感應熔覆控制工藝技術研究現(xiàn)狀

基金項目：山東省科技發(fā)展計劃項目（2011GGX10329）。

引言

感應熔覆技術作為綜合感應加熱技術和表面涂層技術優(yōu)勢的新型表面熔覆強化技術，以較低的成本在材料表層制備出滿足高耐磨性、高耐腐蝕性要求的復合金屬熔覆層，感應熔覆成形效果既能充分保持基體材料的原有韌性特征，又能有效發(fā)揮熔覆涂層的耐磨、耐腐蝕與耐疲勞的材料特性，且熔覆層和基體的冶金結合方式使的整個零件綜合機械性能獲得大幅度提升 [1-4]。與傳統(tǒng)的表面淬火、表面滲碳等表面強化技術相比，感應熔覆技術不僅能夠大大降低使制造成本，而且能夠更好地滿足機械零件工作環(huán)境對其綜合機械性能的苛刻要求 [5]。目前感應熔覆技術的研究還處在起步階段，感應熔覆成形機理與控制工藝方法還不夠明確有待于進一步研究。因此，為了促使感應熔覆強化技術在各工業(yè)領域的廣泛應用，針對感應熔覆成形與控制工藝的深入研究已經(jīng)成為表面工程技術前進發(fā)展的迫切需要和必然趨勢。

1　感應熔覆加熱設備

上世紀30年代至50年代，感應加熱電源技術發(fā)展比較落后，產品生產水平也比較低下，隨著50年代后期晶閘管的問世，感應加熱電源迎來全新的發(fā)展時期，各種配套服務體系及產品生產水平也隨之完善并提高 [6]。20世紀90年代，隨著我國改革開放經(jīng)濟政策力度的進一步加大，國外先進晶閘管技術不斷被引進，國內晶閘管電源生產廠商相繼出現(xiàn)，經(jīng)過隨后的二十幾年發(fā)展變化，晶閘管電源正逐漸向IGBT電源方向發(fā)展，電子管變頻裝置也正在向MOSFET晶體管電源方向發(fā)展，因此，中、高頻感應加熱電源在半導體功率器件的不斷更新中，性能及技術水平也在不斷的得到提升 [7]。

目前，中頻感應加熱設備采用串聯(lián)諧振式或并聯(lián)諧振式逆變器結構，功率因數(shù)較高。串聯(lián)諧振式具有結構簡單、易于頻繁啟動、設備重量體積較小等優(yōu)點，被廣泛應用在鑄造、熔煉等行業(yè)中，同時串聯(lián)諧振逆變感應加熱電源在全工況下容易實現(xiàn)恒功率輸出以及一機多載功率分配控制；并聯(lián)諧振式支路電流往往大于電路的總電流，因此又稱為電流諧振，運用在感應加熱電源中，有時會造成電路熔斷器熔斷或出現(xiàn)燒毀電器設備的現(xiàn)象 [8]，我國在中頻感應加熱設備中多采用并聯(lián)諧振式逆變電源，雖較傳統(tǒng)電源具有一定的優(yōu)勢，但研制串聯(lián)逆變器結構中頻感應加熱電源仍是我國在此領域有待解決的問題。

20世紀80年代，在超音頻感應加熱電源方面，我國浙江大學的研究者曾利用晶閘管倍頻式電路、時間分割電路分別研制了50kW/50kHz [9]、30kHz的超音頻電源。由于雙諧振回路在晶閘管倍頻式電路中造成所加負載呈現(xiàn)非線性、增加時間分割電路機構的復雜性以及降低工作效率等特點，沒有得到廣泛的應用。與此同時，隨著現(xiàn)代半導體微集成加工技術的不斷完善，以及功率半導體技術的不斷發(fā)展，加之二者相結合，相繼出現(xiàn)了一系列新型固態(tài)電力電子半導體器件，因其IGBT結合了GTR、MOSFET的整體優(yōu)良性能，目前應用最為普遍。

