等離子噴涂簡介

等離子噴涂的基本原理：

等離子噴涂基本原理如下圖所示。它是將非金屬(或金屬)粉末送入剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧焰流中加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并伴隨等離子焰流高速噴射并沉積到預(yù)先經(jīng)由處理過的工件表面上，從而形成一種具有特殊機能的涂層。

等離子噴涂技術(shù)具有如下特點：

　　1、可以獲得各項機能的涂層。因為等離子噴涂火焰溫度極高、速度極快，幾乎可以熔化并噴涂任何材料，形成的涂層具有結(jié)合強度較高、孔隙率低且噴涂效率高、使用范圍廣等長處，故在航空、冶金、機械、機車車輛等方面得到廣泛的應(yīng)用，在熱噴涂技術(shù)中等離子噴涂占據(jù)著最重要的地位。

　　2、涂層平整光滑，可精確控制厚度。

　　3、涂層孔隙率低，結(jié)合度高，涂層孔隙率可控制在1%～10%，結(jié)合強度可達60～70MPa。

　　4、涂層氧化物和雜質(zhì)含量少，與電鍍、電刷、滲碳、滲氮比擬，等離子噴涂層更厚、更硬、更具防腐效果。

　　5、噴涂過程對基體的熱影響小，基體組織不會發(fā)生變化。工件受熱溫度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂。

等離子噴涂的分類：

等離子噴涂技術(shù)發(fā)展概況

　　在過去的一段時間里，等離子體噴涂技術(shù)得到了很好的確立和廣泛的應(yīng)用，其范圍從耐侵蝕、耐熱、耐磨涂層到出產(chǎn)整體的近終極外形金屬或陶瓷部件。“玻璃”金屬粉末不必改變它們的非結(jié)晶機能即可進行等離子體噴涂，如近年來證明，超導(dǎo)材料可以通過等離子體噴涂過程進行沉積。

　　除了最普遍的常壓空氣中等離子體噴涂過程(APS)外，其他等離子體噴涂過程也得到了發(fā)展。諸如低壓噴涂(LPPS)，超聲速噴涂，控制環(huán)境噴涂(如氬氣中)甚至水下等離子體噴涂。針對各種等離子體涂鍍過程的等離子體炬設(shè)計基本如下圖所示。其原理是在棒狀陰極和噴管狀陽極之間通過直流電弧產(chǎn)生等離子體射流。　　近年來對等離子體炬的研究涉及中心噴射微粒子、等離子體射流包套，并且結(jié)合等離子體周流與反旋周流以進步沉積的效率和涂層的質(zhì)量。一種新的等離子體噴涂方法是利用感應(yīng)耦合高頻(射頻)等離子體，因為其高效的熱噴涂過程而日益受到正視。在最近的革新中，自動化和機器人技術(shù)應(yīng)用于等離子體噴涂過程可能是這一快速發(fā)展領(lǐng)域中最重要的新進展。

相關(guān)資料：等離子噴涂簡介

等離子噴涂技術(shù)模型

　　盡管有以上這些重大進展，但是人們對于等離子體噴涂過程的一些基本原理并沒有十分深刻的熟悉，包括等離子體射流的特性，等離子體與粉末粒子的相互作用以及基材上涂層的形成機理等。

　　就直流等離子體噴涂(APS)而言，等離子體射流的流體動力學(xué)過程導(dǎo)致湍流產(chǎn)生，從而將附近氣體卷挾進等離子體射流之中，如下圖。下圖示意的等離子體射流的這種行為已通過暗影圖和CARS光譜丈量、前提抽樣試驗和等離子體射流取樣探測得到證明。

　　疊加在上述流體動力效應(yīng)上的是涌動和抖動(surging and whipping motion)，它可從等離子體射流的時間分辨照片看出(下圖)。陽極噴管內(nèi)，電弧根部的軸向和切向運動引起電弧不不亂，使等離子體射流產(chǎn)生這些不定常運動。電弧不不亂與電弧電壓、聲光發(fā)射脈動之間的相互聯(lián)系關(guān)系可以證明這種可觀察到的等離子體射流的脈動，在很大程度上是因為電弧的不不亂引起的。

