感應(yīng)熔覆控制工藝技術(shù)研究現(xiàn)狀

基金項(xiàng)目：山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011GGX10329）。

引言

感應(yīng)熔覆技術(shù)作為綜合感應(yīng)加熱技術(shù)和表面涂層技術(shù)優(yōu)勢的新型表面熔覆強(qiáng)化技術(shù)，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(fù)合金屬熔覆層，感應(yīng)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(jié)合方式使的整個(gè)零件綜合機(jī)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(qiáng)化技術(shù)相比，感應(yīng)熔覆技術(shù)不僅能夠大大降低使制造成本，而且能夠更好地滿足機(jī)械零件工作環(huán)境對其綜合機(jī)械性能的苛刻要求 [5]。目前感應(yīng)熔覆技術(shù)的研究還處在起步階段，感應(yīng)熔覆成形機(jī)理與控制工藝方法還不夠明確有待于進(jìn)一步研究。因此，為了促使感應(yīng)熔覆強(qiáng)化技術(shù)在各工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，針對感應(yīng)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(shù)前進(jìn)發(fā)展的迫切需要和必然趨勢。

1　感應(yīng)熔覆加熱設(shè)備

上世紀(jì)30年代至50年代，感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展比較落后，產(chǎn)品生產(chǎn)水平也比較低下，隨著50年代后期晶閘管的問世，感應(yīng)加熱電源迎來全新的發(fā)展時(shí)期，各種配套服務(wù)體系及產(chǎn)品生產(chǎn)水平也隨之完善并提高 [6]。20世紀(jì)90年代，隨著我國改革開放經(jīng)濟(jì)政策力度的進(jìn)一步加大，國外先進(jìn)晶閘管技術(shù)不斷被引進(jìn)，國內(nèi)晶閘管電源生產(chǎn)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(yīng)加熱電源在半導(dǎo)體功率器件的不斷更新中，性能及技術(shù)水平也在不斷的得到提升 [7]。

目前，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備采用串聯(lián)諧振式或并聯(lián)諧振式逆變器結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)較高。串聯(lián)諧振式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于頻繁啟動、設(shè)備重量體積較小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在鑄造、熔煉等行業(yè)中，同時(shí)串聯(lián)諧振逆變感應(yīng)加熱電源在全工況下容易實(shí)現(xiàn)恒功率輸出以及一機(jī)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(yùn)用在感應(yīng)加熱電源中，有時(shí)會造成電路熔斷器熔斷或出現(xiàn)燒毀電器設(shè)備的現(xiàn)象 [8]，我國在中頻感應(yīng)加熱設(shè)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(jié)構(gòu)中頻感應(yīng)加熱電源仍是我國在此領(lǐng)域有待解決的問題。

20世紀(jì)80年代，在超音頻感應(yīng)加熱電源方面，我國浙江大學(xué)的研究者曾利用晶閘管倍頻式電路、時(shí)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(fù)載呈現(xiàn)非線性、增加時(shí)間分割電路機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性以及降低工作效率等特點(diǎn)，沒有得到廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體微集成加工技術(shù)的不斷完善，以及功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，加之二者相結(jié)合，相繼出現(xiàn)了一系列新型固態(tài)電力電子半導(dǎo)體器件，因其IGBT結(jié)合了GTR、MOSFET的整體優(yōu)良性能，目前應(yīng)用最為普遍。

在高頻開關(guān)電源領(lǐng)域，電子管高頻電源正在逐漸的被靜態(tài)感應(yīng)晶體管（SIT）和MOSFET所取代。靜態(tài)感應(yīng)晶體管是一種結(jié)型場效應(yīng)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(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用以日本為主，其電源水平在20世紀(jì)80年代已達(dá)到1000kW/200kHz、400kw/400kHz [9-11]，但靜態(tài)感應(yīng)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(diǎn)，未在市場上得到廣泛應(yīng)用。相比之下，MOSFET功率器件具有模塊化、大容量化的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源加熱的功率分別達(dá)到了600kW/400kHz、480kW/50～200kHz、1000kW/15～600kHz [12-13]。在我國，浙江大學(xué)于20世紀(jì)90年代成功研制出MOSFET20kw/300kHz的高頻電源，并應(yīng)用在飛機(jī)渦輪葉片熱應(yīng)力考核與小型刀具表面熱處理實(shí)驗(yàn)中。然而由于受到先進(jìn)設(shè)備投資成本的影響，我國多數(shù)高頻設(shè)備生產(chǎn)廠家仍然采用電子管高頻電源，這種功率器件技術(shù)水平比較落后，嚴(yán)重影響我國高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。因此，采用SIT、MOSFET等半導(dǎo)體功率器件在高頻感應(yīng)加熱電源上的應(yīng)用具有巨大的潛力。