在高頻開關電源領域，電子管高頻電源正在逐漸的被靜態(tài)感應晶體管（SIT）和MOSFET所取代。靜態(tài)感應晶體管是一種結型場效應晶體管，和傳統(tǒng)的雙極型晶體管相比，具有線性小、噪聲低、高輸入阻抗、低輸出阻抗、無二次擊穿、低溫性能良好、開關速度快等優(yōu)點。目前應用以日本為主，其電源水平在20世紀80年代已達到1000kW/200kHz、400kw/400kHz [9-11]，但靜態(tài)感應晶體管因其具有通態(tài)電阻比較大，通態(tài)損耗較大等缺點，未在市場上得到廣泛應用。相比之下，MOSFET功率器件具有模塊化、大容量化的優(yōu)點，歐美等國家多采用MOSFET為主的高頻功率器件，西班牙、德國、比例時采用MOSFET的電流型感應加熱電源加熱的功率分別達到了600kW/400kHz、480kW/50～200kHz、1000kW/15～600kHz [12-13]。在我國，浙江大學于20世紀90年代成功研制出MOSFET20kw/300kHz的高頻電源，并應用在飛機渦輪葉片熱應力考核與小型刀具表面熱處理實驗中。然而由于受到先進設備投資成本的影響，我國多數(shù)高頻設備生產廠家仍然采用電子管高頻電源，這種功率器件技術水平比較落后，嚴重影響我國高頻感應加熱電源的發(fā)展。因此，采用SIT、MOSFET等半導體功率器件在高頻感應加熱電源上的應用具有巨大的潛力。

綜上所述，隨著應用感應電源技術的迅猛發(fā)展，引入新型感應加熱功率器件到感應熔覆設備中，將促進感應熔覆時變電參數(shù)控制工藝的研究和發(fā)展，有力推動感應熔覆技術在工業(yè)上廣泛應用的進程。現(xiàn)有感應電源技術具備制造時變頻率的感應加熱熔覆設備能力，為感應熔覆時變參數(shù)控制工藝的研究提供了設備基礎。

2　感應熔覆涂層材料

高頻感應熔覆技術中一般使用Ni、Fe、Co基自熔性合金粉末，或者向合金粉末中添加WC、TiC、Cr、Al 2O 3、等陶瓷相及陶瓷相元素復合粉末，這種材料具有易脫渣、造渣、改善鋪展性、提高潤濕性能與工藝成形性能等特點，因其熔點低、可以與基體形成多種強化組織結構，被廣泛應用在金屬表面熱處理行業(yè)中，目前，自熔性合金粉末大體分為如下幾類：

（1）鎳基自熔合金粉末。早期，自熔性合金粉末是以鎳基材料為基礎，因其加入元素的不同，又可以分為鎳硼硅粉末和鎳鉻硼硅粉末。該類型粉末具有良好的潤濕、高溫自潤滑性、耐蝕、抗磨、抗氧化等性能，是當前市場上應用最多、最廣泛的自熔性合金粉末。王振廷、孟君晟等 [14]采用高頻感應熔覆技術，在原位自生TiC/Ni基復合涂層的研究中，以Ni60A、C、Ti為主要原料，在16Mn鋼表面原位生成TiC增強復合材料涂層，得到熔覆層質量良好，與基體形成良好的冶金結合，無氣孔、裂紋等缺陷，具有高耐磨、耐蝕、抗氧化等性能；張增志、韓桂泉等采用高頻感應Ni60復合涂層，得到冶金結合組織均勻細致，具有豐富的增強耐磨硬質相；賀定勇等在Ni60合金粉末加入WC硬質相，其相對耐磨性為單純使用Ni60涂層的2~6倍。

（2）鈷基自熔合金粉末。在Co、Cr、W元素中加入B、Si元素即形成鈷基自熔性合金粉末，該種粉末具有良好的抗高溫、耐蝕、抗疲勞性能，被廣泛的應用在石油、冶金、鍛造等工業(yè)領域。Co基自熔性合金粉末潤濕性能良好，熔點低，受熱時Co元素最先熔化，形成新的化合物質，有利于強化復合涂層。國內外學者 [15-16]對鈷基合金粉末熔覆技術做了大量的研究，驗證了鈷基合金粉末在高溫下仍然具有良好的力學性能；黃新波 [25]在鈷基合金粉末中加入WC，制備復合涂層，熔覆在45鋼基體表面，對于改善基體表面的耐磨、耐腐蝕、增加涂層內部韌性具有很好的效果。

（3）鐵基自熔合金粉末。鐵基自熔性合金粉末是在鐵碳合金基體中添加適量的Cr、B、Si元素，B、Si元素的加入，可顯著降低合金粉末的熔點，Cr元素的加入，可提高鋼基體的強度、硬度和耐磨性。該類型粉末由于價格成本較鈷、鎳等合金粉末便宜，廣泛地應用在我國的各類行業(yè)之中。賈文杰、王立成 [17]針對石油機械零部件易磨損、腐蝕等狀況，列舉了各種典型的噴焊修復鐵基自熔性合金粉末。李勝等在中碳鋼基體中熔覆鐵基自熔性合金粉末，發(fā)現(xiàn)C含量的微小變化對涂層顯微組織具有較大的影響：在其它參數(shù)不變的情況下，C在0.3%~0.4%范圍變化時，C含量的減少，利于熔覆層硬度和韌性的提高，同時對裂紋的產生也具有抑制作用。

