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（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安，710071）

摘 要：利用自主改進(jìn)的電子束設(shè)備對(duì)銅制風(fēng)口進(jìn)行耐磨涂層的表面熔覆，解決了風(fēng)口使用壽命低的難題。說(shuō)明了電子束熔覆在銅制品的表面改性等工藝方面較通常等離子噴涂、火焰噴涂、超音速噴涂等具有不可替代的作用。同時(shí)也介紹了工業(yè)粉末JN-NiCrBSi涂層的結(jié)構(gòu)及性能。

關(guān)鍵詞：電子束熔覆；銅制風(fēng)口；耐磨涂層

本文介紹在S2500電子束設(shè)備上利用電子束進(jìn)行銅制風(fēng)口表面耐磨涂層增材制造的工藝技術(shù)和設(shè)備的特點(diǎn)，同時(shí)還研究JN-NiCrBSi工業(yè)粉末涂層的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了在銅制風(fēng)口表面進(jìn)行耐磨涂層增材制造，使用了本公司的S2500電子束設(shè)備（圖1）和相關(guān)檢測(cè)設(shè)備如日本理學(xué)（Rigakn）SmartLab X射線衍射儀，ZEISS MERLIN Compact Zeiss場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，Instron RB2000數(shù)顯洛氏硬度計(jì)和FM-700顯微硬度計(jì)等。

圖1   S2500電子束設(shè)備

2 實(shí)驗(yàn)材料

使用牌號(hào)為JN-NiCrBSi、粒度90-150微米的工業(yè)熔覆粉末作為熔材（參見表1）。指定這樣的粒度取決于下列原因：顆粒尺寸小于90微米時(shí)，實(shí)際使用中被熔池蒸汽完全吹走；顆粒尺寸大于150微米時(shí)，需要較高的電子束功率值。

表1. JN-NiCrBSi工業(yè)粉末化學(xué)成分

3 實(shí)驗(yàn)方法

電子束槍安裝在真空室內(nèi)部三軸機(jī)械手上。電子束槍最大功率6kW，加速電壓30kV。電子束槍能夠在真空室內(nèi)10-1-10-2Pа壓力范圍內(nèi)和在風(fēng)口表面熔覆時(shí)熔覆粉料強(qiáng)蒸發(fā)、有氣體噴出的條件下穩(wěn)定工作。

電子束槍陰極部件如圖2所示。陰極部件上放電室的體積2.0cm³，銅制陽(yáng)極殼體有效地將熱量從放電室傳給變壓器油，使得磁鐵溫度達(dá)不到磁居里點(diǎn)溫度。最大束流值提高到200mA。

圖2   電子束槍的陰極部件：

1.空心陰極；2. 氣體通道；3. 等離子體；4. 絕緣子；5. 陽(yáng)極；6. 永磁鐵；7. 絕緣子；8. 發(fā)射陰極；9. 可更換嵌塊；10. 電子束；11.發(fā)射陰極

為了方便將沖損的嵌塊更換，在發(fā)射陰極劇烈磨蝕的位置上做了可拆卸的嵌塊。對(duì)使用不同材料制造的嵌塊的使用時(shí)間進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，得出下列結(jié)果（參見表2）。

表2.  發(fā)射陰極嵌塊使用壽命

因?yàn)轱L(fēng)口進(jìn)行耐磨層增材制造過(guò)程可能需要16小時(shí)電子槍連續(xù)工作。S2500電子束設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)表明，電子槍每工作16個(gè)小時(shí)之后，必須進(jìn)行預(yù)防性檢修。預(yù)防性檢修工作包括清潔放電室、清潔發(fā)射陰極發(fā)射孔上的來(lái)自于被熔覆風(fēng)口表面上的蒸發(fā)物。在電子槍16個(gè)小時(shí)工作期間，蒸發(fā)物沉積在發(fā)射孔上，使其直徑縮?。◤?mm到1.2±0.2mm），還經(jīng)常引起放電室內(nèi)各電極間短路。因此在熔覆過(guò)程中，利用電子束偏離電子槍軸線一定的角度和電子束平移電子槍軸線一定距離可有效降低蒸發(fā)物沉積密度。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