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

2　感應(yīng)熔覆涂層材料

高頻感應(yīng)熔覆技術(shù)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(fù)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(diǎn)，因其熔點(diǎn)低、可以與基體形成多種強(qiáng)化組織結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)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(chǔ)，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(dāng)前市場上應(yīng)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(yīng)熔覆技術(shù)，在原位自生TiC/Ni基復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料涂層，得到熔覆層質(zhì)量良好，與基體形成良好的冶金結(jié)合，無氣孔、裂紋等缺陷，具有高耐磨、耐蝕、抗氧化等性能；張?jiān)鲋?、韓桂泉等采用高頻感應(yīng)Ni60復(fù)合涂層，得到冶金結(jié)合組織均勻細(xì)致，具有豐富的增強(qiáng)耐磨硬質(zhì)相；賀定勇等在Ni60合金粉末加入WC硬質(zhì)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(yīng)用在石油、冶金、鍛造等工業(yè)領(lǐng)域。Co基自熔性合金粉末潤濕性能良好，熔點(diǎn)低，受熱時(shí)Co元素最先熔化，形成新的化合物質(zhì)，有利于強(qiáng)化復(fù)合涂層。國內(nèi)外學(xué)者 [15-16]對鈷基合金粉末熔覆技術(shù)做了大量的研究，驗(yàn)證了鈷基合金粉末在高溫下仍然具有良好的力學(xué)性能；黃新波 [25]在鈷基合金粉末中加入WC，制備復(fù)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(nèi)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(diǎn)，Cr元素的加入，可提高鋼基體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。該類型粉末由于價(jià)格成本較鈷、鎳等合金粉末便宜，廣泛地應(yīng)用在我國的各類行業(yè)之中。賈文杰、王立成 [17]針對石油機(jī)械零部件易磨損、腐蝕等狀況，列舉了各種典型的噴焊修復(fù)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(shí)，C含量的減少，利于熔覆層硬度和韌性的提高，同時(shí)對裂紋的產(chǎn)生也具有抑制作用。

（4）復(fù)合粉末。復(fù)合粉末主要是指含有C、N、B、Si、O等元素組成的高熔點(diǎn)硬質(zhì)陶瓷材料與金屬基混合形成的粉末體系，綜合了金屬基強(qiáng)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(diǎn)，是目前合成粉末研究的熱點(diǎn)之一。戎磊等 [19]在CCS-B鋼板上采用激光熔覆WC增強(qiáng)Ni基復(fù)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(shí)，與周圍元素相互作用，形成低熔點(diǎn)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(xì)化后粗化，在下部區(qū)域，枝晶組織不斷粗化；當(dāng)WC在復(fù)合粉末中占比30%時(shí)，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(fù)合材料，獲得與基體冶金結(jié)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(yīng)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(dǎo)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(zhì)量各具有一定的特點(diǎn)與優(yōu)勢，但在探尋高質(zhì)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(yīng)熔覆成形機(jī)理的研究對象，對于研究感應(yīng)熔覆優(yōu)化控制工藝規(guī)劃具有重要的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)參考價(jià)值。

3　感應(yīng)熔覆涂層預(yù)制備

感應(yīng)熔覆材料制備涂層材料一般包括合金粉、粘結(jié)劑和助溶劑。合金粉材料成分選取的不同，直接影響修復(fù)金屬表面的抗腐蝕、耐磨、硬度等性能。粘結(jié)劑一般選取水玻璃，該類型粘結(jié)劑具有粘結(jié)力強(qiáng)、強(qiáng)度高，耐酸性、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在涂層中使用，便于增加粉末顆粒壓制時(shí)的粘性，利于粉塊成形。助溶劑在涂層中主要起造渣、保護(hù)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(jié)劑三者的比例應(yīng)適當(dāng)，一般為10:1:0.5左右，若其中任一成分加入量過大，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，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(jié)構(gòu)對基件改良后的影響，與基體件的冶金結(jié)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(zhì)量控制作出相應(yīng)的規(guī)劃。

