等離子噴涂原理與應(yīng)用PPT通用課件

1、章源投資控股有限公司章源投資控股有限公司ZhuangYuan Investment Holding Co. Ltd.ZhuangYuan Investment Holding Co. Ltd.等離子噴涂基礎(chǔ)知識與實例分析等離子噴涂基礎(chǔ)知識與實例分析主講人：唐煒July. 2, 2012 目錄1. 等離子噴涂的定義、原理 和特點2. 等離子噴涂與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別3. 等離子噴涂的發(fā)展史4. 等離子噴涂的基材表面預(yù)處理5. 等離子噴涂涂層的檢測方法6. 等離子噴涂設(shè)備7. 等離子噴涂應(yīng)用舉例等離子噴涂的定義、原理 和特點plasma coating;plasma spraying 等離子噴涂

2、等離子噴涂是一種材料表面強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1）可噴材料及為廣泛 由于等離子噴涂時焰流溫度高、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和高硬度材料。這是其它噴涂方法所不能實現(xiàn)的。2）涂層致密，結(jié)合強度高（相對一火焰噴涂） 因為等離子噴涂能使粉末獲得較大的動能，且粉末溫度又高，所以，噴涂獲

3、得的涂層致密度，一般在90%-98%之間，結(jié)合強度可達65-70MPa。3）對工作熱影響小 等離子噴涂時，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，生產(chǎn)效率高，采用高能等離子噴涂時，粉末的沉積速率達8Kg/h。等離子噴涂具有以下特點：等離子噴涂與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別1. 與火焰噴涂的區(qū)別 等粒子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后大力發(fā)展起來的一種精密噴涂方法。它具有：超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強度高。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

4、，特點是噴涂高熔點陶瓷材料，等離子噴涂具有很大優(yōu)勢。 火焰噴涂只適合一些熔點較低的噴涂材料。等離子噴涂與其它表面改性技術(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與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別2. 與氣相沉積的區(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

5、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行等離子噴涂與其它表面改性技術(shù)的區(qū)別3）涂層組織結(jié)構(gòu)與厚度不同 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30年代英國的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，這實際上是等離子體實驗研究的起步時期。1879年英國的W.克魯克斯采用“物質(zhì)第四態(tài)”這個名詞來描述氣體放電管中的電離氣體。美國

6、的I.朗繆爾在1928年首先引入等離子體這個名詞，等離子體物理學(xué)才正式問世。 從20世紀30年代起，磁流體力學(xué)及等離子體動力論逐步形成。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，即棄去碰撞項的無碰撞方程。朗道碰撞積分和符拉索夫方程的提出，標志著動力論的發(fā)端。1942年瑞典的H.阿爾文指出，當(dāng)理想導(dǎo)電流體處在磁場中，會產(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研究弛豫過程。1946年朗道證明當(dāng)朗繆爾波傳播時，共

7、振電子會吸收波的能量造成波衰減，這稱為朗道阻尼。朗道的這個理論，開創(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,這給等離子體動力論奠定了理論基礎(chǔ)。1950年以后，因為英、美、蘇等國開始大力研究受控?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)時英國的阿特金森和奧地利的豪特曼斯提出設(shè)想，太陽內(nèi)部輕元素的核之間的熱核反應(yīng)所釋放的能量是太陽能的來源，這是天然的自控?zé)岷朔磻?yīng)。1957

8、年英國的J.D.勞孫提出受控?zé)岷朔磻?yīng)實現(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)時命名：“金屬噴鍍”1943年美國METCO公司首次出版了金屬噴鍍手冊1959年美國METCO公司第七次出版改名火焰噴涂手冊1973年9月1014日在英國倫敦召開第七屆有關(guān)國際熱噴涂會議，改名“金屬噴涂”1979年9月2710月1日在美國Florida州一著名休養(yǎng)地Miami城召開第八屆國際熱噴涂會議，就采用“熱噴涂”，這一名詞，這就是“熱噴涂”名詞的由來 上世紀五十年代，在一些發(fā)達國家的軍工科研機構(gòu)開始研究等離子噴涂，等離子弧焰溫度高、等離于噴涂顆粒飛行速度快，涂層結(jié)合強度也較高（

9、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)量直接與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、噴涂材料的特性來正確地制備表面。表面制備有兩個目的，一是清潔基體表面，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達到以上兩個目的。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,理化指標如下. Si

10、O28899.8% 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方法1）涂層結(jié)合力試驗方法涂層的結(jié)合強度是涂層系統(tǒng)的重要的指標，常用的試驗方法有膠接拉脫法、杯突法、彎曲、扭轉(zhuǎn)法等結(jié)合力測試方法。隨著測試技術(shù)的不斷提高，目前各種新型試驗方法不斷涌現(xiàn)，如聲發(fā)射劃痕法、連續(xù)載荷壓痕法、動態(tài)循環(huán)加載接觸疲勞法等。2）涂層硬度測定涂層的硬度測定分為宏觀硬度（洛氏表面硬度）和微觀硬度（顯微硬度和維氏硬度）。測定宏觀硬度時，對涂層的厚度有一定的要求。顯微硬度和維氏硬

