高抗显微切削擦伤和形成梨沟的能力，而过多的WC将使剥落增多。鲍君峰 鲍君峰 于月光 刘海等. 火焰喷焊Ni基WC复合涂层的性能研究.矿冶.2006,15(4):27-29等人研究了WC 的含量对Ni60+ WC喷焊涂层组织及耐磨损性能的影响. 陈传忠 陈传忠. WC/Ni60A等离子喷涂层的相结构分析J.材料研究学报.2000,14(2):147-152、李士同 李士同 王成国 伦宁等. Ni60(WC)涂层显微组织的电子探针分析J.电子显微学报.2002,21(5):713-714等对Ni60 及Ni60+WC 涂层的相结构和显微组织进行了详细的讨论和详尽的分析。文献38在Q235钢材表面进行熔覆一定含量的WC合金粉末，制备具有冶金结合的喷焊层,并且采用相关分析技术对其性能进行分析，运用实验数据来证明相关的技术可以满足现阶段工件、构件的实际工况要求。孟普 孟普 宁久超 卢金斌等. Q235钢表面等离子弧熔覆自粘结镍基WC的研究J.中原工学院学报.2009,20(6):38-40等人在Q235钢基体表面进行等离子弧熔覆自粘结镍基WC合金粉末制备出冶金结合的熔覆组织层,且利用相关技术来进行测试分析。最终表明：WC颗粒可以全部溶解，还有使得熔覆层硬度提高的强化机制是由于碳化物的弥散强化和W、C、Cr等合金元素溶入-Ni（Me）中的固溶强化。另外关于在镍基合金中添加稀土的研究进展也是有重大意义的。我国是世界上的稀土大国，以前稀土主要用于出口，而同时在进口稀土相关的产品，。现在可以在合金体系中添加稀土，不管是以稀土合金方式还是以稀土氧化物方式，均可以在一定范围内提高镍基合金喷焊层的效果22。文献 W. Yi et al. Effect of rare earth on oxidation resistance of iron base fluxing alloy spray-welding coatingJ. Journal of Alloys and Compounds .2000,311 (1) :65 68中作者提出添加稀土元素可以在改善铁基合金高温时喷焊层的抗氧化性能。张振宇等 Z. Zhang et al. Effect of CeO2 on the microstructure and wear behavior of thermal spray welded NiCrWRE coatingsJ.Wear.2007,262(5-6):562-567中提及CeO2明显的改善了喷焊层的硬度和耐磨性，认为CeO2可以细化合金显微组织，提高喷焊层的性能。张振宇等25提及CeO2明显的改善了喷焊层的耐磨性，其主要作用是改善喷焊集体和喷焊合金之间的结合、细化组织、改善硬质相分布等，可以改善喷焊层抵抗磨损的性能。随着等离子喷焊镍基合金技术在实践中的应用，喷焊层微观组织、空隙率等问题也得到了分析和解决 H. Skulev et al. Modifications of phases, microstructure and hardness of Ni-based alloy plasma coatings due to thermal treatmentJ. Surface and Coatings Technology.2004,185(1):18-29。现阶段机械零部件失效中，磨损失效占有很大的比例。随着现在实际工程工况中由于磨损导致构件失效的情况越来越多的发生，这方面也自然而然的受到社会各界的关注。如何实现少投资、多产出是众多研究人员最关注的研究方向。1.4 材料磨损失效理论1.4.1 磨损的基本理论摩擦是两个具有相对运动或有相对运动趋势的物体在接触面上出现阻碍相对运动的现象。两个相互接触或相对运动的表面不可避免地会发生摩擦,有摩擦即有磨损发生 覃奇贤 刘淑兰. 浅谈摩擦与磨损J.电镀与精饰.2009,31(5):33-36。摩擦与磨损之间存在有因果关系。