完整浅谈等离子喷涂

(完整)浅谈等离子喷涂 等离子喷涂技术的应用等离子喷涂技术的应用 一、引言 热喷涂技术是表面工程学的重要工艺方法之一，它是一种材料表面强化和表面改性的新技 术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热等性能。而等离子弧喷涂技 术是热喷涂技术中应用最广的一种方法。等离子弧喷涂射流速度高,气氛可控、火焰温度高，工 艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等.所制备的耐磨、耐蚀、红外辐射、化学催化及多种功 能涂层的应用,提高了材料整体性能和使用寿命,有效地解决了高性能材料性能价格比矛盾 ［1］ . 因此近年来等离子弧喷涂技术进步和生产应用发展很快，现已广泛应用于核能、航空、航天、 石化、机械等领域［2]. 等离子弧喷涂技术最早在航空、航天部门得到应用，迄今为止,高温等离子弧喷涂在此领域 的应用仍超过其它领域。航天、航空作为等离子弧喷涂最大最稳定的应用市场，今后将保持稳 定并得到增长，在涂层技术及喷涂工艺方面也将不断得到改进和完善. 二、等离子喷涂的发展 等离子喷涂（APS)是以电弧放电产生的等离子体为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方 法.等离子喷涂是热喷涂的一个重要分支，它是 20 世纪 50 年代随着现代航空航天和原子能工业 技术的出现而发展起来的；当时对高熔点、高纯度、高强度的涂层提出需求，促使人们对高热 源、高喷速、改善喷涂气氛等方面进行了研究，从而在 50 年代末，美国 Plasma—dyne 公司首 先研制出等离子喷涂设备。等离子喷涂技术自其问世以来，一直受到极大的关注，已成为现代 工业和科学技术各个领域广泛采用的先进加工手段[3］ 。 由于等离子射流能够熔化几乎所有的固体材料，因此等离子喷涂技术可以形成涂层的种类 及其应用极其广泛。等离子喷涂技术的发展主要集中在喷枪功率的提高以及送进粉末方式的改 良两大方面。目前，特别是在轴向送粉方式等离子喷枪研制方面取得了巨大的进展. 20 世纪 80 年代以前，等离子喷涂技术的发展主要体现在等离子电弧的功率的提高,即最大 功率从 50 年代的 20KW，到 60 年代的 40KW，70 年代的 80KW 级。采用水作为等离子工作介质， 使电弧电压大幅度提高,从而使电弧功率可以达到 250KW.80 年代中期超音速等离子喷涂采用普 通的工作气体如氩气，其功率也达到了 200KW[4]。等离子电弧功率的提高大幅度提高了等离子 射流的热焓。这类高能等离子喷涂系统的主要特点应为涂层制备效率高，用于高熔点陶瓷材料 的喷涂成形更有效［5］ 。 当前,热喷涂技术已在航天、航空、机械、冶金、化工、石油，煤炭 ,铁道，纺织，交通运 输等部门获得了越来越多的应用，取得了明显的技术经济效益.可以预见,随着我国的工业进步， 热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决过去传统加工方法无法解决的问题，已经成为我 国现代工业中不可或缺少的一中表面技术［6］ 。 三、等离子喷涂原理、特点、设备 0 (完整)浅谈等离子喷涂 3.1.等离子态和等离子体 等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引、使物质成为正负带电粒子存 在的状态;由于其具有独特的性能，被称为物质的第四态［7］. 等离子体是一种由自由电子、正离子、中性原子和分子组成的电离气体云.等离子体的产生 是由于有足够的能量传递给气体而引起其电离。例如,如果气体被加热到 50000C 以上,化学键会 发生断裂而其原子进行非规则的运动，这就引起原子碰撞造成一些电子脱离原子核，而失去了 电子的原子核,就成为带正电荷的正离子.当气体经历了这一离子化过程，就成为等离子体。[1］ 3。2.等离子弧及其产生原理 众所周知,等离子喷涂是通过等离子弧加热溶化喷涂粉末粒子而实现的。电弧是在两电极间 产生强烈而持久的一种气体放电现象。当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于（ 10～ 20)V，电流不小于（80～100）m A，电器的触头间便会产出电弧。电弧本身是高温导电率的游 离气体，它的形成就是在电极触头之间的中性质点（分子和原子）被游离的过程。开关触头分 离时，触头间距离很小，如果电场强度（E=U/d)超过 3＊10 V/m,阴极表面将发生强电场发射， 即阴极表面的电子被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。然后，这些自由电子和触头间原 有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，并且在途中不断地和中性质点相碰撞而 打出电子，形成自由电子和正离子(碰撞游离） 。新形成的自由电子又向阳极作加速运动，也会 与中性质点碰撞而发生游离.碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大 的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧。 等离子弧属于压缩电弧。电弧的阴极一般采用钨电极（通常是 W—TH）,阳极接喷嘴（前枪 体）和/或工件,两者之间加上一个较高的电压。经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。 6 3.3.等离子体喷涂的基本原理 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法.产生 等离子弧的设备是等离子喷枪，它由钨电极、前枪体、后枪体、送粉管、工作气体和气管、电 1 (完整)浅谈等离子喷涂 源和控制器等部分组成。进行喷涂时,喷枪的钨电极（阳极）和喷嘴(前枪体--阳极)分别接电源 的负极和正极,工作气体（根据工艺需要采用氮气、氩气或混入5％～15%的氢气等）经进气管进 入喷枪，在弧柱区发生电离而形成等离子体.但是，前枪体和钨电极之间是有一段距离隔开的， 故电源的空载电压加上后并不能立即产生电弧，而是要在前枪体和后枪体之间并联一个高频电 源，接通后在钨电极与前枪体间发生火花放电，才能引燃电弧.电弧引燃后，再把高频电路切断。 工作气体在引燃后电弧压缩作用，温度升高,喷射速度增大，形成高温高速等离子射流从喷嘴喷 出。此时从送粉管送入粉状喷涂材料，使其在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被 加速而向经预处理的工件表面喷射和撞击，发生流散、变形和凝固，沉积于工件表面而形成涂 层。 3.4.等离子喷涂的工艺流程 喷涂工艺术包括以下四个基本工序—表面预处理、预热、喷涂、涂层后处理。为使涂层与 基体材料很好的结合以及满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括表面预加工、 净化、粗糙化和黏结底层等几步操作。预热目的是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层/ 基体界面温度,减少基材与涂层材料的热膨胀差异造成的残余应力，以避免涂层开裂和提高涂层 与基材的结合强度 .预热湿度取决于工件的大小、形状和材质以及涂层材料的热膨胀系数等因 素。喷涂这是整个喷涂工艺的主体和关键工序，其他的工序都是为了保证此步而进行的。喷 涂的操作主要是选择喷涂方法和确定喷涂参数。涂层的后处理有些涂层在喷涂后不能直接使 用，而须进行各种后续处理.［1］ 3.5.等离子喷涂的特点、设备 等离子喷涂是近十年间发展起来的一项新工艺，由于等离子喷焰具有温度高（超过一切己 知物质的熔点)、速度大（通常为 100 一 1000 米/秒） 、气氛可控的特点,是在普通材料上涂敷各 种耐高温、耐研磨、耐腐蚀和其他特殊性能的涂层的有力工具.实跷表明，和火焰喷涂及电弧喷 涂相此，用等离子喷涂方法得到的涂层密度较高,和基材桔合较好。 等离子喷涂