（陕西延长石油（集团）有限责任公司，陕西西安，710071）
摘 要：利用自主改进的电子束设备对铜制风口进行耐磨涂层的表面熔覆，解决了风口使用寿命低的难题。说明了电子束熔覆在铜制品的表面改性等工艺方面较通常等离子喷涂、火焰喷涂、超音速喷涂等具有不可替代的作用。同时也介绍了工业粉末JN-NiCrBSi涂层的结构及性能。
关键词：电子束熔覆；铜制风口；耐磨涂层
本文介绍在S2500电子束设备上利用电子束进行铜制风口表面耐磨涂层增材制造的工艺技术和设备的特点，同时还研究JN-NiCrBSi工业粉末涂层的结构和性质。
1 实验设备
为了在铜制风口表面进行耐磨涂层增材制造，使用了本公司的S2500电子束设备（图1）和相关检测设备如日本理学（Rigakn）SmartLab X射线衍射仪，ZEISS MERLIN Compact Zeiss场发射扫描电子显微镜，Instron RB2000数显洛氏硬度计和FM-700显微硬度计等。
图1 S2500电子束设备
2 实验材料
使用牌号为JN-NiCrBSi、粒度90-150微米的工业熔覆粉末作为熔材（参见表1）。指定这样的粒度取决于下列原因：颗粒尺寸小于90微米时，实际使用中被熔池蒸汽完全吹走；颗粒尺寸大于150微米时，需要较高的电子束功率值。
表1. JN-NiCrBSi工业粉末化学成分
3 实验方法
电子束枪安装在真空室内部三轴机械手上。电子束枪最大功率6kW，加速电压30kV。电子束枪能够在真空室内10-1-10-2Pа压力范围内和在风口表面熔覆时熔覆粉料强蒸发、有气体喷出的条件下稳定工作。
电子束枪阴极部件如图2所示。阴极部件上放电室的体积2.0cm3，铜制阳极壳体有效地将热量从放电室传给变压器油，使得磁铁温度达不到磁居里点温度。最大束流值提高到200mA。
图2 电子束枪的阴极部件：
1.空心阴极；2. 气体通道；3. 等离子体；4. 绝缘子；5. 阳极；6. 永磁铁；7. 绝缘子；8. 发射阴极；9. 可更换嵌块；10. 电子束；11.发射阴极
为了方便将冲损的嵌块更换，在发射阴极剧烈磨蚀的位置上做了可拆卸的嵌块。对使用不同材料制造的嵌块的使用时间进行的实验，得出下列结果（参见表2）。
表2. 发射阴极嵌块使用寿命
因为风口进行耐磨层增材制造过程可能需要16小时电子枪连续工作。S2500电子束设备使用经验表明，电子枪每工作16个小时之后，必须进行预防性检修。预防性检修工作包括清洁放电室、清洁发射阴极发射孔上的来自于被熔覆风口表面上的蒸发物。在电子枪16个小时工作期间，蒸发物沉积在发射孔上，使其直径缩小（从2mm到1.2±0.2mm），还经常引起放电室内各电极间短路。因此在熔覆过程中，利用电子束偏离电子枪轴线一定的角度和电子束平移电子枪轴线一定距离可有效降低蒸发物沉积密度。
4 实验过程
熔覆前，使用功率20kW的电加热器、在1小时内把风口在大气中预热到330°C。真空室抽真空到工作压力后，借助3kW功率电子束进行风口将被熔覆表面氧化膜清除。在熔覆过程中，依靠2kW的电子束能量使风口温度保持在300±100°C范围内。
利用电子束进行耐磨涂层增材制造过程在5×10-1Pа压力下的真空室进行。直径1mm、功率2kW、扫描频率50Hz的电子束在5×1mm2的路线上扫描。电子束在风口表面路线上，形成了对应电子束扫描尺寸的、5×1mm2大小的熔池。 为了获得厚度为1.5mm涂层选择了下列熔覆方案：风口表面熔池位移线速度3mm/s；经过风口每一个完整的转动一圈熔池纵向位移1mm；向熔池输送熔粉速度0.5kg/h。铜制风口表面耐磨涂层增材制造的速度平均16cm3/h。在一个行程里，行程0.25±0.05mm厚的涂层。沿风口表面的同一位置被确定的熔池部分移动5次。涂层形成的速度低是因为尺寸窄小的5×1 mm2熔池消化熔材的量小。由于铜的高导热性，增加电子束功率高于2kW不能较大地增大熔池，但是大大地提高了熔池上方蒸发率。剧烈的铜蒸汽把熔粉从熔池中驱走，降低了收得率。风口涂覆的结果如图3：
图3 JN-NiCrBSi耐磨涂层的风口：
a - 侧视图；b - 俯视图。
5 实验结果
1.电子束熔覆设备S2500可以用来为铜制风口熔覆良好的耐磨涂层；
2.在风口表面进行厚度为1.5±0.3mm JN-NiCrBSi耐磨涂层增材制造的生产周期约为16小时/件。
3. 熔覆表面积约为0.2m2，获得的涂层表面硬度为53±2HRC。
6 讨论
经验表明，采用传统方法（等离子喷涂，火焰喷涂，超音速喷涂）对铜制风口进行表面硬化处理所获得的涂层在使用过程中由于热冲击会产生脱落【1、2】。使用激光熔覆时，需要很大的光束能量，这是因为铜制风口表面熔化的液态区域有大的光反射。由于熔化区光反射，使用激光对铜进行熔覆的效率可能会降到10%。
利用电子束为铜制风口表面增材制造（熔覆）耐磨层是提高风口使用寿命有前景的方法之一。电子束的加热效率可达到90%。应用射线技术可获得熔材和基材间的低混合系数、高质量涂层，这是从促进传统技术向射线技术转变的主要因素。同时，由于提高了的加热和冷却速度（~105℃/s），形成的涂层具有强度特性及摩擦特性方面的优越性，这些特性源于熔覆过程中形成的合金元素过饱和固溶体和从其中析出强化难熔化合物的细小分散颗粒【3、4】。提高了熔覆涂层的使用性能。
参考文献：
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作者简介：朱晖（1975-），男，1998年7月毕业于西安石油学院工业自动化专业，在职硕士研究生学历，高级工程师，现就职于陕西延长石油（集团）有限责任公司，任物资装备部主任工程师，长期从事物资装备管理工作。
