层流等离子体材料表面改性工艺研究
等离子体技术在材料表面改性方面的研究进展
等离子体技术在材料表面改性方面的研究进展随着科技的不断发展，等离子体技术也被越来越多的人关注和应用。
等离子体技术广泛应用于化学、材料、医学等领域，并在这些领域取得了很好的成效。
其中，在材料表面改性领域，等离子体技术更是发挥了巨大的作用。
一、等离子体技术在材料表面改性中的应用材料的表面特性往往决定了其使用性能和使用寿命。
而等离子体技术通过对材料表面进行化学反应、物理作用和生物功能的改变，从而增强了材料表面的功能和性能。
以下是等离子体技术在材料表面改性领域的主要应用：(1) 表面清洁和改性等离子体喷涂，常用于金属材料表面的清洁和改性。
喷涂等离子体可以清洁金属表面上的油污、水气、铁锈和氧化物等污染物，也可以修复表面的缺陷、增加表面耐磨性和耐腐蚀性。
(2) 表面涂层和改性等离子体表面涂层是等离子体技术中另一个应用广泛的领域。
比如，等离子体氧化可以提高金属表面的高温氧化能力。
在等离子体氮化和碳化过程中，靶材表面会生成氮化物和碳化物层，从而增加其在高温和高应力环境下的稳定性和耐磨性。
等离子体聚合可以引入新的化学官能团，从而在表面层产生新的化学和物理特性。
(3) 表面改性和生物附着性等离子体技术在一些医学设备和生物医学工程领域也被广泛使用，例如植入材料中，等离子体技术可以为其表面引入特定的化学成份，由于不同的化学组合以及物理特性，使得表面可以达到不同的生物相容性和生物附着性。
二、材料表面改性中等离子体技术的主要优势等离子体技术在材料表面改性领域的应用还有许多优势。
(1) 高效、环保、节能等离子体技术是一种高能量、高产量、高效率的技术手段。
通过等离子体特有的物理和化学特性改变材料表面，比传统方法更加环保、能耗更少且包括处理时间在内工期也比其他生产方法明显缩短。
(2) 处理质量好、效果稳定等离子体技术可以实现对材料表面的高精度处理，并且具有很好的可重现性和可控制性。
因此，等离子体技术的改性效果很稳定、效率很高，可以有效的提高材料表面的性能和使用寿命。
等离子体高分子材料表面改性技术及应用
等离子体高分子材料表面改性技术及应用摘要：等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快等优点，不但能改善特定环境下高分子材料的使用性能，也拓宽了常规高分子材料的适用范围。
因此，等离子体技术在高分子材料表面改性方面的应用广泛。
本文首先介绍等离子体表面改性技术内容，进一步探讨其在市场中的应用，希望可以更好的提高该技术在市场中应用的效果，进一步促进行业的长久发展。
关键词：等离子体；高分子材料；表面改性；技术；应用引言高分子材料作为新兴材料的重要组成部分，目前被应用在多个方面，比如农业生产、工业生产以及航空航天、生物医药等领域。
等离子体高分子材料表面改性技术在保持高分子材料原有性能的前提下，可使材料表面产生一系列物理、化学变化，从而提高材料的表面性能，从而达到一定功能和用途的目的。
本文将首先论述等离子体高分子材料表面改性技术的内容，进一步探讨其在我国市场方面的应用。
一、等离子体高分子材料的表面改性技术运用等离子体技术改变高分子材料的表面性能的方法主要有三类：等离子体处理、等离子体聚合和等离子体接枝。
高分子聚合物具有分子可设计性，通过等离子体表面改性作用可以在表面引入不同的基团来改善其性能，如亲水性、疏水性、润湿性、黏结性、引入具有生物活性的分子或生物酶，提高其生物相容性等。
（一）等离子体处理表面改性等离子体处理是在利用外加电压的条件下将惰性气体NH 3、O 2、CO、Ar、N 2、H 2 等进行分子击穿，并将COOH、CO、OH、NH 2 等基团、离子及原子引入材料表面，或者在材料表面上直接产生自由基的技术方法。
新引入和新产生的自由基也可以通过化学键合方式与材料表面的一些分子相连接上，使得高分子材料获得新的表面性能。
等离子体处理能够改善高分子材料的表面性能，包括染色性、湿润性、印刷性、粘合性、防静电性、表面固化、亲水性与生物相容性及其他特性。
（二）等离子体聚合表面改性等离子体聚合是指利用等离子体中的电子、离子、自由基、光子及激发态分子等活性粒子使单体直接聚合的方法，如辉光放电产生等离子体的过程中，其电子拥有的平均能量为 1-10eV，相当于 104 -l0 5 K 的电子温度，而远比体系其他组成温度高。
等离子体技术在新型材料表面改性方面的潜力分析
等离子体技术在新型材料表面改性方面的潜力分析随着科技的不断发展，新材料的研究与应用正日益受到关注。
新材料的性能优越性往往取决于其表面特性，在这方面的改性技术成为了国内外研究的重点。
等离子体技术作为一种强大的表面改性方法，具有广泛的应用前景。
本文将从等离子体技术的基本概念、表面改性机制和潜力分析等方面进行探讨。
首先，我们需要了解等离子体技术的基本概念。