（4）復合粉末。復合粉末主要是指含有C、N、B、Si、O等元素組成的高熔點硬質陶瓷材料與金屬基混合形成的粉末體系，綜合了金屬基強韌性、良好工藝性以及陶瓷材料的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化等優(yōu)點，是目前合成粉末研究的熱點之一。戎磊等 [19]在CCS-B鋼板上采用激光熔覆WC增強Ni基復合涂層，研究發(fā)現(xiàn)：隨著WC含量的增加，熔覆層的稀釋率逐漸增加；在WC溶解的同時，與周圍元素相互作用，形成低熔點共晶；隨著WC含量的增加，熔覆層上部區(qū)域γ-Ni枝晶組織發(fā)生先細化后粗化，在下部區(qū)域，枝晶組織不斷粗化；當WC在復合粉末中占比30%時，涂層平均硬度為基體的4倍。楊膠溪等 [18-22]在Cr12、45鋼基體上制備WC-Ni基復合材料，獲得與基體冶金結合良好的熔覆層，且并無氣孔、裂紋等缺陷。

（5）其他金屬基粉末。除以上所述的幾種粉末材料之外，目前已經(jīng)研發(fā)并應用的金屬基粉末材料體系包括：鈦基、銅基、鎂基、鋁基、鉻基、鋯基及金屬間化合物基等材料，一般具有耐蝕、導電、抗高溫、抗氧化等多種功能 [20-23]。

綜上所述，不同涂層材料在成型和優(yōu)化涂層質量各具有一定的特點與優(yōu)勢，但在探尋高質量的熔覆成形效果和制定優(yōu)化控制工藝策略上具有高度相似性，因此，利用代表性的涂層材料與基體材料作為研究感應熔覆成形機理的研究對象，對于研究感應熔覆優(yōu)化控制工藝規(guī)劃具有重要的理論指導和數(shù)據(jù)參考價值。

3　感應熔覆涂層預制備

感應熔覆材料制備涂層材料一般包括合金粉、粘結劑和助溶劑。合金粉材料成分選取的不同，直接影響修復金屬表面的抗腐蝕、耐磨、硬度等性能。粘結劑一般選取水玻璃，該類型粘結劑具有粘結力強、強度高，耐酸性、耐熱性好等優(yōu)點，在涂層中使用，便于增加粉末顆粒壓制時的粘性，利于粉塊成形。助溶劑在涂層中主要起造渣、保護熔融狀態(tài)下的金屬不被氧化的作用 [24]。在涂層的制備過程中，合金粉、助溶劑、粘結劑三者的比例應適當，一般為10:1:0.5左右，若其中任一成分加入量過大，對實驗結果都會產生較大影響。同時，在熔覆涂層制備過程中，還需要考慮到合金元素與基體金屬間的相互作用特性，合金化區(qū)所形成的物相結構對基件改良后的影響，與基體件的冶金結合是否牢固可靠等工藝原則，針對具體情況，要對合金粉末的選取、添加、質量控制作出相應的規(guī)劃。

感應熔覆加熱前應對工件基體表面進行除銹、去污等前處理，然后將調制好的合金粉末預涂于基體表面。粉末涂覆一般包括冷涂和熱涂兩種方法：熱涂是采用于熱噴涂的方式，即利用某種熱源將合金粉末加熱到熔融或半熔化狀態(tài)，借助于火焰或壓縮空氣以一定的速度噴射到基體表面，形成某種沉積涂層，然后經(jīng)過感應熱處理，使得沉積涂層再次熔化形成另一種強化涂層的技術。確切來說，這種方式屬于感應重熔，并非嚴格意義上的感應熔覆。冷涂法一般是指在合金粉末中加入助溶劑、粘結劑等物質，調至均勻，直接涂覆在基體表面，經(jīng)過感應熱處理，合金粉末熔覆在基體表面形成的一種涂層技術。冷涂方式較熱涂方式操作簡單、方便，無需通過燃氣、電弧等其它熱源加熱，即可將合金粉末涂覆在基體表面，因而應用比較廣泛。文獻中 [16-22]將金屬或金屬基合金粉末通過冷涂的方式涂覆在工件基體表面，經(jīng)感應加熱后，粉末與基體形成很好的冶金結合，修復基體表面效果比較明顯。

感應熔覆冷涂法已成為主要的感應熔覆實驗研究涂層制備方法，以往學者研究多針對于具體的涂層材料進行相應的調整進行熔覆冷涂覆工藝，缺少通用的冷涂層制備工藝，一定程度上影響了預制涂層方法的可移植應用，不利于感應熔覆技術的擴展性研究和應用。