感應(yīng)熔覆加熱前應(yīng)對工件基體表面進(jìn)行除銹、去污等前處理，然后將調(diào)制好的合金粉末預(yù)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(yīng)熱處理，使得沉積涂層再次熔化形成另一種強(qiáng)化涂層的技術(shù)。確切來說，這種方式屬于感應(yīng)重熔，并非嚴(yán)格意義上的感應(yīng)熔覆。冷涂法一般是指在合金粉末中加入助溶劑、粘結(jié)劑等物質(zhì)，調(diào)至均勻，直接涂覆在基體表面，經(jīng)過感應(yīng)熱處理，合金粉末熔覆在基體表面形成的一種涂層技術(shù)。冷涂方式較熱涂方式操作簡單、方便，無需通過燃?xì)?、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(yīng)用比較廣泛。文獻(xiàn)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(yīng)加熱后，粉末與基體形成很好的冶金結(jié)合，修復(fù)基體表面效果比較明顯。

感應(yīng)熔覆冷涂法已成為主要的感應(yīng)熔覆實(shí)驗(yàn)研究涂層制備方法，以往學(xué)者研究多針對于具體的涂層材料進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整進(jìn)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(yù)制涂層方法的可移植應(yīng)用，不利于感應(yīng)熔覆技術(shù)的擴(kuò)展性研究和應(yīng)用。

4　感應(yīng)熔覆數(shù)值模擬研究

感應(yīng)熔覆過程是一個(gè)涉及溫度場、電磁場、應(yīng)力場于一身的復(fù)雜物理過程，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法很難獲得精確的理論耦合計(jì)算，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過商業(yè)數(shù)值模擬軟件對感應(yīng)加熱過程進(jìn)行有限元分析，簡化了繁瑣的計(jì)算程序，同時(shí)也大大提高了理論計(jì)算的精確度。目前國內(nèi)外眾多學(xué)者已從事于該方面的理論研究。

杭國平 [20]運(yùn)用有限元方法對感應(yīng)加熱工件的溫度場、渦流場進(jìn)行了計(jì)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(jì)算結(jié)果，對加熱過程中的熱應(yīng)力、應(yīng)變等問題做出了詳細(xì)計(jì)算；王璋奇等 [21]對厚壁管道感應(yīng)加熱進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到了溫度場的仿真結(jié)果，完善了管道感應(yīng)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(yīng)加熱的研究時(shí)，Sun Y F運(yùn)用Ansys有限元軟件對PC鋼表面溫度與含碳量對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了研究，Yang X G則對兩根相同特征的鋼棒同時(shí)進(jìn)行感應(yīng)加熱研究，分析達(dá)到鍛造溫度時(shí)工件的各項(xiàng)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(yīng)淬火過程進(jìn)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(yīng)加熱電磁場的研究，建立了四種模型對磁場強(qiáng)度的分布進(jìn)行了描述；Kawase Y等 [26]運(yùn)用三維有限元分析對電動剃須刀片感應(yīng)淬火過程中的溫度場、渦流場進(jìn)行耦合分析計(jì)算，并建立了非線性計(jì)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(yīng)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(jié)果成功的應(yīng)用到優(yōu)化參數(shù)的選擇之中；Pokrovskii AM等 [29]認(rèn)為溫度控制的相組分和淬火液性能對感應(yīng)淬火淬硬層影響因素比較大，設(shè)計(jì)了計(jì)算感應(yīng)淬火硬度軟件，降低了實(shí)驗(yàn)成本；Krahenbuhl L等、Xu DH [30]運(yùn)用有限元法分別對工件感應(yīng)淬火中的渦流場、殘余應(yīng)力場進(jìn)行了計(jì)算；Fuhrmann J、Homberg D、Uhle M等 [28,29]運(yùn)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(yùn)用。

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

5　感應(yīng)熔覆控制工藝存在的主要問題

目前，國內(nèi)外感應(yīng)熔覆成形質(zhì)量最突出的問題是熔覆層中出現(xiàn)“夾生”、“雜質(zhì)缺陷和氣孔”等現(xiàn)象，根本原因是涂層在感應(yīng)加熱過程中，熱量傳導(dǎo)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(shí)，雜質(zhì)和氣體未能完全排除，從而造成此類現(xiàn)象的產(chǎn)生；其次，感應(yīng)加熱由于存在加熱、冷卻速度快的特點(diǎn)，涂層冷凝時(shí)很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。現(xiàn)有的感應(yīng)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(zhì)量的問題。由于感應(yīng)熔覆成型過程的非線性特點(diǎn)，固定參數(shù)的工藝優(yōu)化方法不能根本性地改善感應(yīng)熔覆成形過程，只能有限的提高了熔覆成形質(zhì)量。因此，需要在深入研究感應(yīng)熔覆成形機(jī)理的基礎(chǔ)上，明確感應(yīng)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(jìn)行時(shí)變參數(shù)控制的優(yōu)化工藝研究，探索制備高質(zhì)量感應(yīng)熔覆涂層的成形控制工藝。