等离子体是由气体或液体在受到能量激发后形成的带正、负电荷的体系。
通过施加高频电场或射频电场，可以产生高能电子和正离子，从而形成等离子体。
等离子体技术利用等离子体的高能粒子在材料表面产生化学反应、物理改变和热化学反应，以实现表面改性。
这种方法可以在不改变材料体积的情况下，改变其表面的化学成分和结构，从而改善材料的性能。
其次，让我们来了解等离子体技术在表面改性中的机制。
在等离子体处理过程中，主要通过以下几种机制来实现表面改性：清洗机制、沉积机制和蚀刻机制。
清洗机制是通过等离子体中的高能离子撞击材料表面，清除表面的污染物、氧化物或者有机杂质，使得材料表面变得干净。
这种清洗机制能够显著提高材料的表面纯度，为后续的改性处理提供条件。
沉积机制是通过等离子体中的高能粒子与材料表面发生反应，使得等离子体中的成分被沉积到材料表面上，形成一层新的化学成分。
这种沉积机制可以实现沉积陶瓷、金属、多层膜等多种材料，从而改变表面的物理性质和化学性质。
蚀刻机制是通过等离子体中的高能粒子对材料表面发生腐蚀反应，达到剥离、雕刻和微纳加工的目的。
这种蚀刻机制可以实现对材料表面的微结构和形貌的改变，从而实现对光学、电学、光电和力学性能的调控。
接下来，让我们探讨等离子体技术在新型材料表面改性方面的潜力。
等离子体技术具有广泛的应用潜力，尤其在新型材料的表面改性方面。
首先，等离子体处理可以实现对新型材料表面的纳米化处理。
纳米化技术是当前材料研究的热点之一，通过使材料表面形成纳米结构，可以增强材料的力学性能、光学性能和电学性能。
等离子体二氧化硅表面改性工艺研究--化学工程与工艺毕业论文
本科生毕业设计题目等离子体二氧化硅表面改性工艺研究学院化工学院专业化学工程与工艺学生姓名 XXXX学号年级指导教师教务处制表二Ο一六年六月1等离子体二氧化硅表面改性工艺研究化学工程与工艺专业学生：指导老师：摘要：二氧化硅具有独特的化学性质和物理性质，使其广泛应用于人造石、高白玻璃、光学仪器、水处理、高级涂料、电子填充、精密铸造、陶瓷制品、橡胶和塑料填充等五十多个行业。
此次主要研究其在精密铸造行业中的应用，二氧化硅某些固有特性是铸件产生粘砂、砂眼、脉纹、气孔、变形及裂纹等缺陷的根源。
硅砂经过高温焙烧处理，可以改变硅砂固有特性即消除上述铸造缺陷，而后用于砂型铸造各个领域。
在本文的研究中，利用等离子体技术，建立了一套全新的实验装置和工艺流程，从而对石英砂表面进行改性。
全文包括四个部分：第一章综述了国内外石英砂表面改性的研究状况和发展状况，详细论述了目前石英砂表面处理的其他方法和石英砂的改性机理，并提出了利用等离子体工艺处理石英砂。
第二章介绍了用等离子体技术处理二氧化硅表面的方法、流程和实验原理，并对实验设备进行了详细描述。
我们的方法是直流等离子体熔融法，它是利用等离子体产生的高温和高热焓对石英砂表面进行处理，使石英砂达到铸造砂的要求。
第三章主要通过扫描电镜和XRD得到处理前后砂的晶型和XRD图，还有处理后砂的一些特性和实验现象，对这些实验结果进行了对比分析，并对产生这些结果的原因进行了讨论。
第四章我们的结论是石英砂的耐火性、球形率都有了很大的提高，而且晶型从α型变成了具有β鳞石英特性的α石英砂，砂的膨胀系数和发气量都有了明显的降低，而且原砂表面的有机物、铁、铝等杂质都有了明显的下降。
关键词：等离子体工艺；二氧化硅；铸造砂；表面改性2The surface modification technology Research ofSilica by the plasmaMajor: Chemical engineering and technologyGraduate: Zhang Xin Supervisor: Prof.Yin Yongxiang Abstract: Silica has a unique chemical properties and physical properties, it is widely used in artificial stone, high white glass, optical instruments, water treatment, and advanced coatings, electronic filling, precision casting, ceramics, rubber and plastic filling and other fifty Industries. The main industry in the application of precision casting, some of the inherent characteristics of silicon dioxide is produced adhering sand casting, sand holes, veins, pores, cracks, deformation, and