　　最近對產(chǎn)業(yè)噴炬的研究表明，不管是有旋仍是無旋的等離子氣體活動，在2kHz～6kHz的頻率范圍都有脈動，并且電弧狀態(tài)對等離子氣體的組成成分(Ar/H2，Ar/He，Ar/N2混合物)具有很強的依靠關(guān)系這種脈動影響炬的機能(陽極壽命)和噴涂質(zhì)量。研究職員已想法用磁性探測器丈量了陽極噴管內(nèi)電弧根部的運動，并且利用Steenbeck最小原理計算了陽極噴管內(nèi)陽極電弧根部的位置。實驗結(jié)果與分析猜測比較吻合。

　　前面討論的等離子體射流的脈動在極端情況下可能導(dǎo)致如下圖所示的情況，即噴入的粉末粒子并未射入絕大部門熱等離子體射流，于是涂層上未熔或部門熔化的粉末將使涂層質(zhì)量大大降低。

　　要建立等離子體噴涂過程的模型，首先要建立一個等離子體射流的完整模型。然而，等離子體射流的建模面對著諸如實驗觀察顯示的一系列障礙。利用激光散射發(fā)射譜(Rayleigh和會集的Thomsen散射)丈量法、激光Doppler測風(fēng)速法、焓探測器法、質(zhì)譜測定法對等離子體射流進行的診斷實驗可以看出幾乎所有的等離子體射流都可能與局域熱力學(xué)平衡(LTE)有很大的偏差。這點以及前述的典型等離子體射流的脈動都給建模的嘗試帶來了嚴峻難題。

　　一個符合實際的模型還必需考慮到附近氣體的大量卷入。慣用的湍流模型不能預(yù)計湍流的間歇和分離現(xiàn)象。這類模型忽視了實際湍流的“雀斑特征(spottiness)”和“碎塊特征(fragmentariness)”，而這些特征在很多情況下都可觀察到。只有多相湍流模型才可能再現(xiàn)這些特征。

　　基于Spalding研究的模型把等離子體射流視作冷熱兩種流體的混合物，向外運動的部門為熱流體碎塊，向內(nèi)運動的為冷流體碎塊。

　　支配方程包括兩種不同流體部門(向內(nèi)運動的部門和向外運動的部門)的質(zhì)量、動量和能量輸運方程。支配流體間質(zhì)量、動量和能量交換的物理現(xiàn)象的輔助關(guān)系及對控制碎塊大小的增減機理的描述同時運用。其結(jié)果可通過前提和無前提均勻形式給出并與利用焓探測器丈量的實驗結(jié)果對比。

　　因為等離子體噴涂涂層的質(zhì)量嚴峻依靠于粒子的性質(zhì)，包括速度、溫度、熔化程度及其統(tǒng)計分布。為發(fā)展猜測等離子體中粒子行為的能力，人們已做出了很大的努力，從最初簡樸地將粒子作用與等離子體活動分離開來發(fā)展到今天的迭代技術(shù)，包括粒子云對等離子體活動的作用，也發(fā)展出結(jié)合進LAVA程序的隨機粒子噴涂模型。

　　LAVA程序可以預(yù)計粒子軌跡和熱過程，包括自洽地計算與氣體運動同時發(fā)生的熔化和粒子的湍流擴散。與暫態(tài)的多組分非局域熱力學(xué)平衡機能相結(jié)合，隨機粒子噴涂模型視LAVA為一個獨特的綜合計算模型。

等離子噴涂技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　1、耐磨涂層

　　等離子噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層，不僅可以使零部件具有高的硬度，優(yōu)異的耐磨性，而且涂層摩擦系數(shù)小，能耗低，在機械、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。減小磨損的另一個途徑是減小相互接觸表面的摩擦系數(shù)。

