等離子噴涂原理與應(yīng)用

1、目錄等離子噴涂的定義、原理 和特點(diǎn)等離子噴涂及其它表面改性技術(shù)的區(qū)別等離子噴涂的發(fā)展史等離子噴涂的基材表面預(yù)處理等離子噴涂涂層的檢測(cè)方法等離子噴涂設(shè)備等離子噴涂應(yīng)用舉例等離子噴涂的定義、原理 和特點(diǎn)plasma coating;plasma spraying 等離子噴涂等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。 等離子涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。 等離子噴涂的定義、原理 和特點(diǎn)1）可

2、噴材料及為廣泛 由于等離子噴涂時(shí)焰流溫度高、熱量集中，弧柱中心溫度可升高到15000-33000，它能熔化一切高熔點(diǎn)和高硬度材料。這是其它噴涂方法所不能實(shí)現(xiàn)的。2）涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高（相對(duì)一火焰噴涂） 因?yàn)榈入x子噴涂能使粉末獲得較大的動(dòng)能，且粉末溫度又高，所以，噴涂獲得的涂層致密度，一般在90%-98%之間，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)65-70MPa。3）對(duì)工作熱影響小 等離子噴涂時(shí)，噴涂后基體組織不發(fā)生變化，工件幾乎不產(chǎn)生變形。4）效率高 等離子噴涂時(shí)，生產(chǎn)效率高，采用高能等離子噴涂時(shí)，粉末的沉積速率達(dá)8Kg/h。等離子噴涂具有以下特點(diǎn)：等離子噴涂及其它表面改性技術(shù)的區(qū)別1. 及火焰噴涂的區(qū)別 等粒子噴

3、涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后大力發(fā)展起來(lái)的一種精密噴涂方法。它具有：超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。 等離子體的高溫足以瞬間熔化目前已知的任何材料，從而使等離子噴涂的材料更為豐富，特點(diǎn)是噴涂高熔點(diǎn)陶瓷材料，等離子噴涂具有很大優(yōu)勢(shì)。 火焰噴涂只適合一些熔點(diǎn)較低的噴涂材料。等離子噴涂及其它表面改性技術(shù)的區(qū)別 粉末火焰噴槍結(jié)構(gòu)及噴涂原理示意圖等離子噴槍結(jié)構(gòu)及噴涂原理示意圖等離子噴涂及其它表面改性技術(shù)的區(qū)別2. 及氣相沉積的區(qū)別1 1）根本方法不同（定義）根本方法不同（定義） 等離子噴涂是將材料輸送到高溫等離子

4、射流中，粉末顆粒在高溫等離子射被瞬間加熱到熔化或者半熔化狀態(tài)，并以單個(gè)顆粒為單元分別凝固在零件表面形成層片狀堆積涂層 氣相沉積是將一種或數(shù)種材料通過(guò)電阻加熱、離子轟擊或者電子束照射方法使其氣化（化化學(xué)分解），以直接氣固沉積方式（或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）在零件表面形成幾微米的致密涂層。2 2）條件不同）條件不同 等離子噴涂可以直接在大氣環(huán)境下 氣相沉積必須在高真空下進(jìn)行等離子噴涂及其它表面改性技術(shù)的區(qū)別3）涂層組織結(jié)構(gòu)及厚度不同 等離子噴涂涂層的組織為層狀堆積，涂層存在大量粒子間界面和氣孔等缺陷。 氣相沉積涂層是致密的幾微米厚的薄膜材料 4）性能上的不同 等離子噴涂在某種程度上提高了涂層的性能， 氣相沉

5、積大大提高了材料的性能等離子噴涂的發(fā)發(fā)展史19世紀(jì)30年代英國(guó)的M.法拉第以及其后的J.J.湯姆孫、J.S.E.湯森德等人相繼研究氣體放電現(xiàn)象，這實(shí)際上是等離子體實(shí)驗(yàn)研究的起步時(shí)期。1879年英國(guó)的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個(gè)名詞來(lái)描述氣體放電管中的電離氣體。美國(guó)的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個(gè)名詞，等離子體物理學(xué)才正式問(wèn)世。 從20世紀(jì)30年代起，磁流體力學(xué)及等離子體動(dòng)力論逐步形成。等離子體的速度分布函數(shù)服從?？似绽士朔匠?。蘇聯(lián)的.朗道在1936年給出方程中由于等離子體中的粒子碰撞而造成的碰撞項(xiàng)的碰撞積分形式。1938年蘇聯(lián)的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即棄去碰撞項(xiàng)