root causes of defects. After high temperature calcination of silica sand, silica sand can be changed to eliminate the inherent characteristics of the casting defects, and then used for sand casting fields.In this study, the use of plasma technology, a set of new experimental equipment and processes, the use of high temperature plasma generated by the transformation of quartz sand.Full-text consists of four parts:The first chapter summarizes the surface modification of quartz sand at home and abroad the research status and development, discussed in detail the current surface treatment of quartz sand and quartz sand other methods modification mechanism, and proposed use of quartz sand plasma Process.The second chapter describes the silica surface by plasma treatment method of technology, processes and experimental principle, the experimental device is described in detail. Our approach is to DC plasma melting, which is produced high temperature and high heat enthalpy of surface treatment of quartz sand by the plasma, quartz sand to achieve requirements of foundry sand.The third chapter the experimental results are analyzed and discussed.The third chapter, we can get the crystal sand before and after treatment and XRD chart by scanning electron microscopy and XRD, there are some characteristics of the treated sand and the experimental results, the results of these experiments were compared, and the reasons for these results have been discussed .3Chapter IV, Our conclusion is that the fire resistance and ball rate of quartz sandhas greatly improved, and from the α-type crystal has become α quartz sand that has a feature of the βtridymite quartz sand, the expansion coefficient and gas evolution of the sand are significantly lower, and the original sand surface organic matter, iron, aluminum and other impurities have a significant decrease.Keywords: Plasma technology; silica; foundry sand; surface modification4目录前言 (6)第一章综述 (7)1.1 石英砂 (7)1.2国内外研究现状 (13)1.3 改变砂固有特性的分析 (15)1.4等离子体简介 (16)1.5 等离子体表面改性技术 (18)1.6 等离子体发生器简介 (19)1.7 高温焙烧砂的应用及发展趋势 (20)1.8 小结 (22)第二章实验流程及原理分析 (23)2.1 实验设备 (23)2.2 实验流程 (23)2.3 实验原理 (24)第三章实验数据及分析 (25)3.1实验数据 (25)3.2 数据分析 (29)第四章结论 (30)参考文献 (31)声明 (33)致谢 (34)5前言石英砂是铸造生产中常用的造型材料。
