等离子喷涂系列

1  等离子喷涂技术的应用  
  一、引言  热喷涂技术是表面工程学的重要工艺方法之一，它是一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热等性能。而等离子弧喷涂技术是热喷涂技术中应用最广的一种方法。等离子弧喷涂射流速度高，气氛可控、火焰温度高，工艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等。所制备的耐磨、耐蚀、红外辐射、化学催化及多种功能涂层的应用，提高了材料整体性能和使用寿命，有效地解决了高性能材料性能价格比矛盾。因此近年来等离子弧喷涂技术进步和生产应用发展很快，现已广泛应用于核能、航空、航天、石化、机械等领域。  等离子弧喷涂技术最早在航空、航天部门得到应用，迄今为止，高温等离子弧喷涂在此领域的应用仍超过其它领域。航天、航空作为等离子弧喷涂最大最稳定的应用市场，今后将保持稳定并得到增长，在涂层技术及喷涂工艺方面也将不断得到改进和完善。  
  二、等离子喷涂的发展  等离子喷涂(APS)是以电弧放电产生的等离子体为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子喷涂是热喷涂的一个重要分支，它是20世纪50年代随着现代航空航天和原子能工业技术的出现而发展起来的；当时对高熔点、高纯度、高强度的涂层提出需求，促使人们对高热源、高喷速、改善喷涂气氛等方面进行了研究，从而在50年代末，美国Plasma-dyne公司首先研制出等离子喷涂设备。等离子喷涂技术自其问世以来，一直受到极大的关注，已成为现代工业和科学技术各个领域广泛采用的先进加工手段。  由于等离子射流能够熔化几乎所有的固体材料，因此等离子喷涂技术可以形成涂层的种类及其应用极其广泛。等离子喷涂技术的发展主要集中在喷枪功率的提高以及送进粉末方式的改良两大方面。目前，特别是在轴向送粉方式等离子喷枪研制方面取得了巨大的进展。  20世纪80年代以前，等离子喷涂技术的发展主要体现在等离子电弧的功率的提高，即最大功率从50年代的20KW，到60年代的40KW，70年代的80KW级。采用水作为等离子工作介质，使电弧电压大幅度提高，从而使电弧功率可以达到250KW。80年代中期超音速等离子喷涂采用普通的工作气体如氩气，其功率也达到了200KW。等离子电弧功率的提高大幅度提高了等离子射流的热焓。这类高能等离子喷涂系统的主要特点应为涂层制备效率高，用于高熔点陶瓷材料的喷涂成形更有效.当前，热喷涂技术已在航天、航空、机械、冶金、化工、石油，煤炭，铁道，纺织，交通运输等部门获得了越来越多的应用，取得了明显的技术经济效益。可以预见，随着我国的工业进步，热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决过去传统加工方法无法解决的问题，已经成为我国现代工业中不可或缺少的一中表面技术。
  三、等离子喷涂原理、特点、设备
 3.1.等离子态和等离子体  
  等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引、使物质成为正负带电粒子存在的状态；由于其具有独特的性能，被称为物质的第四态。  
  等离子体是一种由自由电子、正离子、中性原子和分子组成的电离气体云。等离子体的产生是由于有足够的能量传递给气体而引起其电离。例如，如果气体被加热到50000C以上，化学键会发生断裂而其原子进行非规则的运动，这就引起原子碰撞造成一些电子脱离原子核，而失去了电子的原子核，就成为带正电荷的正离子。当气体经历了这一离子化过程，就成为等离子体。
 3.2.等离子弧及其产生原理
众所周知，等离子喷涂是通过等离子弧加热溶化喷涂粉末粒子而实现的。电弧是在两电极间产生强烈而持久的一种气体放电现象。当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于（10~20）V，电流不小于（80~100）m A，电器的触头间便会产出电弧。电弧本身是高温导电率的游离气体，它的形成就是在电极触头之间的中性质点（分子和原子）被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，如果电场强度（E=U/d）超过3*106V/m，阴极表面将发生强电场发射，即阴极表面的电子被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。然后，这些自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，并且在途中不断地和中性质点相碰撞而打出电子，形成自由电子和正离子（碰撞游离）。新形成的自由电子又向阳极作加速运动，也会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧。  等离子弧属于压缩电弧。电弧的阴极一般采用钨电极（通常是W-TH），阳极接喷嘴（前枪体）和/或工件，两者之间加上一个较高的电压。经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。