　　等離子噴涂鋁及鋁合金復(fù)合材料涂層，有優(yōu)異的抗粘著磨損能力。同時，因為噴涂工藝的要求，可使涂層結(jié)合強度高，孔隙率低，質(zhì)量優(yōu)異且不亂，并且在相同的工況下，摩擦系數(shù)從原來的0.11下降到0.089，顯示出噴鋁涂層在潤滑前提下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬時的摩擦高溫，是目前理想的活塞環(huán)涂層。

　　2、耐熱涂層

　　耐熱涂層多應(yīng)用于高溫工程，它包括抗高溫氧化、高溫隔熱等，一般采用氧化鋁作為耐熱涂層，廣泛用于航空發(fā)念頭、燃氣輪機等高溫工作下零部件的表面，起隔熱作用。現(xiàn)有的高溫合金(如高溫鎳合金使用的極限溫度為1075℃)和冷卻技術(shù)都難以知足設(shè)計要求，解決這一題目的辦法就是在承受高溫的零部件上噴涂熱障涂層，以起到阻止熱的傳遞，防止基體金屬溫度升高或降低基體的受熱溫度等作用。

　　3、防侵蝕涂層

　　選擇這類涂層比較復(fù)雜，由于零件的服役狀態(tài)、環(huán)境溫度和各種介質(zhì)對涂層材料都有一定的要求，一般采用鈷基合金、鎳基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過進步涂層的致密性，堵住侵蝕介質(zhì)的滲透滲出，公道匹配涂層材料與零件基材的氧化/還原電位，防止電化學(xué)侵蝕，常應(yīng)用于耐化學(xué)侵蝕的液體泵等。

　　4、電絕緣與導(dǎo)電涂層

　　這類涂層具有一定的特性，按其性質(zhì)可分為:導(dǎo)電涂層、電氣絕緣涂層和電磁波屏蔽涂層。一般采用氧化鋁陶瓷等作為介電涂層，常用于加熱器管道，烙鐵焊頭等;采用鋁、銅作為導(dǎo)電涂層，常用于電容器、避雷器等。

　　5、恢復(fù)尺寸涂層

　　這類涂層主要用于修補因磨損或加工超差的零件。對涂層材料的選擇主要取決于零件的使用要求，常用于軸類、盤類等。

　　6、間隙控制涂層

　　氣體壓力驅(qū)動的機械效率取決于機器的密封能力，因而要求滾動與靜止零件之間具有非常緊密的配合間隙，常用于壓縮機和渦輪機部件。

　　等離子噴涂在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　1、納米涂層

　　目前采用真空等離子噴涂制備了納米WC/Co涂層，涂層硬度、韌性和耐磨性較常規(guī)涂層都有較大的改善，在40～60N載荷下，納米WC/Co涂層磨損率僅為常規(guī)涂層的1/6。

　　美國康涅狄格州大學(xué)等對等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2系涂層進行了系統(tǒng)的研究，包括納米粉末噴霧干燥團圓重構(gòu)、等離子噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化、工藝診斷、模擬以及涂層結(jié)構(gòu)與機能的分析，研究表明涂層具有雙態(tài)顯微結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出獨特的優(yōu)異機能。與對應(yīng)的常規(guī)涂層比擬，結(jié)合強度增強100%，磨粒磨損抗力進步300%，壓痕開裂抗力、彎曲和杯突試驗表現(xiàn)的剝落抗力要高得多。

　　中國上海硅酸鹽研究所祝迎春等人研究了等離子噴涂過程中納米TiO2的結(jié)構(gòu)變化和粒子注入特性，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2納米顆粒由無定型轉(zhuǎn)化為銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)，涂層表現(xiàn)出良好的Li+注入電流和電化學(xué)不亂性。

　　陳煌等利用大氣等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼基體上制備了氧化鋯納米涂層，獲得的涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率約為7%，涂層和基體間的結(jié)合強度為45MPa，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)氧化鋯涂層與基體的結(jié)合強度。

　　2、梯度功能涂層(FGMs)