等离子体改性聚四氟乙烯表面的研究进展样本
等离子体改性聚四氟乙烯表面研究进展摘要: 简介了等离子体改进聚四氟乙烯表面机理, 等离子体对聚四氟乙烯表面改性解决研究现状, 并对国内发展趋势进行展望。
核心字: 等离子；聚四氟乙烯；改性；表面；现状；引言聚四氟乙烯(PTFE)是一种综合性能优秀高分子材料, 有“塑料王”之美誉, 具备极佳耐化学腐蚀性、耐高低温性能、介电性能和电绝缘性能等, 已广泛应用于航空航天、医学、石油化工和密封材料等领域[1]。
虽然聚四氟乙烯有诸多长处, 但是由于该材料表面能很低(临界表面张力1.8mN/m), 表面疏水性极高(与水接触角超过100°)。
这种极低表面活性和不粘性严重影响了PTFE在粘接、印染、生物相容等方面应用, 特别是限制了聚四氟乙烯薄膜与其她材料复合[2-3]。
为了提高聚四氟乙烯表面润湿性能, 使它可与其她材料粘接、复合, 必要对PTFE进行表面亲水改性。
与惯用化学腐蚀液解决相比, 等离子体法有解决温度低, 解决时间短, 节约能耗, 可缩短工艺流程, 保护环境, 可控性好等长处。
正文1.等离子体改性聚四氟乙烯表面机理2.等离子体是正负带电粒子密度相等导电气体, 由电子、离子、原子、分子或自由基以及光子等粒子构成集合体, 它与固态、液态和气态物质属于同一层次存在形式, 又称为物质第四态[4]。
运用等离子体改性时, 将试样置于特定离子解决装置中, 通过高能态等离子轰击试样表面, 将能量传递给试样表层分子, 使试样发生热蚀、交联、降解和氧化反映, 并使试样表面发生C-F键和C-C键断裂, 产生大量自由基或引进某些极性基团, 从而优化试样表面性能[5]。
对PTFE而言, 等离子体对其改性重要途径是引刊登面接枝, 详细办法是用非聚合气体(如Ar,H2,O2,N2和空气等)对PTFE表面进行等离子体解决, 使其表而形成活性自由基, 之后运用活性自由基引起功能性单体, 使其在表面进行接枝聚合[6]。
3.等离子体表面改性研究现状2.1氩等离子体表面改性郝致远等[7], 采用氩等离子体射流对有机材料聚四氟乙烯（PTFE）进行表而改性, 实验成果表白, 表面水接触角下降, 表面粗糙度变大, 突起和裂痕明显增长, 且表面有新含氧基团生成。
低温等离子体技术在材料改性中的应用研究
低温等离子体技术在材料改性中的应用研究随着科技的发展，材料改性技术也随之不断进步。
在这个领域中，低温等离子体技术正逐渐崭露头角。
低温等离子体技术是一种利用较低的温度激活气体分子，使之成为带电粒子的技术。
这种技术在材料改性方面具有广泛的应用前景，能够改变材料的表面性质、增强材料的力学性能、改善材料的耐腐蚀性能等。
本文将对低温等离子体技术在材料改性中的应用进行研究。
首先，低温等离子体技术在材料表面改性方面的应用十分广泛。
材料的表面性质直接影响材料的功能和应用，因此通过低温等离子体技术对材料表面进行改性可以改善材料的特性。
例如，利用低温等离子体技术可以使材料表面变得更加光滑、均匀，并且能够提高材料的亲水性和疏水性。
通过改变表面形貌和化学组分，可以增加材料的附着性、抗腐蚀性和绝缘性能。
此外，低温等离子体技术还可以用于材料表面纳米结构的制备，使得材料的光学和电学性能得到显著提升。
其次，低温等离子体技术在材料力学性能改善方面也有广泛的应用。
低温等离子体技术可以通过在材料表面形成一层致密的硬质涂层来提高材料的硬度和耐磨性。
此外，低温等离子体技术还可以增强材料的韧性和弹性模量，提高材料的断裂韧性。
通过控制等离子体参数，可以实现对材料表面的微观形貌控制，进而改善材料的摩擦学性能和表面耐磨性。
这些性能的提升将无疑推动着材料改性技术的发展和应用。
此外，低温等离子体技术在材料耐腐蚀性能方面也有一定的应用前景。
金属材料常常容易受到氧化、腐蚀等现象的影响，从而降低了材料的可靠性和使用寿命。
利用低温等离子体技术可以在材料表面形成一层致密的氧化物薄膜，从而改善材料的耐腐蚀性能。
此外，这种技术还可以用于使材料表面形成一层具有强大防护作用的陶瓷涂层，避免材料受到腐蚀和磨损。
最后，低温等离子体技术在材料改性中的研究还可以延伸到其他领域。
例如，在生物医学领域，可以利用低温等离子体技术对生物材料进行改性，提高其生物相容性和生物降解性。
此外，低温等离子体技术还可以在能源领域中应用，例如用于太阳能电池材料的表面修饰，提高太阳能电池的光吸收和转换效率。
等离子体表面改性技术的研究与发展.
