等離子噴涂技術(shù)簡(jiǎn)介及其應(yīng)用前景

1等離子噴涂技術(shù)PlasmaSprayingTechnology2主要內(nèi)容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題及展望3等離子噴涂技術(shù)介紹

熱噴涂技術(shù)是表面工程學(xué)的重要組成部分，它是一種材料表面強(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。

熱噴涂技術(shù)

熱噴涂過(guò)程是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧作為熱源，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。

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熱噴涂技術(shù)熱噴涂的工藝方法有很多種，根據(jù)加熱源的不同可分為：火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂(APS)、爆炸噴涂等離子噴涂技術(shù)介紹5

等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂是利用等離子火焰來(lái)加熱熔化噴涂粉末使之形成涂層的熱噴涂方法。等離子體：自然界物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體。當(dāng)氣體電離度大于0.1%時(shí)，正離子和電子數(shù)量增多且相等，其空間電荷為零，呈中性狀態(tài)，處于這種狀態(tài)下的氣體稱為等離子體等離子噴涂工作氣體常用Ar或N2，再加入5%～10%的H2，氣體進(jìn)入電極腔的弧狀區(qū)后，被電弧加熱離解形成等離子體，其溫度可達(dá)15000℃以上。等離子噴涂技術(shù)介紹6

等離子噴涂原理示意圖等離子噴涂原理示意圖等離子噴涂技術(shù)介紹7

等離子噴涂設(shè)備組成等離子噴涂技術(shù)介紹8

等離子噴涂設(shè)備組成：（1）整流主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。等離子噴涂介紹9

（2）控制柜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。等離子噴涂介紹10

等離子噴涂介紹

（3）噴槍

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。由陰極、噴嘴（陽(yáng)極）、朝氣道與氣室、送粉器、水冷密封、絕緣體及槍體構(gòu)成。11等離子噴涂介紹

（4）送粉器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。12等離子噴涂介紹

（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。13等離子噴涂介紹

（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。儲(chǔ)氣瓶減壓閥流量計(jì)14主要內(nèi)容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題及展望15等離子噴涂技術(shù)分類

根據(jù)工作介質(zhì)的不同，可分為：氣體穩(wěn)定等離子噴涂和液體穩(wěn)定等離子噴涂。16(1)大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂是用Ar、N2、H2作為離子氣，經(jīng)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂主要用于制備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。等離子噴涂技術(shù)分類PRAXAIR大氣等離子噴涂系統(tǒng)17(2)可控氣氛等離子噴涂等離子噴槍置于密封艙室內(nèi)，可形成各種不同的氣氛。等離子焰流加長(zhǎng)，粒子加熱更充分，氧化減少，涂層的質(zhì)量可以得到明顯改善，并且擴(kuò)大了熱噴涂在沉積金剛石膜、超導(dǎo)體氧化物涂層方面的應(yīng)用。(3)反應(yīng)等離子噴涂

在熱等離子源中，反應(yīng)物(粉末狀顆粒)和反應(yīng)氣體進(jìn)入等離子焰流中，并在噴射向基體的過(guò)程中，顆粒表面形成化合物，到達(dá)工件表面和其它材料的顆粒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成涂層。

制造復(fù)合材料、陶瓷、金屬間化合物等材料涂層，如TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN、Mo-MoSi2等。等離子噴涂技術(shù)分類18(4)超音速等離子噴涂普通等離子噴涂粒子的飛行速度約200m/s，而超音速等離子噴涂粒子速度可達(dá)400～600m/s。

涂層更加致密，涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度更高。(5)液穩(wěn)等離子噴涂工作介質(zhì)為氣體時(shí)，等離子弧空腔溫度很高，內(nèi)壁受溫度的限制，難于提供再高的溫度。

水穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)而形成的，能夠提供更高的溫度。目前，市場(chǎng)上可提供的水穩(wěn)等離子噴涂設(shè)備，其功率可達(dá)120～200kW，最高溫度可達(dá)50000℃。等離子噴涂技術(shù)分類哈爾濱焊材所向?yàn)蹩颂m引進(jìn)的設(shè)備19等離子噴涂應(yīng)用比例：熱噴涂方法1960年1980年2000年絲材火焰噴35114粉末火焰噴35288絲材電弧噴15615等離子噴155548高速火焰噴涂--25等離子噴涂具有哪些優(yōu)異的特性呢？等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)20

（1）可以獲得各項(xiàng)性能的涂層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。且形成的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度較高、孔隙率低且噴涂效率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