　　等離子噴涂制備梯度功能材料是目前材料學(xué)中倍受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一，其研究范圍主要為梯度功能材料的設(shè)計、制備和機能評價3個方面。因為等離子焰流溫度高，特別合用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復(fù)合材料涂層，這就為功能梯度材料的發(fā)展提供了更廣闊的空間。

　　目前以NiCrAlY作為中間層向金屬上涂覆ZrO2涂層成為大多數(shù)等離子噴涂FGMs結(jié)構(gòu)研究的熱門，已建立起很好的制備工藝。另外，已被研究的其它體系還包括:Cu/W和Cu/B4C、與Al2O3-Cr2O3結(jié)合的Ni基合金、具有CoCrAlY或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo的TiC、具有YSZ涂層的Ni-20%Cr、Ni/Al2O3、WC/Co等。

　　Khor等人對YSZ/NiCoCrAlY體系的研究表明，與傳統(tǒng)的雙層材料比擬，功能梯度涂層具有更優(yōu)異的機能，得到的FGMs的結(jié)合強度為18MPa，雙層涂層僅為9MPa，而FGMs的抗熱輪回壽命是雙層涂層的6倍。

　　Sudarshan Rangaraj等設(shè)計了5種不同成分的YSZ梯度涂層，研究了涂層設(shè)計對YSZ涂層機能的影響，結(jié)果表明，莫來石(mullite)成分的添加會降低涂層表面裂紋生長驅(qū)動力。

　　3、超導(dǎo)涂層

　　等離子噴涂弧溫很高，特別合用于噴涂復(fù)合氧化物陶瓷，不需要保護氣氛，能夠噴涂具有復(fù)雜外形的超導(dǎo)制件，沉積效率高，輕易制備厚膜涂層和大面積涂層。適于等離子噴涂的超導(dǎo)陶瓷涂層材料主要有YBa2Cu3O7-x(YBCO)和Bi2Sr2Cu2CaO。

　　YBCO是一種典型的超導(dǎo)材料，臨界溫度為94K。等離子噴涂的YBCO涂層因為噴涂過程中材料的氧損失，涂層結(jié)構(gòu)中的孔隙、裂紋和粒子間的不平均接觸等不平均性，使涂層并不具有超導(dǎo)特性。只有對涂層在氧氣或空氣氣氛中進行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚雇繉有纬芍旅堋⑵骄逸^不亂的晶體結(jié)構(gòu)，才能獲得超導(dǎo)性。

　　YBCO涂層的熱處理前提為920℃×1h，降至400℃再保溫1h。當(dāng)將Bi2Sr2Cu2CaOy陶瓷從高溫急冷或淬冷后，它會產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，這一特性對等離子噴涂具有特別的意義，由于等離子噴涂能使涂層材料獲得高達106℃/s的急冷冷卻速率，只要調(diào)整好等離子噴涂前提和工藝參數(shù)，很輕易使Bi2Sr2Cu2CaOy的噴涂態(tài)涂層具有超導(dǎo)特性。

      4、生物功能涂層

　　等離子噴涂技術(shù)是制備醫(yī)用生物涂層材料的有效方法。將特定組分的粉末材料經(jīng)高溫熔化后沉積于金屬人工骨植入物表面，形成以韌性金屬為骨架，表面有陶瓷涂層的人工骨與人工關(guān)節(jié)，此方法充分施展了金屬和陶瓷2類材料的長處。

　　海內(nèi)外對等離子噴涂羥基磷灰石(HA)涂層和鈦涂層的研究報導(dǎo)較多，并成功地應(yīng)用于臨床試驗。羥基磷灰石涂層對生物體無毒，耐體液侵蝕，且對生物體組織有良好的適應(yīng)性和親和性，耐長期運動過程中的磨損，有足夠的力學(xué)機能。鈦質(zhì)植入體具有較好的化學(xué)不亂性，并且與組織結(jié)合良好，與體液相容。

　　用真空等離子噴涂在不銹鋼牙根和接骨板上噴涂鈦涂層在臨床上已有成功的應(yīng)用，這些涂層既利用了不銹鋼的強度，又利用了鈦涂層的生物相容性，防止不銹鋼中有毒元素的開釋。上海硅酸鹽研究所在生物涂層材料的研究方面也取得了較好的進展。