 3.3.等离子体喷涂的基本原理
等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。产生等离子弧的设备是等离子喷枪，它由钨电极、前枪体、后枪体、送粉管、工作气体和气管、电源和控制器等部分组成。进行喷涂时，喷枪的钨电极（阳极）和喷嘴（前枪体——阳极）分别接电源的负极和正极，工作气体（根据工艺需要采用氮气、氩气或混入5%～15%的氢气等）经进气管进入喷枪，在弧柱区发生电离而形成等离子体。但是，前枪体和钨电极之间是有一段距离隔开的，故电源的空载电压加上后并不能立即产生电弧，而是要在前枪体和后枪体之间并联一个高频电源，接通后在钨电极与前枪体间发生火花放电，才能引燃电弧。电弧引燃后，再把高频电路切断。工作气体在引燃后电弧压缩作用，温度升高，喷射速度增大，形成高温高速等离子射流从喷嘴喷出。此时从送粉管送入粉状喷涂材料，使其在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被加速而向经预处理的工件表面喷射和撞击，发生流散、变形和凝固，沉积于工件表面而形成涂层。
 3.4.等离子喷涂的工艺流程
喷涂工艺术包括以下四个基本工序—表面预处理、预热、喷涂、涂层后处理。为使涂层与基体材料很好的结合以及满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括表面预加工、净化、粗糙化和黏结底层等几步操作。预热目的是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层/基体界面温度，减少基材与涂层材料的热膨胀差异造成的残余应力，以避免涂层开裂和提高涂层与基材的结合强度。预热湿度取决于工件的大小、形状和材质以及涂层材料的热膨胀系数等因素。喷涂  这是整个喷涂工艺的主体和关键工序，其他的工序都是为了保证此步而进行的。喷涂的操作主要是选择喷涂方法和确定喷涂参数。涂层的后处理   有些涂层在喷涂后不能直接使用，而须进行各种后续处理。
 3.5.等离子喷涂的特点、设备
等离子喷涂是近十年间发展起来的一项新工艺，由于等离子喷焰具有温度高(超过一切己知物质的熔点)、速度大(通常为100一1000米/秒)、气氛可控的特点，是在普通材料上涂敷各种耐高温、耐研磨、耐腐蚀和其他特殊性能的涂层的有力工具。实跷表明，和火焰喷涂及电弧喷涂相此，用等离子喷涂方法得到的涂层密度较高，和基材桔合较好。  等离子喷涂全套没备中包括喷抢、送粉器、控制柜、电源系统、水路气路系统、通风抽尘等保护投备。
四、等离子体喷涂技术的应用
4.1．复合润滑涂层：
现代科学技术的发展使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视,迫切要求发展相适应的高温润滑材料，而等离子喷涂技术能够制备具有极佳相容性的高温润滑涂层。研究表明,选择高温润滑材料及其它成分组合,采用最佳工艺方法,发挥润滑层组元的复合效应,是解决高温固体润滑问题最有希望的途径, 从而,复合润滑涂层是值得重点推荐的一种高温固体润滑涂层。复合润滑涂层是指通过多种成分的组合,发挥各组元之间的复合效应而获得最佳摩擦性能的润滑层。  在设计这种复合润滑涂层时,应选择高温的润滑层。在设计这种复合润滑涂层时,应选择高温下有良好润滑性能的固体润滑剂,能增强结合力的粘结剂和增强抗磨损性能及抗氧化性能的成分,并要有合适的配比。由于等离子可获得高温、超高速的热源,沉积速率高,尤其适合复合涂层的制备。涂层的梯度结构缓和了涂层内部的物理性能差异,致使涂层的组织和物化性能也为连续过渡,避免了基体到涂层的组织、性能的突变,缓解了界面处的应力集中,改善了涂层界面的结合状况,从而使涂层的硬度得到平缓过渡,连续分布。所以，与单层涂层相比,涂层成分分布的梯度化使涂层与基体的的结合强度得到了明显的提高,梯度涂层的整体性能优于单层结构的涂层。目前，低摩擦因数固体润滑涂层在许多领域得到了广泛应用,探索新型固体润滑涂层体系及其制备技术是摩擦学研究的热点。近年来,镍基、钴基和铁基等自熔性合金涂层被广泛应用于材料表面保护及工件修复,特别是在大型进口设备的维修及关键部件的替代方面,具有明显的经济效益和社会效益。镍基自熔性合金在常温和较高的温度下具有优良的耐磨、耐热和抗氧化性能。