6、的無(wú)碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標(biāo)志著動(dòng)力論的發(fā)端。1942年瑞典的H.阿爾文指出，當(dāng)理想導(dǎo)電流體處在磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生沿磁力線傳播的橫波(即阿爾文波)。印度的S.錢德拉塞卡在1942年提出用試探粒子模型來(lái)研究弛豫過(guò)程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時(shí)，共振電子會(huì)吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個(gè)理論，開(kāi)創(chuàng)了等離子體中波和粒子相互作用和微觀不穩(wěn)定性這些新的研究領(lǐng)域。等離子噴涂的發(fā)發(fā)展史從1935年延續(xù)至1952年，蘇聯(lián)的H.H.博戈留博夫、英國(guó)的M.玻恩等從劉維定理出發(fā)，得到了不封閉的方程組系列，名為BBGKY鏈。由它可導(dǎo)出符拉索夫方程等,這給等離子體動(dòng)力論奠定了

7、理論基礎(chǔ)。1950年以后，因?yàn)橛?、美、蘇等國(guó)開(kāi)始大力研究受控?zé)岷朔磻?yīng)，促使等離子體物理蓬勃發(fā)展。熱核反應(yīng)的概念最早出現(xiàn)于1929年，當(dāng)時(shí)英國(guó)的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出設(shè)想，太陽(yáng)內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽(yáng)能的來(lái)源，這是天然的自控?zé)岷朔磻?yīng)。1957年英國(guó)的J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)現(xiàn)能量增益的條件，即勞孫判據(jù)。 熱噴涂技術(shù)最早于1910年由普博士發(fā)明，當(dāng)時(shí)命名：“金屬噴鍍”1943年美國(guó)METCO公司首次出版了金屬噴鍍手冊(cè)1959年美國(guó)METCO公司第七次出版改名火焰噴涂手冊(cè)1973年9月1014日在英國(guó)倫敦召開(kāi)第七屆有關(guān)國(guó)際熱噴涂會(huì)議，改名“金屬噴涂”1979年9月

8、2710月1日在美國(guó)Florida州一著名休養(yǎng)地Miami城召開(kāi)第八屆國(guó)際熱噴涂會(huì)議，就采用“熱噴涂”，這一名詞，這就是“熱噴涂”名詞的由來(lái) 上世紀(jì)五十年代，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的軍工科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究等離子噴涂，等離子弧焰溫度高、等離于噴涂顆粒飛行速度快，涂層結(jié)合強(qiáng)度也較高（4080MPa），孔隙率小于 5，在軍工部門得到廣泛應(yīng)用，在之后的幾年內(nèi)，等離子噴涂技術(shù)逐漸運(yùn)用到民用產(chǎn)品。等離子噴涂的基材表面預(yù)處理基體的表面準(zhǔn)備是熱噴涂作業(yè)中非常重要的環(huán)節(jié)，涂層的結(jié)合質(zhì)量直接及表面的清潔度粗糙度有關(guān)，必須根據(jù)基體材料的材質(zhì)類型和表面涂層的要求、噴涂材料的特性來(lái)正確地制備表面。表面制備有兩個(gè)目的，一是清潔基體

9、表面，二是粗化表面以提高涂層和基體的粘結(jié)力。通常采用噴砂的方法可同時(shí)達(dá)到以上兩個(gè)目的。噴砂，sand blasting，利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過(guò)程。 等離子噴涂的基材表面預(yù)處理石英砂（普通石英砂，精制石英砂），硬度大,除銹效果好,理化指標(biāo)如下. SiO28899.8% Fe2O30.10.005%,耐火度1450-1800，外觀顆粒均勻，常用粒度為1-3MM和0.1-0.3MM,純白色。粒度范圍大多在5220目，可按用戶要求粒度生產(chǎn)。等離子噴涂涂層的檢測(cè)方法1）涂層結(jié)合力試驗(yàn)方法涂層的結(jié)合強(qiáng)度是涂層系統(tǒng)的重要的指標(biāo)，常用的試驗(yàn)方法有膠接拉脫法、杯突法、彎曲、扭轉(zhuǎn)法等結(jié)合力測(cè)