等离子体表面改性技术的研究与发展摘要本论文介绍了等离子体的相关概念，主要阐述了低温等离子技术在金属材料表面改性中的两种处理方法。
并对等离子体电解沉积技术做了简要介绍，分析了该技术的应用前景及存在的问题。
最后对等离子体表面改性技术的发展做出展望。
关键词等离子体；表面改性；等离子体电解沉积技术Development of Plasma Surface Modification TechnologyAbstract ：The relate concept of plasma the means on application of cold plasma technology to surface modification of metal in this paper. This article also introduce Plasma electrolysis deposition technology, the problems and development directions of PED in the surface modification technology arc also presented. The prospects of plasma surface modification technology is also analyzed.Key words ：plasma，surface modification，plasma electrolytic deposition0. 前言金属零部件的磨耗量是增大能耗，增加零部件更换率和提高生产运用成本，降低生产效率的重大问题，因此如何提高零部件表面的耐磨性，实施表面改性处理是十分重要的课题。
随着科学技术和现代工业的发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高，对摩擦、磨损、腐蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技术的发展与进步。
等离子体技术在材料表面改性中的应用研究
等离子体技术在材料表面改性中的应用研究随着人们对材料特性的要求越来越高，材料表面改性技术也越来越受到关注。
而等离子体技术作为一种高效、可控、环保的表面改性方法，近年来受到了广泛关注，并在材料表面改性中得到了广泛应用。
一、等离子体技术概述等离子体（plasma）是一种带电粒子和自由电子的气体状态，具有高能量和高反应活性。
等离子体技术是指利用等离子体对材料表面进行离子轰击、表面化学反应、离子注入等处理，从而改变材料表面特性的方法。
二、等离子体技术在材料表面改性中的应用2.1 表面清洗材料表面清洗是材料表面改性前必要的一步。
等离子体技术可用于表面清洗，其离子轰击能够有效地去除表面杂质和氧化物，提高表面纯度和清洁度。
2.2 表面硬化利用等离子体处理能够使材料表面硬度增加几倍甚至几十倍，提高材料的耐磨性和耐蚀性。
这是因为等离子体处理过程中产生的活性粒子高速撞击材料表面，使其表面发生塑性变形和冷变形，形成了高密度的晶界，进而提高了材料表面的硬度和强度。
2.3 表面涂层等离子体技术还可以应用于表面涂层。
利用等离子体处理可以改善物质的表面亲和力和等离子体处理过程中产生的活性粒子可用于表面化学反应，使得表面涂层更加牢固耐用。
2.4 表面改性等离子体技术还可用于材料表面的化学修饰，例如通过等离子体轰击和离子注入等方式，使得表面分子结构或化学结构发生变化，从而改变表面的性质和功能。
三、等离子体技术的优点和不足3.1 优点(1) 高效：等离子体技术处理速度快，一个相对较小的样品可以在几秒钟内得到处理；(2) 可控性强：可以调节等离子体的电场、功率、成分等参数，控制等离子体处理的深度、速度和质量；(3) 环保：等离子体技术不需要使用有机溶剂和腐蚀性酸碱等物质，对环境的污染小，有助于环保。
3.2 不足(1) 昂贵：等离子体处理设备的购买和维护成本较高；(2) 设备复杂性高：等离子体处理设备需要高压电源和气体供应等支持，对处理条件有较高的要求，操作难度较大。
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层流等离子体材料表面改性工艺研究马 维,李小存(中国科学院力学研究所,北京 100080)摘要:针对热物理性能明显不同的3种金属,研究层流等离子体技术在材料表面改性工程应用的可行性。
结果表明,重熔工艺适用于热导率适中和微结构稀疏的铸铁类材料;熔覆工艺则适用于低热导率的不锈钢。
两种处理工艺均可以明显改变热影响区的材料微结构并提高材料表面硬度。
研究表明改性层微结构的改善与材料热物理性能和凝固过程瞬态特性密切相关。