4　感應熔覆數(shù)值模擬研究

感應熔覆過程是一個涉及溫度場、電磁場、應力場于一身的復雜物理過程，運用數(shù)學方法很難獲得精確的理論耦合計算，但隨著計算機技術的快速發(fā)展，通過商業(yè)數(shù)值模擬軟件對感應加熱過程進行有限元分析，簡化了繁瑣的計算程序，同時也大大提高了理論計算的精確度。目前國內外眾多學者已從事于該方面的理論研究。

杭國平 [20]運用有限元方法對感應加熱工件的溫度場、渦流場進行了計算，并編寫了三維渦流場有限元程序，利用所得到的溫度場計算結果，對加熱過程中的熱應力、應變等問題做出了詳細計算；王璋奇等 [21]對厚壁管道感應加熱進行了數(shù)值模擬計算，得到了溫度場的仿真結果，完善了管道感應加熱參數(shù)數(shù)據(jù)庫；Sun Y F [22，23]和Yang X G [24]在對連續(xù)感應加熱的研究時，Sun Y F運用Ansys有限元軟件對PC鋼表面溫度與含碳量對應關系進行了研究，Yang X G則對兩根相同特征的鋼棒同時進行感應加熱研究，分析達到鍛造溫度時工件的各項性能參數(shù)；Wang K F 等 [25]采用Ansys有限元軟件對1080鋼鐵圓棒感應淬火過程進行有限元分析，評估了淬火后工件表面淬硬層的組織和深度。

Fireteanu V，Tudorache T [24]通過對磁性與非磁性材料橫向磁通感應加熱電磁場的研究，建立了四種模型對磁場強度的分布進行了描述；Kawase Y等 [26]運用三維有限元分析對電動剃須刀片感應淬火過程中的溫度場、渦流場進行耦合分析計算，并建立了非線性計算模型；Dughiero F等 [28]基于修正的Fletcher和Reeves有限差分方法在對鋼棒感應淬火優(yōu)化工藝過程中，建立了溫度場和電磁場的耦合模型，將仿真結果成功的應用到優(yōu)化參數(shù)的選擇之中；Pokrovskii AM等 [29]認為溫度控制的相組分和淬火液性能對感應淬火淬硬層影響因素比較大，設計了計算感應淬火硬度軟件，降低了實驗成本；Krahenbuhl L等、Xu DH [30]運用有限元法分別對工件感應淬火中的渦流場、殘余應力場進行了計算；Fuhrmann J、Homberg D、Uhle M等 [28,29]運用pdelib的差分方程模擬軟件包，在42CrMo4鋼的表面淬火上成功的得到運用。

綜上所述，國內外學者多采用針對單一物理場進行固定目標參數(shù)的研究，少有結合多物理場下的數(shù)值模擬分析，以往學者多采用固定材料屬性進行建模設置，未考慮溫變材料屬性，這極大的影響了感應熔覆的模擬數(shù)值結果。因此，在構建熱場、應力場與流體場等多場耦合數(shù)值模型的基礎上，充分考慮溫變材料屬性將成為感應熔覆數(shù)值模擬未來的發(fā)展方向。

5　感應熔覆控制工藝存在的主要問題

目前，國內外感應熔覆成形質量最突出的問題是熔覆層中出現(xiàn)“夾生”、“雜質缺陷和氣孔”等現(xiàn)象，根本原因是涂層在感應加熱過程中，熱量傳導不充分，中間層部分未熔化，熱量由臨界面向涂層傳遞過程中，存在溫度梯度，加之工藝參數(shù)控制不合理，涂層表面冷凝時，雜質和氣體未能完全排除，從而造成此類現(xiàn)象的產生；其次，感應加熱由于存在加熱、冷卻速度快的特點，涂層冷凝時很容易產生應力集中，影響涂層與基體的結合強度。現(xiàn)有的感應熔覆工藝方法采用優(yōu)化固定參數(shù)的方法，在一定程度上緩解了熔覆成型質量的問題。由于感應熔覆成型過程的非線性特點，固定參數(shù)的工藝優(yōu)化方法不能根本性地改善感應熔覆成形過程，只能有限的提高了熔覆成形質量。因此，需要在深入研究感應熔覆成形機理的基礎上，明確感應熔覆過程中起主要影響作用的敏感性工藝參數(shù)，利用敏感性參數(shù)進行時變參數(shù)控制的優(yōu)化工藝研究，探索制備高質量感應熔覆涂層的成形控制工藝。