感应熔覆控制工艺技术研究现状

基金项目：山东省科技发展计划项目（2011GGX10329）。

引言

感应熔覆技术作为综合感应加热技术和表面涂层技术优势的新型表面熔覆强化技术，以较低的成本在材料表层制备出满足高耐磨性、高耐腐蚀性要求的复合金属熔覆层，感应熔覆成形效果既能充分保持基体材料的原有韧性特征，又能有效发挥熔覆涂层的耐磨、耐腐蚀与耐疲劳的材料特性，且熔覆层和基体的冶金结合方式使的整个零件综合机械性能获得大幅度提升 [1-4]。与传统的表面淬火、表面渗碳等表面强化技术相比，感应熔覆技术不仅能够大大降低使制造成本，而且能够更好地满足机械零件工作环境对其综合机械性能的苛刻要求 [5]。目前感应熔覆技术的研究还处在起步阶段，感应熔覆成形机理与控制工艺方法还不够明确有待于进一步研究。因此，为了促使感应熔覆强化技术在各工业领域的广泛应用，针对感应熔覆成形与控制工艺的深入研究已经成为表面工程技术前进发展的迫切需要和必然趋势。

1　感应熔覆加热设备

上世纪30年代至50年代，感应加热电源技术发展比较落后，产品生产水平也比较低下，随着50年代后期晶闸管的问世，感应加热电源迎来全新的发展时期，各种配套服务体系及产品生产水平也随之完善并提高 [6]。20世纪90年代，随着我国改革开放经济政策力度的进一步加大，国外先进晶闸管技术不断被引进，国内晶闸管电源生产厂商相继出现，经过随后的二十几年发展变化，晶闸管电源正逐渐向IGBT电源方向发展，电子管变频装置也正在向MOSFET晶体管电源方向发展，因此，中、高频感应加热电源在半导体功率器件的不断更新中，性能及技术水平也在不断的得到提升 [7]。

目前，中频感应加热设备采用串联谐振式或并联谐振式逆变器结构，功率因数较高。串联谐振式具有结构简单、易于频繁启动、设备重量体积较小等优点，被广泛应用在铸造、熔炼等行业中，同时串联谐振逆变感应加热电源在全工况下容易实现恒功率输出以及一机多载功率分配控制；并联谐振式支路电流往往大于电路的总电流，因此又称为电流谐振，运用在感应加热电源中，有时会造成电路熔断器熔断或出现烧毁电器设备的现象 [8]，我国在中频感应加热设备中多采用并联谐振式逆变电源，虽较传统电源具有一定的优势，但研制串联逆变器结构中频感应加热电源仍是我国在此领域有待解决的问题。

20世纪80年代，在超音频感应加热电源方面，我国浙江大学的研究者曾利用晶闸管倍频式电路、时间分割电路分别研制了50kW/50kHz [9]、30kHz的超音频电源。由于双谐振回路在晶闸管倍频式电路中造成所加负载呈现非线性、增加时间分割电路机构的复杂性以及降低工作效率等特点，没有得到广泛的应用。与此同时，随着现代半导体微集成加工技术的不断完善，以及功率半导体技术的不断发展，加之二者相结合，相继出现了一系列新型固态电力电子半导体器件，因其IGBT结合了GTR、MOSFET的整体优良性能，目前应用最为普遍。

在高频开关电源领域，电子管高频电源正在逐渐的被静态感应晶体管（SIT）和MOSFET所取代。静态感应晶体管是一种结型场效应晶体管，和传统的双极型晶体管相比，具有线性小、噪声低、高输入阻抗、低输出阻抗、无二次击穿、低温性能良好、开关速度快等优点。目前应用以日本为主，其电源水平在20世纪80年代已达到1000kW/200kHz、400kw/400kHz [9-11]，但静态感应晶体管因其具有通态电阻比较大，通态损耗较大等缺点，未在市场上得到广泛应用。相比之下，MOSFET功率器件具有模块化、大容量化的优点，欧美等国家多采用MOSFET为主的高频功率器件，西班牙、德国、比例时采用MOSFET的电流型感应加热电源加热的功率分别达到了600kW/400kHz、480kW/50～200kHz、1000kW/15～600kHz [12-13]。在我国，浙江大学于20世纪90年代成功研制出MOSFET20kw/300kHz的高频电源，并应用在飞机涡轮叶片热应力考核与小型刀具表面热处理实验中。然而由于受到先进设备投资成本的影响，我国多数高频设备生产厂家仍然采用电子管高频电源，这种功率器件技术水平比较落后，严重影响我国高频感应加热电源的发展。因此，采用SIT、MOSFET等半导体功率器件在高频感应加热电源上的应用具有巨大的潜力。