10、試方法。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷提高，目前各種新型試驗(yàn)方法不斷涌現(xiàn)，如聲發(fā)射劃痕法、連續(xù)載荷壓痕法、動(dòng)態(tài)循環(huán)加載接觸疲勞法等。2）涂層硬度測(cè)定涂層的硬度測(cè)定分為宏觀硬度（洛氏表面硬度）和微觀硬度（顯微硬度和維氏硬度）。測(cè)定宏觀硬度時(shí)，對(duì)涂層的厚度有一定的要求。顯微硬度和維氏硬度可以對(duì)涂層中的基體相和硬質(zhì)相進(jìn)行分別測(cè)定，精確度較高，因此在熱噴涂層的硬度試驗(yàn)中被廣泛采用。等離子噴涂涂層的檢測(cè)方法3）涂層界面和表面性能的試驗(yàn)涂層界面性能主要考慮由熱沖擊和涂層基體間熱膨脹系數(shù)不匹配等所產(chǎn)生的界面應(yīng)力，以及循環(huán)加載、接觸疲勞等，在界面產(chǎn)生的剪應(yīng)力會(huì)引起的界面疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展。以上兩方面的因素都會(huì)加速涂層開(kāi)裂

11、和剝落。涂層表面性能則主要考核其各種功能性，如各種磨損試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、腐蝕和高溫氧化試驗(yàn)等。通常這些實(shí)驗(yàn)后，還需對(duì)涂層的成份、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行金相、電鏡、 X 射線衍射，電子探針等方面的微觀分析，最后對(duì)涂層性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。等離子噴涂涂層的檢測(cè)方法4）涂層性能研究熱噴涂涂層的性能和整體結(jié)構(gòu)材料是很大區(qū)別的。例如，金屬涂層要比同一材質(zhì)的鑄、鍛材料硬度更高一些，因而其耐磨性更好一些。這是由于金屬熔滴高速?zèng)_擊基體變成薄片狀時(shí)迅速自淬火，使硬度增加。涂層的強(qiáng)度包括界面結(jié)合強(qiáng)度和涂層內(nèi)聚強(qiáng)度。涂層結(jié)合強(qiáng)度是熔融粒子對(duì)粗糙表面的相互作用的結(jié)合機(jī)制。其結(jié)合機(jī)理大致有三種類型：一是熔融粒子沖擊凹凸不平的表面，撞成扁

12、平狀并隨表面一同起伏，主要是機(jī)械結(jié)合。另一種是在撞擊的過(guò)程中，出現(xiàn)擴(kuò)散或合金化時(shí)，即屬于冶金化學(xué)結(jié)合機(jī)制。第三種結(jié)合機(jī)制是熔滴和表面結(jié)合、侵潤(rùn)的非常好，相互之間接近得足以產(chǎn)生范德華力，這種結(jié)合叫做物理結(jié)合。熱噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度通常是上述三種結(jié)合機(jī)制的組合。涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度主要是顆粒及顆粒之間，以及每一遍噴涂層和層之間的粘接強(qiáng)度。同樣是上述的結(jié)合機(jī)理，并及噴涂工藝、噴涂材料密切相關(guān)。等離子噴涂涂層的檢測(cè)方法5）涂層的殘余應(yīng)力熱噴涂層的另一個(gè)典型特征是噴涂過(guò)程中，涂層的冷卻及凝固產(chǎn)生的收縮在涂層基體界面出現(xiàn)殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力在棱角和邊緣往往形成拉應(yīng)力，并會(huì)在邊界引起裂紋，裂紋在一定的條件下，會(huì)發(fā)生擴(kuò)展

13、最終造成涂層剝落。涂層材料的熱膨脹系數(shù)和涂層的厚度對(duì)殘余應(yīng)力影響很大的。一般來(lái)說(shuō)涂層越薄，則相應(yīng)的殘余應(yīng)力就越小。等離子噴涂設(shè)備 等離子噴涂設(shè)備主要有：整流電源、控制柜、噴槍、送粉器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)等，他們相互配置如下圖。另外，等離子噴涂所需要的輔助設(shè)備有：空氣壓縮機(jī)、噴涂機(jī)械手、工作臺(tái)和噴砂設(shè)備等。等離子噴涂設(shè)備1）整流電源 噴涂用的整流電源是向噴槍供給電能的裝置，其外特性、動(dòng)特性及供電參數(shù)都應(yīng)滿足噴槍產(chǎn)生等離子弧的要求。目前采用的整流電源類型仍主要是磁放大器硅整流電源及可控硅整流電源。等離子噴涂設(shè)備2）控制柜 等離子弧噴涂控制柜的主要作用是控制向等離子噴槍供應(yīng)冷卻水、工作氣、