熔覆前，使用功率20kW的電加熱器、在1小時(shí)內(nèi)把風(fēng)口在大氣中預(yù)熱到330°C。真空室抽真空到工作壓力后，借助3kW功率電子束進(jìn)行風(fēng)口將被熔覆表面氧化膜清除。在熔覆過(guò)程中，依靠2kW的電子束能量使風(fēng)口溫度保持在300±100°C范圍內(nèi)。

利用電子束進(jìn)行耐磨涂層增材制造過(guò)程在5×10-1Pа壓力下的真空室進(jìn)行。直徑1mm、功率2kW、掃描頻率50Hz的電子束在5×1mm²的路線上掃描。電子束在風(fēng)口表面路線上，形成了對(duì)應(yīng)電子束掃描尺寸的、5×1mm²大小的熔池。 為了獲得厚度為1.5mm涂層選擇了下列熔覆方案：風(fēng)口表面熔池位移線速度3mm/s；經(jīng)過(guò)風(fēng)口每一個(gè)完整的轉(zhuǎn)動(dòng)一圈熔池縱向位移1mm；向熔池輸送熔粉速度0.5kg/h。銅制風(fēng)口表面耐磨涂層增材制造的速度平均16cm³/h。在一個(gè)行程里，行程0.25±0.05mm厚的涂層。沿風(fēng)口表面的同一位置被確定的熔池部分移動(dòng)5次。涂層形成的速度低是因?yàn)槌叽缯〉?×1 mm²熔池消化熔材的量小。由于銅的高導(dǎo)熱性，增加電子束功率高于2kW不能較大地增大熔池，但是大大地提高了熔池上方蒸發(fā)率。劇烈的銅蒸汽把熔粉從熔池中驅(qū)走，降低了收得率。風(fēng)口涂覆的結(jié)果如圖3：

圖3     JN-NiCrBSi耐磨涂層的風(fēng)口：

a - 側(cè)視圖；b - 俯視圖。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.電子束熔覆設(shè)備S2500可以用來(lái)為銅制風(fēng)口熔覆良好的耐磨涂層；

2.在風(fēng)口表面進(jìn)行厚度為1.5±0.3mm JN-NiCrBSi耐磨涂層增材制造的生產(chǎn)周期約為16小時(shí)/件。

3. 熔覆表面積約為0.2m²，獲得的涂層表面硬度為53±2HRC。

6 討論

經(jīng)驗(yàn)表明，采用傳統(tǒng)方法（等離子噴涂，火焰噴涂，超音速噴涂）對(duì)銅制風(fēng)口進(jìn)行表面硬化處理所獲得的涂層在使用過(guò)程中由于熱沖擊會(huì)產(chǎn)生脫落^{【1、2】}。使用激光熔覆時(shí)，需要很大的光束能量，這是因?yàn)殂~制風(fēng)口表面熔化的液態(tài)區(qū)域有大的光反射。由于熔化區(qū)光反射，使用激光對(duì)銅進(jìn)行熔覆的效率可能會(huì)降到10%。

利用電子束為銅制風(fēng)口表面增材制造（熔覆）耐磨層是提高風(fēng)口使用壽命有前景的方法之一。電子束的加熱效率可達(dá)到90%。應(yīng)用射線技術(shù)可獲得熔材和基材間的低混合系數(shù)、高質(zhì)量涂層，這是從促進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)向射線技術(shù)轉(zhuǎn)變的主要因素。同時(shí)，由于提高了的加熱和冷卻速度（~105℃/s），形成的涂層具有強(qiáng)度特性及摩擦特性方面的優(yōu)越性，這些特性源于熔覆過(guò)程中形成的合金元素過(guò)飽和固溶體和從其中析出強(qiáng)化難熔化合物的細(xì)小分散顆粒^【3、4】。提高了熔覆涂層的使用性能。

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作者簡(jiǎn)介：朱暉（1975-），男，1998年7月畢業(yè)于西安石油學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，在職碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，任物資裝備部主任工程師，長(zhǎng)期從事物資裝備管理工作。