综上所述，随着应用感应电源技术的迅猛发展，引入新型感应加热功率器件到感应熔覆设备中，将促进感应熔覆时变电参数控制工艺的研究和发展，有力推动感应熔覆技术在工业上广泛应用的进程。现有感应电源技术具备制造时变频率的感应加热熔覆设备能力，为感应熔覆时变参数控制工艺的研究提供了设备基础。

2　感应熔覆涂层材料

高频感应熔覆技术中一般使用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复合粉末，这种材料具有易脱渣、造渣、改善铺展性、提高润湿性能与工艺成形性能等特点，因其熔点低、可以与基体形成多种强化组织结构，被广泛应用在金属表面热处理行业中，目前，自熔性合金粉末大体分为如下几类：

（1）镍基自熔合金粉末。早期，自熔性合金粉末是以镍基材料为基础，因其加入元素的不同，又可以分为镍硼硅粉末和镍铬硼硅粉末。该类型粉末具有良好的润湿、高温自润滑性、耐蚀、抗磨、抗氧化等性能，是当前市场上应用最多、最广泛的自熔性合金粉末。王振廷、孟君晟等 [14]采用高频感应熔覆技术，在原位自生TiC/Ni基复合涂层的研究中，以Ni60A、C、Ti为主要原料，在16Mn钢表面原位生成TiC增强复合材料涂层，得到熔覆层质量良好，与基体形成良好的冶金结合，无气孔、裂纹等缺陷，具有高耐磨、耐蚀、抗氧化等性能；张增志、韩桂泉等采用高频感应Ni60复合涂层，得到冶金结合组织均匀细致，具有丰富的增强耐磨硬质相；贺定勇等在Ni60合金粉末加入WC硬质相，其相对耐磨性为单纯使用Ni60涂层的2~6倍。

（2）钴基自熔合金粉末。在Co、Cr、W元素中加入B、Si元素即形成钴基自熔性合金粉末，该种粉末具有良好的抗高温、耐蚀、抗疲劳性能，被广泛的应用在石油、冶金、锻造等工业领域。Co基自熔性合金粉末润湿性能良好，熔点低，受热时Co元素最先熔化，形成新的化合物质，有利于强化复合涂层。国内外学者 [15-16]对钴基合金粉末熔覆技术做了大量的研究，验证了钴基合金粉末在高温下仍然具有良好的力学性能；黄新波 [25]在钴基合金粉末中加入WC，制备复合涂层，熔覆在45钢基体表面，对于改善基体表面的耐磨、耐腐蚀、增加涂层内部韧性具有很好的效果。

（3）铁基自熔合金粉末。铁基自熔性合金粉末是在铁碳合金基体中添加适量的Cr、B、Si元素，B、Si元素的加入，可显著降低合金粉末的熔点，Cr元素的加入，可提高钢基体的强度、硬度和耐磨性。该类型粉末由于价格成本较钴、镍等合金粉末便宜，广泛地应用在我国的各类行业之中。贾文杰、王立成 [17]针对石油机械零部件易磨损、腐蚀等状况，列举了各种典型的喷焊修复铁基自熔性合金粉末。李胜等在中碳钢基体中熔覆铁基自熔性合金粉末，发现C含量的微小变化对涂层显微组织具有较大的影响：在其它参数不变的情况下，C在0.3%~0.4%范围变化时，C含量的减少，利于熔覆层硬度和韧性的提高，同时对裂纹的产生也具有抑制作用。