14、送粉氣、工作電流及調(diào)頻電流，能方便地調(diào)節(jié)水、氣和電參數(shù)等并加以顯示?？刂乒裰羞€務(wù)有各種保護(hù)裝置，保證設(shè)備正常的工作。等離子噴涂設(shè)備3）噴槍 噴槍是等離子噴涂設(shè)備的核心裝置。噴槍產(chǎn)生高溫、高速等離子火焰，粉末經(jīng)送粉器被送入等離子焰中經(jīng)過(guò)熔化加速過(guò)程最終噴射到東奔基材表面。噴槍是形成涂層的關(guān)鍵設(shè)備。噴槍由陰極、噴嘴（陽(yáng)極）、朝氣道及氣室、送粉器、水冷密封、絕緣體及槍體構(gòu)成。等離子噴涂設(shè)備4）送粉器 送粉器是貯存和向噴槍供給粉末的裝置。送粉器的是向等離子噴槍均勻、定量地輸送噴涂粉末。對(duì)送粉器的主要技術(shù)要求是送粉量準(zhǔn)確度高、送粉量調(diào)節(jié)方便，以及對(duì)粉末粒度的適應(yīng)范圍廣等。目前常用的是喬板式送粉器和帶有小

15、孔的轉(zhuǎn)盤吹式送粉器，前者適用于固態(tài)流動(dòng)性好的粉末，后者可用于固態(tài)流動(dòng)性差的粉末和微細(xì)粉末。 等離子噴涂設(shè)備5）水冷系統(tǒng) 水冷系統(tǒng)是向噴槍供給一定壓力和足夠流量冷卻水的裝置，供水裝置包括增壓水泵和熱交換器。等離子噴涂設(shè)備6）氣體供給系統(tǒng) 供氣系統(tǒng)包括工作氣和送粉器的供氣系統(tǒng)，主要由氣瓶、減壓閥、儲(chǔ)氣筒、流量計(jì)等 組成。等離子噴涂應(yīng)用舉例材料選擇基體材料基體材料 以珠光體普通碳Q235為基體，該材料強(qiáng)度和韌性較好，其主要化學(xué)成分如下表：CSiMnSP0.12-0-0.700.0450.040粘結(jié)層材料粘結(jié)層材料 所選用等離子噴涂Al2O3-13wt%TiO2簡(jiǎn)寫為(AT13)

16、陶瓷涂層的打底層材料為Ni-Al合金粉末，其粒度范圍為140m -260m，化學(xué)成分如下表：NiAl7017-20Ni-Al合金粉末SEM照片等離子噴涂應(yīng)用舉例材料選擇陶瓷層材料陶瓷層材料 噴涂材料選用的是Al2O3-13wt%TiO2陶瓷粉末，這是因?yàn)橐訟l2O3-TiO2為涂層時(shí)，含13wt% TiO2時(shí)，涂層的耐磨性最佳。AT13的化學(xué)成分和物理性能如下表示：樣品化學(xué)成分（wt%）熔點(diǎn)粒度密度流動(dòng)性TiO2Al2O3m(gcm3)AT1313余量184020-403.68較好AT13粉末的SEM照片等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層的制備 噴涂方法噴涂方法 在噴涂前，首先要在噴涂的基材表面采用16#

17、剛玉進(jìn)行粗化處理。將基材待噴面用3-4個(gè)大氣壓壓縮空氣在100-300mm范圍內(nèi)進(jìn)行噴砂處理，直至試樣表面無(wú)反光后停止噴砂。再用壓縮空氣將噴砂表面沙清除干凈。 噴涂時(shí)等離子弧對(duì)試樣具有較大吹力，為了防止基體試樣移位，將基體試樣固定，試驗(yàn)均采用可編程控制的UP6型機(jī)器人控制噴槍進(jìn)行噴涂。涂層設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)涂層設(shè)計(jì)及工藝參數(shù) 先在Q235基體上噴涂粘結(jié)層Ni-Al，然后再噴涂AT13陶瓷粉末獲得陶瓷涂層?；w及各涂層厚度如下表所示：基體或涂層材料厚度Q235基體材料3.88mmNi-Al打底層200mAT13陶瓷層340m等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層的制備 等離子噴涂工藝參數(shù)如下表所示：參數(shù)Ni-Al打