关键词:层流等离子体技术;重熔;熔覆;微结构;热物理性能中图分类号:TG143;TG156.99 文献标识码:A 文章编号:025426051(2007)022*******M a ter i a l Surface M od i f i ca ti on Processi n g w ith Lam i n ar Pl a s ma TechnologyMA W ei,L I Xiao 2cun(I nstitute of Mechanics,Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100080,China )Abstract:The possibilities of la m inar p las ma technol ogy app lied in surface modificati on were investigated on three typ ical metals with quite different ther mo 2physical p r operties .The tests de monstrate that this re melting p r ocess can evidently i m 2p r ove the m icr ostructure and p r operties of the cast materials with moderate heat conductivity and l oose m icr ostructure such as cast ir on .The cladding tests were carried out on stainless steel with l ow heat conductivity .The results show that all the re melting and cladding p r ocesses with la m inar p las ma technol ogy can i m p r ove the m icr ostructures and increase the hardness of the surface modified layers .These treat m ent effects are cl osely related t o the ther mo 2physical p r operties of materials and the transient characteristics in rap id s olidificati on .Key words:la m inar p las ma technol ogy;re melting;cladding;m icr ostructures;ther mo 2physical p r operty作者简介:马 维(1960.03—),男,山西晋中人,副研究员,博士,主要从事材料表面改性及热力学性能研究,已发表论文20余篇。
联系电话:010********* E 2mail:wat w m@i m ech .ac .cn 基金项目:国家自然科学基金(10275085)收稿日期:2006210206 激光束热能输出稳定,使得激光技术用于材料表面改性获得良好效果,得到工程界普遍认可[124]。
但是,与等离子体电弧相比激光束热能利用率较低[5],且设备研制和运行费较高。
因此研发热效率高、性能稳定和运行成本低的新型等离子体电弧材料表面改性技术具有现实意义。
层流等离子体射流的特点是[627]:产生功率低,射流和熔池中杂质搀混少,射流轴向温度梯度小,运行费用低,环境污染明显改善。
可见层流等离子体射流有可能作为一种新型热源用于材料表面改性工程领域。
本文的主要目的是通过对该技术在材料表面改性工艺的机理研究,初步探索其实际应用的可行性。
为此对热物理性能明显不同的三种金属材料———不锈钢、铸铁和A l 2Si 合金进行了重熔和熔覆对比性试验研究。
结果表明该技术极具应用前景。
1 试验过程 三种试验用金属材料是1Cr18N i9Ti 不锈钢,HT100铸铁和A l 2Si 合金。
其化学成分和热物理性能列于表1中。
三种试验材料样品的尺寸分别为:80mm ×20mm ×3mm ,120mm ×80mm ×20mm 和80mm ×40mm ×10mm 。
用于熔覆处理的添加材料分别为粒度25～75μm 的A l 2O 3和20～40μm 的Si C 陶瓷粉体。
工艺参数为:等离子体弧功率5～7k W ,加热距离10～15mm ,工作气体流量3～6L /m in,基底平移速表1 试验材料化学成分(质量分数,%)和热物理性能Table 1 Che m i ca l co m positi on (wt%)and therm o 2physi ca l properti es of the tested ma ter i a ls材料CSiMnCrN iPSTiCuZnMgZr热导率/W (m ・K )-1熔点/℃不锈钢≤0112≤018≤217～198～11≤01035≤01025015～018281400HT100铸铁3143～31682112～312015～01570177～0110108～0116411130A l 2Si 合金10～13015013011011011168580度3～5mm /s 。
