第二章 热喷涂 - 图文(6)

第四节 等离子喷涂 (Plasma Thermal

Spraying )

3.1 等离子喷涂原理

自二十世纪六十年代等离子物理应用于热喷涂以来，等离子喷涂得到了飞速的发展，尤其是七十年代初期以后，其发展可以说是突飞猛进。从空气等离子喷涂和水稳等离子喷涂发展到真空等离子喷涂以及后来的超音速等离子喷涂、反应等离子喷涂和微束等离子喷涂等。从喷涂的材料来看，经历了喷涂纯金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末和复合材料粉末的发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧化、防腐蚀方面已经得到广泛应用，近年来正试图在生物、超导和复合材料等高科技领域发挥特长，而且取得了一定的发展。喷涂耐高温陶瓷是目前发展的热点，而功能梯度涂层、热胀涂层及纳米结构涂层的研究也有增大的趋势。在一系列的技术领域里，等离子涂层所显示的独特优越性已经引起越来越多的工业部门的重视，故在航空、冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用。 火焰喷涂 3000℃ 电 弧 约5000 ℃

等离子弧 10000 ℃以上

等离子喷涂属于热喷涂技术中的一种新工艺，它采用压缩电弧为热源，其中压缩电弧由普通电弧经机械压缩、热压缩及自磁压缩而产生。阴阳电极之间充满高压工作气体(氩气、氮气、氢气等)，当加电场于电极上时，在电极之间产生电弧打火，连续的工作气体穿过压缩电弧而电离，电离后的电子和离子在强电场作用下高速运动并与周围原子、分子、离子、络离子相撞击，将很大的能量传递给周围粒子从而产生很高的温度，成为高温高速的等离子焰流。喷涂粉末在喷枪口附近由压缩气体送入枪口，通过等离子焰流加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流高速喷射并沉积到经粗化的基体表面上，淬冷凝固后在基体表面形成喷涂层。其基本过程如图2-2所示。从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段。即喷涂材料被加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化的熔滴颗粒向前喷射的飞行阶段和与基体产生强烈的碰撞而形成喷涂层的阶段。

进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达2000K。

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等离子产生原理

0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动；大于10°k时，开始旋转运动；大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子。温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中 Ui为电离能气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。

等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅

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为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。

等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。

按接电方法不同，等离子弧有三种形式：

①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。

等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。

②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的是这类等离子弧。

③联合弧:非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。这种情况喷嘴，工件均接在正极。等离子喷焊采用这种等离子弧。

进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达15000～20000°k。焰流速度在喷嘴出口处可达1000～2000m/s，但迅衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。

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3.2 等离子特点

与其他热喷涂技术相比，等离子喷涂技术具有以下特点：

(1)零件无变形，不改变基体金属的热处理性质。由于喷涂时零件不带电，基体金属不熔化，所以尽管等离子焰流的温度较高，但只要工艺得当，控制零件温升不超过200℃，则零件不会发生变形。由于在200℃以下基体金属的热处理性质不会发生变化，因此，对一些高强度钢材可以实施喷涂。

(2)涂层种类多。由于等离子焰流的温度高，热量集中，可以将各种喷涂材料加热到熔融状态，因而可供等离子喷涂用的材料非常广泛，特别适用于喷涂陶瓷等难熔材料，从而也可以得到多种性能的喷涂层，如耐磨涂层、隔热涂层、抗高温氧化涂层、绝缘涂层等等。

(3)工艺稳定，涂层质量高。在等离子喷涂中，熔融状态颗粒的飞行速度可达180-480m/s，远比氧－乙炔焰粉末喷涂时的颗粒飞行速度（45-120m/s）高，从而涂层致密。等离子喷涂层与基体金属的法向结合强度通常为30-70MPa，而氧－乙炔焰粉末喷涂一般为5-10MPa。

(4)喷涂后涂层平整、光滑，并可精确控制涂层厚度，因此切削加工涂层时可直接采用精加工工序。

但等离子喷涂亦存在以下缺点：

(1)等离子喷涂受喷涂粉末尺寸限制，适合喷涂的粉末粒度范围分布窄。 (2)由于等离子喷枪结构的限制，难以对小孔内表面进行喷涂。

(3)等离子射流由于速度快，温度高，因而产生强烈的噪声污染、光污染、

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气体污染和粉尘污染，对操作者身体有一定的影响，对工作环境、厂房的设计建设有特殊的要求。 3.3 等离子喷涂设备

等离子热喷涂设备主要由喷枪、送粉器、控制系统组成。喷枪如图3-2所示。喷枪实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电、气、粉、水等。喷枪上接上电源用以供给喷枪直流电，电源通常为全波硅整流装置。

3.3．1喷枪

3.3．2送粉器

送粉器由图3-3所示，用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。

3.3．3 控制系统

控制系统包括热交换器、供气系统和控制柜。热交换器主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统。控制系统用于对水、电、气、粉的调节和控制如图3-4所示。

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