等離子噴塗

• 定義：一種材料表面強化和表面改性的技術；
• 功能：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；
• 原理：采用由直流電驅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，並以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附着牢固的表面層的方法；
• 應用：亦有用於醫療用途，在人造骨骼表面噴塗一層數十微米的塗層，作為強化人造骨骼及加強其親和力的方法。
• 特點：是繼火焰噴塗之后大力發展起來的一種新型多用途的精密噴塗方法，它具有：（1）超高溫特性，便於進行高熔點材料的噴塗；（2）噴射粒子的速度高，塗層致密，粘結強度高；（3）由於使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴塗材料不易氧化。

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等離子噴塗設備主要包括：

（1）噴槍：一個非轉移弧等離子發生器，是最關鍵的部件，其上集中了整個系統的電，氣，粉，水等；

（2）電源：用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置；

（3）送粉器：用來貯藏噴塗粉末並按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置；

（4）熱交換器：主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達到使噴嘴延壽的目的；

（5）供氣系統：包括工作氣和送粉氣的供給系統；

（6）控制櫃：用於對水、電、氣、粉的調節和控制。

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• 等離子體可分為三大類：

（1）高溫高壓等離子體：電離度100%，溫度可達幾億度，用於核聚變的研究；

（2）低溫低壓等離子體：電離度不足1%，溫度僅為50~250度；

（3）高溫高壓等離子體：約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近與熱平衡。（熱噴塗所利用的正是這類等離子體）

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噴塗原理：

等離子噴塗是利用等離子弧進行的，離子弧是壓縮電弧，與自由電弧相比較，其弧柱細，電流密度大，氣體電離度高，因此具有溫度高，能量集中，弧穩定性能好等特點。

 按接電方法不同，等離子弧有三種形式：

（1）非轉移弧：指在陰極和噴嘴之間所產生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上，工件不帶電，在陰極和噴嘴的內壁之間產生電弧，工作氣體通過陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱，造成全部或部分電離，然后有噴嘴噴出形成等離子火焰（或叫等離子射流）——等離子噴塗采用的就是這類等離子弧；

（2）轉移弧：電弧離開噴槍轉移到被加工零件上的等離子弧。

（3）聯合弧：非轉移弧引燃轉移弧並加熱金屬粉末，轉移弧加熱工件使其表面產生熔池。這種情況噴嘴，工件均接在正極。

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（影響圖層質量的）工藝流程：

（1）等離子氣體：

• • 氣體的選擇原則主要根據是可用性和經濟性，N2便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利用粉末的加熱和融化，但對於易發生氮化反應的粉末或基體則不可采用。Ar氣電離電位較低，等離子弧穩定且易於引燃，弧🔥較短，適於小件或薄件的噴塗，此外Ar氣還有很好的保護作用，但Ar氣的熱焓低，價格昂貴。
  • 氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴塗效率，塗層氣孔率和結合力等。
    • 　　流量過高，則氣體會從等離子射流種帶走有用的熱，並使噴塗離子的速度升高，減少了噴塗粒子在等離子火焰中的“滯留”時間，導致粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀態，結構使塗層粘結強度、密度和硬度都較差，沉積速率也會顯著降低；
    • 　　流量過低，則會使電弧電壓值不適當，並大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會引起噴塗材料過熱，造成噴塗材料過度溶化或氣化，引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集，然后以較大球狀沉積到塗層中，形成大的空穴。

（2）電弧的功率

• • 電弧功率太高：電弧溫度升高，更多的氣體將轉變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉變為活性等粒子流，等離子火焰溫度也很高，這可能使一些噴塗材料氣化並引起塗層成分改變，噴塗材料的蒸汽在基體與塗層之間或塗層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外，還可能使噴嘴和電極燒蝕。
  • 電弧功率太低：得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰，又會引起粒子加熱不足，塗層的粘結強度，硬度和沉積效率較低。

（3）供粉

• • 供粉速度必須與輸入功率相適應：
    • 過大，會出現生粉（未熔化），導致噴塗效率降低；
    • 過低，粉末氧化嚴重，並造成基體過熱。
  • 送粉位置也會影響塗層結構和噴塗效率，一般來說，粉末必須送至焰心才能使粉末獲得最好的加熱和最高的速度。     

（4）噴塗距離和噴塗角

• • 噴槍到工件的距離影響噴塗粒子和基體撞擊時的速度和溫度，塗層的特征和塗料材料對噴塗距離很敏感。
    • 噴塗距離過大，粉粒的溫度和速度均將下降，結合力、氣孔、噴塗效率都會明顯下降；
    • 噴塗距離過小，會使基體溫升過高，基體和塗層氧化，影響塗層的結合。在機體溫升允許的情況下，噴距適當小些為好。
  • 噴塗角：指的是焰流軸線與被噴塗工件表面之間的角度。
    • 該角度小於45度時，由於“陰影效應”的影響，塗層結構會惡化形成空穴，導致塗層疏松。

（5）噴槍與工件的相對運動速度

• • 噴槍的移動速度應保證塗層平坦，不出現噴塗脊背的痕跡。=》每個行程的寬度之間應充分搭疊；
    • 在滿足上述要求前提下，噴塗操作時，一般采用較高的噴槍移動速度，這樣可防止產生局部熱點和表面氧化。

（6）基體溫度控制

• • 較理想的噴塗工件是在噴塗前把工件預熱到噴塗過程要達到的溫度，
  • 然后在噴塗過程中對工件采用噴氣冷卻的措施，使其保持原來的溫度。

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參考：

【1】等離子噴塗

【2】等離子噴塗PPT