18、底層AT13陶瓷層電流（A）600650電壓（V）3737主氣Ar（PSI）6060次氣H2（PSI）5050送粉氣Ar（PSI）5050送粉速度（g/min）2.52.5嘞涂距離（mm）100100噴涂速度（mm/s）800800等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層的制備 噴涂步驟噴涂步驟 1）Q235鋼基體表面的粗化和凈化：在噴涂前，用16#剛玉砂對(duì)試樣表面做噴砂處理，直到基體表面沒(méi)有金屬光澤，然后用酒精清洗、烘干； 2）固定噴涂試樣：由于等離子噴涂過(guò)程中等離子焰流的吹力較大，噴涂前必須將試樣固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上； 3）根據(jù)等離子噴涂參數(shù)噴涂Ni-Al打底層； 4）根據(jù)等離子噴涂參數(shù)噴涂AT13陶瓷層。噴涂處理

19、噴涂處理 噴涂結(jié)束后不能馬上拿取工件，因?yàn)榈入x子噴涂溫度很高，噴槍火焰中心溫度在10000以上，所以噴出的顆粒溫度也很高。在室溫下冷卻至常溫后取下工件，立即進(jìn)行封孔處理，防止涂層吸附潮氣而影響質(zhì)量。擬選材料為微晶石蠟，可以借助涂層余熱溶化封孔。等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層性能試驗(yàn)1 1）顯微硬度試驗(yàn)（顯微硬度計(jì)）顯微硬度試驗(yàn)（顯微硬度計(jì)） 注意：涂層試樣的制備要能在顯微鏡視場(chǎng)中辯認(rèn)出各種組織和形貌，以合選擇有代表性的測(cè)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，至少選取6個(gè)讀數(shù)，繪制出硬度變化曲線，求出其平均值。金剛石菱形壓頭等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層性能試驗(yàn)2 2）涂層的金相檢測(cè)和孔隙率的測(cè)定（涂層的金相檢測(cè)和孔隙率的測(cè)定（水

20、切割機(jī)、烘干機(jī)、砂紙、金相試樣水切割機(jī)、烘干機(jī)、砂紙、金相試樣拋光機(jī)、光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡拋光機(jī)、光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡）方法： 1）用水切割機(jī)將噴涂后的試樣切開(kāi)； 2）用不同粗細(xì)的砂紙從粗到細(xì)依次粗磨和細(xì)磨，直至表面鹽分光滑、僅有均勻細(xì)微劃痕為準(zhǔn)。然后用粒度為2.5m的拋光劑在拋光機(jī)上拋磨好的試樣，至表面為光滑鏡面無(wú)痕為準(zhǔn)。 3）拋光完成后將用酒精沖洗并吹干。在光學(xué)顯微鏡下觀察確認(rèn)試樣條例要求后，用金相顯微鏡拍攝金相照片； 4）利用金相照片進(jìn)行金相分析和孔隙率的測(cè)定。http:/ 100%cmPcm 測(cè)量涂層孔隙率的方法：先測(cè)定涂層的密度及涂層材料的真密度進(jìn)行比較，即利用公式： 噴涂層密度

21、，g/cm3 涂層材料真密度，g/cm3等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層性能試驗(yàn)3 3）磨料磨損試驗(yàn)（銷盤磨損試驗(yàn)機(jī)、分析天平：精確度為）磨料磨損試驗(yàn)（銷盤磨損試驗(yàn)機(jī)、分析天平：精確度為0.0001g0.0001g）試驗(yàn)參數(shù)：砂紙粒度為280目，試樣大小：6.57mm2載荷：5kg轉(zhuǎn)速：60r/min試驗(yàn)方法：將砂紙裝在圓盤上，作為試驗(yàn)機(jī)的磨料。之后利用AB膠將帶涂層材料的試樣塊粘在銷釘上，在一定負(fù)荷壓力下壓在圓盤砂紙上。在磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上，首先進(jìn)行預(yù)磨，使整個(gè)表面及砂紙充分接觸，再用電吹風(fēng)吹干最后放在電子天平上進(jìn)行稱量，這個(gè)重量為試驗(yàn)的妝邕重量。而后用相同的載荷對(duì)試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，再測(cè)算出失重量。等離子噴涂應(yīng)用舉例涂層性能試驗(yàn)4 4）快速磨損實(shí)驗(yàn)（）快速磨損實(shí)驗(yàn)（快速磨損試驗(yàn)機(jī)快速磨損試驗(yàn)機(jī)）試驗(yàn)參數(shù)：載荷：5kg轉(zhuǎn)