（4）复合粉末。复合粉末主要是指含有C、N、B、Si、O等元素组成的高熔点硬质陶瓷材料与金属基混合形成的粉末体系，综合了金属基强韧性、良好工艺性以及陶瓷材料的耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化等优点，是目前合成粉末研究的热点之一。戎磊等 [19]在CCS-B钢板上采用激光熔覆WC增强Ni基复合涂层，研究发现：随着WC含量的增加，熔覆层的稀释率逐渐增加；在WC溶解的同时，与周围元素相互作用，形成低熔点共晶；随着WC含量的增加，熔覆层上部区域γ-Ni枝晶组织发生先细化后粗化，在下部区域，枝晶组织不断粗化；当WC在复合粉末中占比30%时，涂层平均硬度为基体的4倍。杨胶溪等 [18-22]在Cr12、45钢基体上制备WC-Ni基复合材料，获得与基体冶金结合良好的熔覆层，且并无气孔、裂纹等缺陷。

（5）其他金属基粉末。除以上所述的几种粉末材料之外，目前已经研发并应用的金属基粉末材料体系包括：钛基、铜基、镁基、铝基、铬基、锆基及金属间化合物基等材料，一般具有耐蚀、导电、抗高温、抗氧化等多种功能 [20-23]。

综上所述，不同涂层材料在成型和优化涂层质量各具有一定的特点与优势，但在探寻高质量的熔覆成形效果和制定优化控制工艺策略上具有高度相似性，因此，利用代表性的涂层材料与基体材料作为研究感应熔覆成形机理的研究对象，对于研究感应熔覆优化控制工艺规划具有重要的理论指导和数据参考价值。

3　感应熔覆涂层预制备

感应熔覆材料制备涂层材料一般包括合金粉、粘结剂和助溶剂。合金粉材料成分选取的不同，直接影响修复金属表面的抗腐蚀、耐磨、硬度等性能。粘结剂一般选取水玻璃，该类型粘结剂具有粘结力强、强度高，耐酸性、耐热性好等优点，在涂层中使用，便于增加粉末颗粒压制时的粘性，利于粉块成形。助溶剂在涂层中主要起造渣、保护熔融状态下的金属不被氧化的作用 [24]。在涂层的制备过程中，合金粉、助溶剂、粘结剂三者的比例应适当，一般为10:1:0.5左右，若其中任一成分加入量过大，对实验结果都会产生较大影响。同时，在熔覆涂层制备过程中，还需要考虑到合金元素与基体金属间的相互作用特性，合金化区所形成的物相结构对基件改良后的影响，与基体件的冶金结合是否牢固可靠等工艺原则，针对具体情况，要对合金粉末的选取、添加、质量控制作出相应的规划。

感应熔覆加热前应对工件基体表面进行除锈、去污等前处理，然后将调制好的合金粉末预涂于基体表面。粉末涂覆一般包括冷涂和热涂两种方法：热涂是采用于热喷涂的方式，即利用某种热源将合金粉末加热到熔融或半熔化状态，借助于火焰或压缩空气以一定的速度喷射到基体表面，形成某种沉积涂层，然后经过感应热处理，使得沉积涂层再次熔化形成另一种强化涂层的技术。确切来说，这种方式属于感应重熔，并非严格意义上的感应熔覆。冷涂法一般是指在合金粉末中加入助溶剂、粘结剂等物质，调至均匀，直接涂覆在基体表面，经过感应热处理，合金粉末熔覆在基体表面形成的一种涂层技术。冷涂方式较热涂方式操作简单、方便，无需通过燃气、电弧等其它热源加热，即可将合金粉末涂覆在基体表面，因而应用比较广泛。文献中 [16-22]将金属或金属基合金粉末通过冷涂的方式涂覆在工件基体表面，经感应加热后，粉末与基体形成很好的冶金结合，修复基体表面效果比较明显。

感应熔覆冷涂法已成为主要的感应熔覆实验研究涂层制备方法，以往学者研究多针对于具体的涂层材料进行相应的调整进行熔覆冷涂覆工艺，缺少通用的冷涂层制备工艺，一定程度上影响了预制涂层方法的可移植应用，不利于感应熔覆技术的扩展性研究和应用。