11、度可以對涂層中的基體相和硬質(zhì)相進行分別測定，精確度較高，因此在熱噴涂層的硬度試驗中被廣泛采用。等離子噴涂涂層的檢測方法3）涂層界面和表面性能的試驗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)力會引起的界面疲勞裂紋萌生與擴展。以上兩方面的因素都會加速涂層開裂和剝落。涂層表面性能則主要考核其各種功能性，如各種磨損試驗、沖擊試驗、腐蝕和高溫氧化試驗等。通常這些實驗后，還需對涂層的成份、結(jié)構(gòu)和形貌進行金相、電鏡、 X 射線衍射，電子探針等方面的微觀分析，最后對涂層性能進行評價。等離子噴涂涂層的檢測方法4）涂層性能研究熱噴涂涂層的

12、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沖擊基體變成薄片狀時迅速自淬火，使硬度增加。涂層的強度包括界面結(jié)合強度和涂層內(nèi)聚強度。涂層結(jié)合強度是熔融粒子對粗糙表面的相互作用的結(jié)合機制。其結(jié)合機理大致有三種類型：一是熔融粒子沖擊凹凸不平的表面，撞成扁平狀并隨表面一同起伏，主要是機械結(jié)合。另一種是在撞擊的過程中，出現(xiàn)擴散或合金化時，即屬于冶金化學(xué)結(jié)合機制。第三種結(jié)合機制是熔滴和表面結(jié)合、侵潤的非常好，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)合強度通常是上述三種結(jié)合機制的組合。涂層的內(nèi)聚強度主

13、要是顆粒與顆粒之間，以及每一遍噴涂層和層之間的粘接強度。同樣是上述的結(jié)合機理，并與噴涂工藝、噴涂材料密切相關(guān)。等離子噴涂涂層的檢測方法5）涂層的殘余應(yīng)力熱噴涂層的另一個典型特征是噴涂過程中，涂層的冷卻與凝固產(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，并會在邊界引起裂紋，裂紋在一定的條件下，會發(fā)生擴展最終造成涂層剝落。涂層材料的熱膨脹系數(shù)和涂層的厚度對殘余應(yīng)力影響很大的。一般來說涂層越薄，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

14、：空氣壓縮機、噴涂機械手、工作臺和噴砂設(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、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)過熔化加速過程最終噴射到東奔基材表面。

15、噴槍是形成涂層的關(guān)鍵設(shè)備。噴槍由陰極、噴嘴（陽極）、朝氣道與氣室、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。對送粉器的主要技術(shù)要求是送粉量準確度高、送粉量調(diào)節(jié)方便，以及對粉末粒度的適應(yīng)范圍廣等。目前常用的是喬板式送粉器和帶有小孔的轉(zhuǎn)盤吹式送粉器，前者適用于固態(tài)流動性好的粉末，后者可用于固態(tài)流動性差的粉末和微細粉末。 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

16、統(tǒng)，主要由氣瓶、減壓閥、儲氣筒、流量計等 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簡寫為(AT13)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，這是因為以Al2O3-T

17、iO2為涂層時，含13wt% TiO2時，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%）熔點粒度密度流動性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#剛玉進行粗化處理。將基材待噴面用3-4個大氣壓壓縮空氣在100-300mm范圍內(nèi)進行噴砂處理，直至試樣表面無反光后停止噴砂。再用壓縮空氣將噴砂表面沙清除干凈。 噴涂時等離子弧對試樣具有較大吹力，為了防止基體試樣移位，將基體試樣固定，試驗均采用可編程控制的UP6型機器人控

18、制噴槍進行噴涂。涂層設(shè)計及工藝參數(shù)涂層設(shè)計及工藝參數(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

19、噴涂步驟 1）Q235鋼基體表面的粗化和凈化：在噴涂前，用16#剛玉砂對試樣表面做噴砂處理，直到基體表面沒有金屬光澤，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。噴涂處理噴涂處理 噴涂結(jié)束后不能馬上拿取工件，因為等離子噴涂溫度很高，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

20、試驗1 1）顯微硬度試驗（顯微硬度計）顯微硬度試驗（顯微硬度計） 注意：涂層試樣的制備要能在顯微鏡視場中辯認出各種組織和形貌，以合選擇有代表性的測點。在實驗過程中，至少選取6個讀數(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2 2）涂層的金相檢測和孔隙率的測定（）涂層的金相檢測和孔隙率的測定（水切割機、烘干機、砂紙、金相試樣水切割機、烘干機、砂紙、金相試樣拋光機、光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡拋光機、光學(xué)顯微鏡、金相顯微鏡）方法： 1）用水切割機將噴涂后的試樣切開； 2）用不同粗細的砂紙從粗到細依次粗磨和細磨，直至表面鹽分光滑、僅有均勻細微劃痕為準。然后用粒度為2.

21、5m的拋光劑在拋光機上拋磨好的試樣，至表面為光滑鏡面無痕為準。 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）利用金相照片進行金相分析和孔隙率的測定。http:/ 100%cmPcm 測量涂層孔隙率的方法：先測定涂層的密度與涂層材料的真密度進行比較，即利用公式： 噴涂層密度，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3 3）磨料磨損試驗（銷盤磨損試驗機、分析天平：精確度為）磨料磨損試驗（銷盤磨損試驗機、分析天平：精確度為0.0001g0.0001g）試驗參數(shù)：砂紙粒度為280目，試樣大?。?.57mm2載荷：5kg轉(zhuǎn)速：60r/min試驗方法：將砂紙裝在圓盤上，作為試驗機的磨料。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