熔覆试验中基底预热温度为350～420℃,供粉率为3～5g/m in 。
等离子体工作气体和供粉气体均为氩气。
试验前样品表面经280号和380号砂纸打磨增加粗糙度。
试验包括两方面内容:没有添加粉体的重熔试验和添加粉体的熔覆试验,目的是探究两种工艺对热物理性能明显不同的金属和合金材料的适用性。
用于微观观察的金相样品按照标准制备程序完成。
通过光学显微镜和扫描电镜对样品横截面上热影响区和熔覆层的微组织进行研究,并对熔池中A l 、Si 元素进行能谱分析确定其浓度变化及检验熔覆处理效果。
沿热影响区厚度方向测试了维氏硬度变化,相应的载荷为2N,作用时间为10s 。
2 试验结果与讨论211 重熔试验 重熔试验表明在合适工艺条件下层流等离子体射流可以在不锈钢、铸铁和A l 2Si 合金表面产生明显的处理效果(图1a ～c )。
不同材料熔痕外观形貌特征也明显不同。
不锈钢表面熔痕呈槽沟形,中间深凹两边上凸(图1a ),铸铁熔痕表面均匀细腻(图1b ),A l 2Si 合金熔痕较宽,且表面有“酒窝”形成(图1c )。
显然,熔痕特征与材料热物理性能和工艺条件相关。
图1 不同材料经熔凝处理(a ～c )和熔覆处理(d ～e )后的表面形貌(a,d )不锈钢 (b )铸铁 (c,e )A l 2Si 合金Fig 11 Appearance of the re melting tracks (a ～c )andcladding tracks (d ～e )on different materials(a,d )stainless steel (b )cast ir on (c,e )A l 2Si all oy 金属重熔材料经过急冷急热过程,凝固期间材料相变引起材料微结构变化。
与激光工艺[1]相比,等离子体工艺涉及的热力学现象较为复杂。
原因是等离子体工作气体对熔池高温流体产生的压力促进了不同相物质间热和质量交换。
相关理论分析和数值模拟研究报道很少,是有待开展研究的新课题。
文献[8]的研究表明激光表面处理时熔池高温流体凝固过程中流/固界面最大移动速度接近但小于基底移动速度。
所以,本试验铸铁凝固速度<4mm /s,不锈钢和A l 2Si 合金凝固速度<3mm /s 。
试验观察到不锈钢和铸铁材料的熔池直径为4mm ,A l 2Si 合金为7mm 。
所以凝固时间约为1～2s 。
重熔过程中等离子气体在熔池或熔痕表面产生一个高温气体边界层。
该边界层在熔池和大气间形成一个隔热屏障,有效阻碍了熔池流体与大气间的热量对流,所以熔池流体主要是通过基底固相材料的热传导机制散发热量;又因为凝固时间较短,基底热传导机制产生的温度梯度差别不大,忽略其对熔池流体热耗散现象的影响。
按照Fourier 热传导定律,凝固过程中控制热扩散机制的主要因素是材料的热导率。
不锈钢材料熔点高、导热性较差。
加热过程中等离子体射流可使材料表面温度超过6000℃,所以不锈钢材料极易融化。
另一方面,低热导性使热量积累在熔池物质中,使其温度不断上升,导致熔池流体粘性明显下降。
在等离子体气体压力作用下高温低粘性流体运动到熔痕两边,温度骤降导致快速凝固形成凸边。
中部残留下凹槽形成图2a 所示外观形貌。
铸铁熔点为1130℃,重熔时等离子体射流传输给熔池物质的热量与不锈钢情形相当。
但是铸铁热导性较好,以热传导机制传输到基底固相材料中的热量明显增加,使其维持相变点以上的高温状态,冷却过程中急速冷凝机制引起材料相变,形成图2b 中的热影响区。
另一方面,熔池热量的快速耗散使熔池流体温度维持在熔点附近,保持较大粘性和张力,以致有限的等离子体气体压力无法破坏熔覆表面外观,使其保持平整外观。
热影响区微观观察表明熔池内已形成马氏体相和片状石墨组织。
在熔痕表面有渗碳体、莱氏体形成和离散石墨相析出。
A l 2Si 合金熔点较低,融化所需热量约为不锈钢的1/3。
相同热流密度加热条件下形成较宽的熔痕。
另外,A l 2Si 合金导热性能较好,热导率为168W /m ・K 。
通过基底固相材料的热耗散率约为不锈钢的5倍,大部分等离子体射流输入的热量通过基底固相材料以热传导机制被耗散。
仅有射流直接加热面附近区域材料能够获得足够热量引起物态变化,形图2 各样品重熔处理熔痕的横截面微观形貌(a )不锈钢 (b )铸铁 (c )A l 2Si 合金Fig 2 M icr oscop ic observati ons of the re melting tracks oncr oss 2secti on of the sa mp les under SE M(a )stainless steel (b )cast ir on (c )A l 2Si all oy成很薄的热影响区,而且熔池和基底间没有明显界面形成(图2c )。