磨损在造成构件磨损失效的同时也可以为人们所利用，“跑合”、磨削加工等本身就是磨损过程 续海峰. 粘着磨损机理及其分析J.机械管理开发.2007,(4):95-96、98。磨损是一种普遍而复杂的现象。据统计，由于摩擦磨损消耗的能源约占1/31/2，我国每年由于磨损而引起的耐磨材料消耗量约300万t以上 陈华辉等. 耐磨材料应用手册M.机械工业出版社,北京.2006:38-44,99。磨损引起的零件失效占绝大多数。而关于磨损的定义，现在尚未有统一的磨损定义。英国机械工程师协会中有一委员会给磨损的定义是：由于机械作用而造成物体表面材料的逐渐损耗。覃奇贤等27认为磨损应该定义为：由于机械作用,有时伴随化学作用(指腐蚀磨损)及电的作用(电火花磨损) ,材料表面在相对运动中不断损耗的现象叫做磨损。克拉盖尔斯基 克拉盖尔斯基B,等.摩擦、磨损与润滑手册M.余梦生,吴永伟,等译.机械工业出版,北京.1986将磨损的定义为：由于摩擦结合力反复扰动而造成的材料的逐渐损耗。邵荷生等 邵荷生 曲敬信 许小棣等. 摩擦与磨损M.煤炭工业出版社,北京.1992认为：由于机械作用、间或伴有化学的或电的作用，物体工作表面在相对运动中不断损耗的现象称为磨损。我国材料磨损失效的研究以及进展主要在耐磨材料的生产品种日趋完善和标准化、研究耐磨材料的规模和数量的大幅增加和耐磨材料的新技术、新工艺和新产品的不断开发与应用等方面进行进一步的发展。现阶段，有些耐磨产品及材料在类似建材、冶金等部门已经制定出了相应的标准；我们耐磨易损件每年可达到数百万吨，已经在现代工业中占有相当的比重；随着国内企业和国外企业的合作，国内的企业也在引进国外先进设备，有利于新技术、工艺和产品的进一步研发。1.4.2 磨料磨损的基本知识磨料磨损(Abrasive Wear)，也叫做磨粒磨损。通常是指由硬质颗粒或者是硬的微凸体与材料的表面相互作用，使材料产生磨屑而导致材料表面遭受损耗的现象26。表面失效是零部件中的重要失效形式, 在表面失效中, 磨损占60% 80% 的比例, 其中磨料磨损造成的损失在磨损失效中约占50% 黄智文. 谈谈磨粒磨损J.表面技术.2000,29(4):34-36, 邵荷生 张清. 金属的磨料磨损和耐磨材料M.机械工业出版社,北京.1982。磨料磨损在现代工业生产中涉及的范围之广、影响之严重是显而易见的，同时磨损磨损的影响因素复杂而繁多，在现实中难以具体的计量。通常情况下，磨料磨损有以下几种分类方法：1.按照磨料对材料的力学作用特点进行分类29：在此类分类方法中，将磨料磨损分为：刮伤磨料磨损或冲刷磨损、研磨磨料磨损、凿削磨料磨损。2.按照磨料和材料的相对硬度来进行分类，这种将磨料磨损分为软磨料磨损和硬磨料磨损。3.按照磨损表面数量的分类 吉华. 国产材料耐磨堆焊修复层组织及磨损性能研究.西南交通大学本科毕业设计.2009:17：在外界磨料移动于两摩擦面之间时，两材料表面碾压磨料是的磨损称之为三体磨损。这类磨损的典型实例有矿石在动齿板之间的磨损，工业上遇到的三体磨损很多情况下都属于高应力磨损；另一方面还有磨料沿着构件表面相对运动，直接作用在材料表面导致的磨损是二体磨损。二体磨损包括凿削磨料磨损和刮伤磨料磨损。4.按照是否有相对运动来分：可以分为固定磨料磨损和自由磨料磨损。5.按照环境介质分为干磨料磨损、湿磨料磨损和流体磨料磨损。6.按照环境温度来分类：这类可以将磨料磨损分为普通磨料磨损和高温下的热磨料磨损。在不同的环境温度下，磨料磨损的作用是不同的。在某些高温情况下，存在磨料磨损的同时还存在这粘着磨损等现象，这就使得磨损更难以计量。1.4.3 影响材料磨料磨损失效的因素材料磨料磨损耐磨性并不是材料本身特性，它是和材料工况环境中影响磨损各因素相关的。同时影响磨料磨损耐磨性的因素很多，有诸如材料本身特性等内因、还有诸如环境介质、温度、运动速度等外因。另外，材料磨料磨损耐磨性还是随着磨损过程不断变化的，也就是说磨损过程中的加工硬化、退火回火等都和耐磨性有关。