 4.2．陶瓷涂层
陶瓷材料的不足之处是抗弯强度低、韧性差，属本质脆性材料，在很大程度上影响了其在结构件上的应用。为改善其脆性，增加强度，通常以陶瓷复合材料形式出现，但也存在不少问题。因此，利用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂层，将其特点与金属材料的优点结合起来，获得各种功能的表面强化涂层，正在成为当代复合材料及其制品领域的一个重要分枝。陶瓷涂层在航空、航天、汽车、船舶等方面的应用。航空发动机的关键部件是高温合金涡轮叶片和涡轮盘。高温合金的一个重要发展趋势就是高温隔热涂层(热障涂层)，热障涂层和叶片冷却技术可使叶片耐温能力提高约450℃。这些涂层可用于小型火箭发动机喷管、返回地面人造卫星回收天线、非水冷汽车发动机等。此外，航天火箭发动机喷嘴、燃烧舱、超音速飞机及返回卫星外整流罩、航天飞机隔热瓦等也都使用了高温等离子弧喷涂层。陶瓷涂层在汽车、船舶领域的应用和发展。在汽车工业中，汽车新型发动机热喷涂市场潜力很大，在今后10年内有很大发展潜力。如热障涂层在燃气涡轮发动机和汽车发动机上大有作为。燃气发动机上的一些承受高温部件，采用等离子弧喷涂的ZrO2热障涂层，使涂层部件的工作温度提高150-200℃，提高了发动机的热机效率，燃油消耗可降低7%。另外，因为发动机高温零件无需冷却系统，可减轻发动机重量，同时提高了部件的耐磨性，延长了使用寿命。船舶及火车机车用发动机涂层应用与汽车发动机类似，NiCrBSi及WC涂层用于轮船螺旋桨可获得较好防气蚀性能，ZrO2,Al涂层用于舰船壳体防腐取得十分满意的效果。用于车、船发动机的抗热涂层，近年来发展研究较多的是金属一陶瓷梯度涂层。陶瓷涂层在刀具、模具中的使用。在陶瓷涂层市场中，刀具、模具所占的比例甚大，用超硬陶瓷涂层延长了刀具、模具的使用寿命，并提高切削效率。陶瓷涂层刀具由于硬度高、耐热粘结性强、化学稳定性高、切削韧性好、切削性能优良等优点，目前己成为刀具发展的一个引人注目的方向。陶瓷涂层刀具的第一、二代产品有TiC、TiN、HfC、HfN、Ti(CN)及A12O3等单、双或三涂层刀具，并己发展到第三代甚至第四代产品。陶瓷涂层在电力电子领域中的应用。在电力电子行业，陶瓷涂层也是大显身手。在金属板上热喷涂绝缘陶瓷涂层所形成的金属陶瓷复合材料是微电子工业中理想的基板材料。高热导率的金属将强电流所产生的热量迅速散发，而陶瓷层则提供优良的介电绝缘性能。
五、等离子体喷涂的未来发展趋势
 5.1．应用上的发展趋势
  耐磨涂层在汽车发动机上的应用。目前，美国福特、德国奔驰、日本丰田等公司都积极制订或实施发动机热喷涂层研究与发展计划，拟在汽车发动机汽缸内衬、排气口活塞端面等部位使用热障涂层。在活塞环、阀、凸轮、曲轴等部位使用耐磨涂层，这些涂层将大大提高部件寿命、性能，从而提高发动机热效率、减少油耗、降低废气排放。据有关试验表明，使用上述涂层技术，可使汽车发动机节约8%燃油、提高5%动力，减少尾气中CO、HC物质排放10%以上。总之，在未来的几十年里，涂层应用在汽车发动机的规模应当相当迅速，是除航空、航天领域之外涂层应用的又一大市场。陶瓷涂层在冶金工业和机械工业中的应用。金属的冶炼、热加工和热处理都必需在高温下进行。为了防止金属的高温氧化、渗氮和渗氧，往往在金属表面施涂热处理保护涂层。工件涂上这种涂料后能在热处理过程中形成高粘度低膨胀系数的玻璃相致密保护层，以阻止气体的扩散。工件冷却后涂层亦会自动剥落。热处理保护涂层能节约金属原材料，减少零部件的机械加工量，提高金属表面质量。陶瓷涂层在生物医学方面的应用。如在不锈钢、钻基合金、钦和钦合金等医用金属材料上涂覆轻基磷灰石等生物陶瓷涂层能改善金属与人体的生物相容性，使植入体与骨骼结合牢固，具有很好的应用前景。在化工、石油工业中使用的主要是抗氧化和防腐蚀涂层。一般使用金属和氧化物涂层，如NiCr、NIAI、NiAICrY、A12O3等。用A12O3、A12O3一TiO2涂层加在石化工业阀柱、接头件表面，可成功解决冒滴漏的问题。
 5.2．研究的热点问题