（2）涂層氧化物和雜質(zhì)含量少由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。與電鍍、電刷、滲碳、滲氮相比，等離子噴涂層更厚、更硬、更具防腐效果等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)21

（3）涂層性能好涂層平整光滑，可精確控制厚度。涂層孔隙率低，結(jié)合度高，涂層孔隙率低，可控制在1%～10%；與基體結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)60～70MPa。

（4）對(duì)基體熱影響小工件受熱溫度可控制低于250℃，噴涂基體組織不易發(fā)生變化；可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂，可噴涂范圍廣泛。等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)22主要內(nèi)容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題及展望23等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用從上世紀(jì)50年代至今，等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域由航空、航天擴(kuò)展到了鋼鐵工業(yè)、汽車制造、石油化工、紡織機(jī)械、船舶等。近年來(lái)，等離子噴涂技術(shù)開(kāi)始運(yùn)用于高新技術(shù)領(lǐng)域如納米涂層材料、梯度功能材料、超導(dǎo)涂層、生物功能涂層等。24

（1）耐磨涂層陶瓷和金屬陶瓷涂層，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。

噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末

Al2O3·40%TiO2涂層

Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層等離子噴涂陶瓷水壓元件實(shí)例等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用25（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)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫工作下零部件的表面。未經(jīng)噴涂處理經(jīng)噴涂處理1Cr18Ni9Ti鋼表面噴涂NiCrAl+(ZrO2+Y2O3)陶瓷涂層隔熱實(shí)驗(yàn)等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用26

（3）防腐蝕涂層Cr2O3碳鋼涂層極化曲線Co基合金、Ni基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過(guò)提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質(zhì)的滲透，防止電化學(xué)腐蝕。等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用27

（4）其它方面應(yīng)用除了上述應(yīng)用外，等離子噴涂還應(yīng)用于：電絕緣與導(dǎo)電涂層、恢復(fù)尺寸涂層、間隙控制涂層等方面。除了傳統(tǒng)鄰域，近年來(lái)等離子噴涂在高新技術(shù)領(lǐng)域也有應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用28

（1）納米涂層等離子噴涂技術(shù)作為一個(gè)傳統(tǒng)的涂層制備手段用于噴涂納米涂層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。如低成本、高效率，適于工業(yè)化生產(chǎn)，所得涂層硬度高、耐磨性好、與基體結(jié)合強(qiáng)度高。不同載荷下微米AT13涂層與納米13AT涂層的磨損體積損失比較圖等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用29

（2）梯度功能涂層（FGMs）陶瓷材料質(zhì)脆、對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震性差且與金屬基體物理性能不匹配，使涂層產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度下降。在應(yīng)用時(shí)常會(huì)發(fā)生涂層開(kāi)裂或剝落等現(xiàn)象。

等離子焰流溫度高，特別適用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復(fù)合材料涂層，這就為功能梯度材料的發(fā)展提供了廣闊的空間。等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用(a)雙層涂層(DC)(b)梯度涂層（GC）30

（3）生物功能涂層將等離子噴涂HAP（生物羥基活性石灰石）粉末在金屬基體上（一般為Ti基金屬）形成生物涂層既突出了HAP良好的生物活性又利用了金屬材料優(yōu)秀的力學(xué)性能，避免了HAP的脆性和疲勞敏感性的問(wèn)題。等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用31

（4）其它方面的應(yīng)用除了上述應(yīng)用外，等離子噴涂還應(yīng)用于：超導(dǎo)涂層，非晶、準(zhǔn)晶涂層等涂層的制備。等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用32

等離子噴涂存在問(wèn)題：（1）工藝問(wèn)題：a.預(yù)熱問(wèn)題b.工件及涂層的溫度控制c.孔隙率高、易引入缺陷(2)參數(shù)多——十多個(gè)參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，相互影響噴涂過(guò)程實(shí)現(xiàn)在線反饋控制作出實(shí)時(shí)調(diào)整？（3）涂層硬度高保證涂層薄、近終成型減少加工等離子噴涂存在問(wèn)題及展望33

等離子噴涂存在問(wèn)題：（4）等離子?。涸肼暣?，對(duì)人皮膚、眼睛輻射較大等離子噴涂存在問(wèn)題及展望34

發(fā)展趨勢(shì)及展望等離子噴涂技術(shù)作為一種先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)，在近代工業(yè)中地位越來(lái)越重要，應(yīng)用范圍也在隨著高新技術(shù)的發(fā)展而不斷擴(kuò)展，但有以下問(wèn)題需要解決：等離子噴涂存在問(wèn)