　　5、其它應(yīng)用

　　等離子噴涂時熔粒的冷卻速度可達105～106℃/s，這種高速冷卻可在涂層中產(chǎn)生非晶態(tài)相的組織結(jié)構(gòu)。大氣等離子噴涂Fe基非晶合金粉末(含Si、B、Cr、Ni等)制備的高非晶含量的Fe基非晶合金涂層致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其顯微硬度大于850HV，結(jié)合強度在27MPa以上。

　　等離子噴涂壓電陶瓷涂層用于制作壓電元件，無需粘貼，尤其合用于大面積存電傳感元件和壓電做功元件陣列的制作。另外大氣等離子噴涂技術(shù)在制備固體氧化物燃料電池(SOFC)方面也有相關(guān)的研究和報道。

　　等離子體噴涂技術(shù)研究方向

　　目前的研究方向主要集中在診斷實驗和建模兩方面。其目的是：

　　1、改進和優(yōu)化等離子體炬的機能。包括研究因為流體動力學(xué)過程和典型的等離子體炬中的相關(guān)電弧行為引起的等離子體射流的不不亂性。與電弧的狀態(tài)緊密親密相關(guān)的題目是電極腐蝕。

　　最新的等離子體湍流模型提出了用兩種流體描述等離子體及其附近環(huán)境的方法。因為模型中迄今未能包括等離子體流脈動的影響，模擬結(jié)果尚不能與實驗數(shù)據(jù)進行比較。最近，已有嘗試在這類模型中引入脈動的報道。

　　2、目前研究的另一個重要目的是粒子噴涂型式的控制和與之相聯(lián)的沉積效率的優(yōu)化。這在噴涂珍貴粉末物質(zhì)時受到特別關(guān)注。除了沉積效率之外，涂層質(zhì)量也會受到噴涂型式的嚴峻影響。

　　3、最近的一些研究集中在基材上涂層的形成，包括攤片(splat)形成，攤片的固化，攤片微結(jié)構(gòu)，相鄰攤片粘聚力，基材上涂層的附著力、涂層中孔隙率及未熔量的控制等。研究發(fā)現(xiàn)，基材溫度是涂層附著力的決定參量。噴涂過程中固有的殘余應(yīng)力是涂層是否完整或失效的決定因素。

　　因為對等離子體噴涂過程的全面控制是這一領(lǐng)域研究和開發(fā)的終極目的，所以，完整的數(shù)據(jù)庫的建立和基本控制參數(shù)的選擇在過去幾年受到特別的關(guān)注。它不僅應(yīng)用于常壓等離子體噴涂(APS)，而且還應(yīng)用于其他等離子體噴涂過程。

　　最新的開發(fā)工作基本上有如下幾個方面：

　　1、傳感器的研制。這種傳感器必需在等離子體噴涂的不利環(huán)境下耐用，同時其造價又不能太貴(值得花費)。

　　2、在各種控制對策中，等離子體射流狀態(tài)(焓水平和等離子體射流的脈動)的反饋控制是一種可行的選擇。

　　3、噴入等離子體中的粉末粒子溫度、速度控制是具有挑戰(zhàn)性的題目。世界各國的很多等離子體噴涂的一流實驗室都在致力于解決這一挫折。

　　4、對涂層厚度的現(xiàn)場控制是另一個挫折，且還沒有得到解決。

　　5、已有重大進展的機器人技術(shù)已經(jīng)在涂鍍過程中噴霧炬運動和基材運動兩方面得到了成功的應(yīng)用。

　　在過去的時間里，等離子體噴涂的應(yīng)用經(jīng)歷了一個緩慢但卻是穩(wěn)步成長的過程。缺乏有效的控制手段是這一領(lǐng)域提高的基本障礙。因此，跟著整體的自動化控制水平的更加進步，等離子體噴涂技術(shù)有望得到更快的發(fā)展。

本文來源：http://www.moqawmh.com/news01.php?id=1706