智能涂层是一种人造的、能够对某一外部刺激，比如：温度、应力、应变或环境等，有选择提供(作出)最佳反应的涂层系统。智能涂层是具有自选择或自适应功能的涂层,它们具有自修复、自清洁、自润滑、抗菌、耐腐蚀、以及能够对酸碱度、温度或光线强度等等的变化作出反映等特性。智能涂层的理论研究在国际上引起人们的广泛的兴趣，已经成为纳米科学技术和材料学研究的热点之一。纳米结构材料在固体自润滑涂层中的应用将会为高温润滑涂层的发展带来革命性的影响。纳米级的颗粒决定了其具有更高的比表面积，易于制造高强度、高韧性、高耐磨性的涂层。可以使润滑涂层的厚度大大降低，从而不影响产品的精度。但是控制纳米级润滑涂层的结构和成形是比较困难的，这也是高温固体润滑涂层研究的热点之一。随着纳米材料研究的逐步深入，目前关于纳米材料的应用化问题日益受到人们重视，目前，在高质量陶瓷粉体制备方面己取得重大进展，有些方法已在工业中应用，但是，如何充分利用这些纳米材料，如何发挥纳米陶瓷的潜在优异性能，是当前亚待解决的问题。以往人们对纳米陶瓷的应用研究主要集中在纳米陶瓷块体材料领域，随着研究的深入，关于纳米陶瓷在涂层领域的应用研究引起人们的广泛关注。近年来，随着纳米科学技术和热喷涂技术的不断发展，有关纳米结构陶瓷涂层的研究已成为纳米陶瓷应用的一个热点领域。我国已将纳米涂层材料的制备和应用研究列为国家“十五”期间材料领域重点研究的方向之一。纳米材料的两大特性可用于制备纳米结构涂层，一是大量晶界的出现，它和涂层的物理和化学性能密切相关，如低温延展性、超塑性、高电导率、抗热震性和抗腐蚀性等。二是由于小尺寸效应，形成一些异常相。即当晶粒尺寸变得非常小时，大量的表面能对Gipps自由能的形成有贡献。但是由于纳米粒子体积极小，表面能大，导致其在喷涂领域中的应用又与传统喷涂粉末有所不同。  采用热喷涂技术制备纳米结构陶瓷涂层是一项跨学科的交叉技术。研究开发时间较短，涂层的制备方法也比较单一、涂层性能还没有完全达到设计要求。因此利用热喷涂技术制备纳米结构涂层的发展空间还很大。
 5.3.等离子喷涂设备自身的发展
随着等离子喷涂技术在越来越多的领域得到应用，等离子喷涂技术也取得了长足的进步，微机技术和电力电子技术的迅猛发展必将极大的推动弧焊设备的发展，从而推动等离子喷涂技术在材料以及工艺上取得突破，使得等离子喷涂技术得到进一步发展。从总体看，随着对等离子喷涂技术的不断重视，人们对其研究也将不断深入，喷涂系统也将不断优化，随着新型电源、自动控制技术以及计算机技术、材料的不断发展，等离子喷涂的应用也将越来越广。
六、等离子喷涂设备的急需解决的问题
 6.1.建立规范的质量保证体系
  与现代电子、计算机技术、传感器、测试技术、自动化技术、机器人技术、真空技术相结合，通过对工艺参数、材料的规范化，建立起规范的等离子弧喷涂的质量保证体系，从而实现工业化批量生产的产品的质量可靠性、稳定性和重现性。
 6.2.先进的工艺与方法  求能从根本上解决涂层同金属基体界面的结合问题的方法，及以低成本、高效率获得无缺陷涂层的工艺。    6.3.工作环境的改善  等离子弧或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红外、紫外线等对人眼、皮肤伤害极大，因此需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子弧喷涂机，因而可从根本上改善工作环境。
 6.4．性能的改善  国产等离子弧喷涂机的性能不稳定，在工作中常断弧，其原因是电控系统不稳定，有必要迅速改进。
 6.5.金属基涂层的研究  发展新涂层，解决涂层与金属基体热膨胀系数匹配问题，从而提高涂层与基体的结合力;发展更加合适的喷涂技术，简便的、成本低的、生产效率高以及产生无缺陷涂层的喷涂技术是今后的发展方向;为了保证涂层的可靠性，除了从工艺上尽量保证涂层的均一性及完整性之外，应对涂层性能进行准确评价，因而无损探伤是一项急待开展的工作;探索准确测定涂层的一些基本性能如韧性、粘接强度等的方法;继续加强基础学科涂层的物理与物理化学基础的研究。
七、总结  等离子喷涂技术是一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热等性能。凭借其喷涂射流速度高，气氛可控、火焰温度高，工艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等等特点，现已广泛应用于航天、航空、机械、冶金、化工、石油，煤炭，铁道，纺织，交通运输等部门。本文重点讲述了等离子喷涂在复合润滑涂层与陶瓷涂层的应用，并对等离子喷涂的原理、特点、设备做了简要介绍，结合众多资料阐明了等离子喷涂在应用上的发展趋势，当前的研究热点问题与等离子喷涂设备自身发展及其需要解决的问题。  随着我国的工业进步，热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决过去传统加工方法无法解决的问题，已经成为我国现代工业中不可或缺少的一中表面技术。  总之，等离子喷涂是一种工艺，它需要在工艺上创新，同时在关键材料的制备上也要创新，只有各个系统有机统一地结合起来才能真正地解决过去传统工艺无法解决的问题，为人类造福。