等离子喷涂

• 定义：一种材料表面强化和表面改性的技术；
• 功能：使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能；
• 原理：采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法；
• 应用：亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。
• 特点：是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：（1）超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；（2）喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；（3）由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

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等离子喷涂设备主要包括：

（1）喷枪：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；

（2）电源：用以供给喷枪直流电。通常为全波硅整流装置；

（3）送粉器：用来贮藏喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置；

（4）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；

（5）供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统；

（6）控制柜：用于对水、电、气、粉的调节和控制。

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• 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%，温度仅为50~250度；

（3）高温高压等离子体：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与热平衡。（热喷涂所利用的正是这类等离子体）

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喷涂原理：

等离子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧相比较，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，弧稳定性能好等特点。

 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，然后有喷嘴喷出形成等离子火焰（或叫等离子射流）——等离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。

（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。

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（影响图层质量的）工艺流程：

（1）等离子气体：

• • 气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，N2便宜，且离子焰热焓高，传热快，利用粉末的加热和融化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧🔥较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵。
  • 气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。
    • 　　流量过高，则气体会从等离子射流种带走有用的热，并使喷涂离子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态，结构使涂层粘结强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低；
    • 　　流量过低，则会使电弧电压值不适当，并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下，会引起喷涂材料过热，造成喷涂材料过度溶化或气化，引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集，然后以较大球状沉积到涂层中，形成大的空穴。

（2）电弧的功率

• • 电弧功率太高：电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等离子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。此外，还可能使喷嘴和电极烧蚀。
  • 电弧功率太低：得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。

（3）供粉

• • 供粉速度必须与输入功率相适应：
    • 过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；
    • 过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。
  • 送粉位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。     

（4）喷涂距离和喷涂角

• • 喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和涂料材料对喷涂距离很敏感。
    • 喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；
    • 喷涂距离过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。
  • 喷涂角：指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。
    • 该角度小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。

（5）喷枪与工件的相对运动速度

• • 喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出现喷涂脊背的痕迹。=》每个行程的宽度之间应充分搭叠；
    • 在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。

（6）基体温度控制

• • 较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，
  • 然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。

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参考：

【1】等离子喷涂

【2】等离子喷涂PPT