4　感应熔覆数值模拟研究

感应熔覆过程是一个涉及温度场、电磁场、应力场于一身的复杂物理过程，运用数学方法很难获得精确的理论耦合计算，但随着计算机技术的快速发展，通过商业数值模拟软件对感应加热过程进行有限元分析，简化了繁琐的计算程序，同时也大大提高了理论计算的精确度。目前国内外众多学者已从事于该方面的理论研究。

杭国平 [20]运用有限元方法对感应加热工件的温度场、涡流场进行了计算，并编写了三维涡流场有限元程序，利用所得到的温度场计算结果，对加热过程中的热应力、应变等问题做出了详细计算；王璋奇等 [21]对厚壁管道感应加热进行了数值模拟计算，得到了温度场的仿真结果，完善了管道感应加热参数数据库；Sun Y F [22，23]和Yang X G [24]在对连续感应加热的研究时，Sun Y F运用Ansys有限元软件对PC钢表面温度与含碳量对应关系进行了研究，Yang X G则对两根相同特征的钢棒同时进行感应加热研究，分析达到锻造温度时工件的各项性能参数；Wang K F 等 [25]采用Ansys有限元软件对1080钢铁圆棒感应淬火过程进行有限元分析，评估了淬火后工件表面淬硬层的组织和深度。

Fireteanu V，Tudorache T [24]通过对磁性与非磁性材料横向磁通感应加热电磁场的研究，建立了四种模型对磁场强度的分布进行了描述；Kawase Y等 [26]运用三维有限元分析对电动剃须刀片感应淬火过程中的温度场、涡流场进行耦合分析计算，并建立了非线性计算模型；Dughiero F等 [28]基于修正的Fletcher和Reeves有限差分方法在对钢棒感应淬火优化工艺过程中，建立了温度场和电磁场的耦合模型，将仿真结果成功的应用到优化参数的选择之中；Pokrovskii AM等 [29]认为温度控制的相组分和淬火液性能对感应淬火淬硬层影响因素比较大，设计了计算感应淬火硬度软件，降低了实验成本；Krahenbuhl L等、Xu DH [30]运用有限元法分别对工件感应淬火中的涡流场、残余应力场进行了计算；Fuhrmann J、Homberg D、Uhle M等 [28,29]运用pdelib的差分方程模拟软件包，在42CrMo4钢的表面淬火上成功的得到运用。

综上所述，国内外学者多采用针对单一物理场进行固定目标参数的研究，少有结合多物理场下的数值模拟分析，以往学者多采用固定材料属性进行建模设置，未考虑温变材料属性，这极大的影响了感应熔覆的模拟数值结果。因此，在构建热场、应力场与流体场等多场耦合数值模型的基础上，充分考虑温变材料属性将成为感应熔覆数值模拟未来的发展方向。

5　感应熔覆控制工艺存在的主要问题

目前，国内外感应熔覆成形质量最突出的问题是熔覆层中出现“夹生”、“杂质缺陷和气孔”等现象，根本原因是涂层在感应加热过程中，热量传导不充分，中间层部分未熔化，热量由临界面向涂层传递过程中，存在温度梯度，加之工艺参数控制不合理，涂层表面冷凝时，杂质和气体未能完全排除，从而造成此类现象的产生；其次，感应加热由于存在加热、冷却速度快的特点，涂层冷凝时很容易产生应力集中，影响涂层与基体的结合强度。现有的感应熔覆工艺方法采用优化固定参数的方法，在一定程度上缓解了熔覆成型质量的问题。由于感应熔覆成型过程的非线性特点，固定参数的工艺优化方法不能根本性地改善感应熔覆成形过程，只能有限的提高了熔覆成形质量。因此，需要在深入研究感应熔覆成形机理的基础上，明确感应熔覆过程中起主要影响作用的敏感性工艺参数，利用敏感性参数进行时变参数控制的优化工艺研究，探索制备高质量感应熔覆涂层的成形控制工艺。