1.4.4材料组织和硬度对耐磨性的影响在影响材料耐磨性的诸多因素中，材料的组织和硬度对其耐磨性的影响是至关重要、不容忽视的。材料的组织如基体组织、第二相、夹杂、晶界和晶粒度、各向异性等均对材料耐磨性存在着较大影响。材料耐磨性与材料本身的硬度虽然有紧密的联系，同时并不是单纯的单值对应关系，耐磨性的好坏还与材料的化学成分、相分布情况以及材料的显微组织有着很重要的联系32。材料的硬度和材料耐磨性有着很的的关系。而关于硬度可分为以下三种31：1.材料磨损前的整体硬度2.表面加工硬化改变了的表面硬度3.在摩擦热足够大的情况下还需要考虑高温硬度硬度的物理本质也是很复杂的。一方面，在静载荷下材料抵抗塑变的能力是材料的静态压痕硬度。主要有布氏、洛氏和维氏。一般来说强度越高硬度值也越高。另一方面，当材料在受到冲击载荷时，材料抵抗变形的能力称为动力学硬度。1.5 本文研究的内容及意义1.5.1 本论文研究的内容以及试验方法本论文主要以工艺试验金相、硬度耐磨试验为研究主线、使用对比的方法，旨在研究几种典型工艺条件下喷焊层的耐磨性，同时和进口焊条堆焊捣镐的耐磨性进行对比分析。主要研究内容及方法有：1. 调试和改进L5-400型等离子弧喷焊设备，熟悉设备操作流程；2. 运用L5-400型等离子弧喷焊设备进行喷焊工艺试验；3. DG.Ni60A和DG.Ni60WC25两种镍基喷焊层微观组织分析与硬度测试；4. DG.Ni60A和DG.Ni60WC25两种镍基喷焊层耐磨性分析。1.5.2 本论文研究的意义随着列车速度的提高，高速铁路关键材料，如钢轨、轴承以及捣搞等材料的磨损、腐蚀等失效情况也变得日益严重。因此如何提高高速列车关键材料的耐磨性及疲劳寿命是一个急需解决的问题。利用等离子热源在材料表面喷焊高性能合金层作为材料表面强化技术之一，具有合金材料消耗少，能够喷焊各种合金粉末材料，可得到稀释率低，结合强度高的致密合金层。同时，根据材料实际工况的使用要求，可以对不同的合金粉末进行喷焊，成本低、生产率高。镍基合金具有良好的高温性能和耐磨耐蚀性，是国内外普遍采用的合金粉末。因此，本文拟对等离子喷焊镍基合金喷焊层的耐磨性能进行基本的研究，同时和现阶段使用的堆焊捣镐耐磨性能进行对比，为后续耐磨喷焊层的制备以及具体的工程应用提供理论参考的实际指导作用。第二章 试验设备材料及研究方法2.1喷焊方法简介现阶段使用的喷焊方法主要有“二步法”喷焊和“一步法”喷焊两种方式。“二步法”喷焊即先在完成喷涂层后再对其进行重熔。喷涂与重熔均用大功率喷枪使得合金粉末充分在火焰中熔融，在工件表面上产生塑性变形的沉积层。重熔是“二步发”喷焊的关键工序，应该在喷涂后立即进行。在具体的重熔过程中应该防止过熔（即镜面开裂）、涂层金属流淌或局部加热时间过长使得表面氧化。“一步法”喷焊即喷、熔同时进行，使用同一支喷枪完成。在具体的喷焊过程中，合金粉末在接触工件表面前已经熔化或者半熔化，进入工件表面熔池中充分熔化并最终排出气体和浮渣、凝固形成焊道。一步法喷焊需要使用具有高能量密度的电弧，如等离子弧、激光-等离子弧复合喷焊。在现阶段的喷焊研究中，有关“一步法”的研究介绍远不如“二步法”。这种情况可能是由于相对于“一步法”喷焊，“二步法”虽需要进行一个重熔过程，但其所使用的设备（常用氧-乙炔火焰）比较简单，同时一般也较少制造工况环境很是恶劣的构件。但从长远来看，“一步法”喷焊具有着很大的优势,如省时、省力，尤其是随着控制系统的进一步发展，“一步法”喷焊必然有着更进一步的发展，同时“一步法”可以直接在喷焊层和基体之间形成冶金结合区，可以拥有良好的结合，其抗拉强度、结合强度相当可观。综上所述，“一步法”喷焊技术在现阶段是有着良好发展前景和巨大实际需求的。2.2 等离子喷焊设备2.2.1 等离子喷焊过程等离子喷焊设备是应用等离子弧所产生的高温来熔融合金粉末，并将它熔敷到工件上去的一种强化设备。应用这一新的技术可在工件表面制