等离子喷涂涂层研究进展

等离子喷涂涂层研究进展

引言

等离子喷涂是热喷涂最常用的技术之一，它是将粉末原料送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。由于等离子喷涂具有等离子弧温度高，能量集中，焰流速度快，稳定性好、调节性好，形成涂层结合强度高，孔隙率低且喷涂效率高诸多优点；涂层可以对材料表面进行强化和修复，还可以赋予材料表面特殊的性能等，因此等离子喷涂技术已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到了广泛的应用【1-3】。

长期以来，模拟等离子喷涂过程中的涂层沉积都是一个非常困难的问题。这是因为涂层的形成过程实际上是不同种类、大小、形状、速度、熔化状态的颗粒高速沉积在基体表面并相互作用的堆叠过程。熔融颗粒在快速冷凝时可能因应力存在而发生翘曲现象；而液滴高速撞击在基体表面又可能导致飞溅等现象出现，同时，会产生微观缺陷。受基体温度、喷涂工艺、快速冷却及其它的因素的影响，涂层的性能会发生很大的变化。而涂层的性能由喷涂时所发生的动力学和热传输过程及凝固过程所决定，因此，研究喷涂过程对于优化工艺参数、如何对喷涂工艺的控制实现智能化，并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入研究的问题。

1 等离子喷涂涂层机理及过程分析

等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为电源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子喷涂的基本原理【4】：喷枪的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的负、正极，向喷枪供给工作气体（氮气、氩气或5%-10%氢气），通过高频火花引燃电弧，气体被加热到很高的温度（其中心温度可达15000K以上）而电离，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出，速度可高达1.5Km/s。喷涂粉末被送粉气流载入呈等离子焰流，很快形成熔融或半熔融状态并高速撞击到经预处理的基材表面产生塑性变形，粘附在零件表面，后来的熔融粒子又在先前凝固的粒子上层叠压，从而获得良好的层状致密涂层。

目前，等离子喷涂装置多采用侧面垂直注入，如图a所示。等离子体火焰的最高温度区位于阳极最外部，粉末仍然能够有效地被加热融化。

a 颗粒注入等离子体火焰机理

b 颗粒飞行过程中纵向温度变化

c 颗粒飞行过程中轴向温度变化

d 颗粒飞行过程中轴向速度变化

图1 粉末颗粒在热等离子中的变化【5】

粉末颗粒在等离子体中首先经理加热、加速阶段，然后是降温、减速，大小视粉末材料而变化。从图b可以看出粉末材料熔点越高，降温现象越严重。在等离子体火焰尾部，颗粒失去能量而降温。粉末颗粒在等离子体中的变化为首先加速如图d所示，颗粒越小，加速越快，从图C可以在等离子体火焰尾部，等离子体速度急剧降低，小颗粒粉末在粘性等离子体重开始减速，而大颗粒由于动量较大，减速不明显【6】。

单个粉末颗粒在集体上的变形行为非常重要，直接关系到涂层密度的高低。当单个粉末颗粒在热喷涂火焰中被融化和被加速后，以一定的动能撞击到基体，发生变形，并立刻凝固下来，变形的大小不仅与颗粒的温度、速度有关，而且还与基体表面温度、粗糙度有关。粉末颗粒的变形、摊平程度手机提表面温度和粗糙度影响。基体表面温度低，颗粒凝固速度快，变形度底，对于金属粉末而言尤为突出。基体表面粗糙同样不利于融化颗粒的变形、摊平，但有利于颗粒与集体之间的咬合，增强机械结合力，促进界面结合强度的提高。由于凝固速度极快，涂层材料的晶体结构与粉末相比会发生改变，非晶、准晶和一些亚稳相可能形成。

在喷涂层形成的过程中，由于喷涂粒子与周围环境的气体发生作用，会使喷涂材料出现氧化现象。所以，喷涂层中必然会夹杂有氧化物，又由于粒子的变形不充分和有未熔化的粒子冲击到表面，在喷涂粒子和粒子之间会出现孔隙或孔

洞，造成涂层不致密。因此，喷涂层是由变形的喷涂粒子、氧化物和气孔组成的。如图2是喷涂层的结构示意图。涂层中氧化物和气孔的多少决定了涂层的质量的好坏，在提高涂层质量方面也是从如何提高涂层的致密性，减少杂质入手。

1-涂层；2-氧化物夹杂；

3-孔隙或孔洞；

4-颗粒间的粘结；

5-变形颗粒；6-基体

7-涂层与集体结合面

图 2 喷涂涂层结构示意图

热喷涂涂层中孔隙率的大小不但与颗粒的温度、变形程度有关，而且与克里堆垛方式有关。涂层厚度是由几十个乃至几百个粉末颗粒变形堆垛而成，不规则、不均匀的堆垛都会造成孔隙度的提高。当两个粉末颗粒变形后，在同一平面上相互之间留有空隙，当第三个变形堆垛后，这个空隙便会保留在涂层中。实际上，靠确定每个粉末颗粒在喷涂火焰中的飞行轨迹进而准确控制在基体上的位置是非常困难的，控制孔隙率的有效办法是控制粉末颗粒的形状、温度、撞击角度和每次喷涂的厚度。形状不规则的粉末在喷涂火焰中的飞行轨迹不断变化，在基体上不但不能获得均匀一致的变形片，而且不能规则地进行堆垛。颗粒的温度和速度能弥补堆垛不规则造成的孔隙。当温度越高时，粘性越低，熔化颗粒能进入空洞。速度越高，动能越大，填补空洞的能力越强。当撞击角度为90度时，颗粒变形能力和高速熔化颗粒填补孔洞能力都会提高。

等离子热喷涂涂层具有快速凝固的特点，喷涂工艺对于熔融液滴的特性、涂层的冷却凝固过程至关重要【7】.从理论模拟研究要通过建立物理模型。模型能帮助人们更好地理解瞬态喷涂过程，预测喷枪和喷涂工艺对流场、飞行液滴行为和涂层形成的影响。

熔融液滴的动力学和热力学模型研究涂层温度、应力应变以及组织等，必须以金属液滴的飞行速度、温度和凝固程度为初始条件。液滴在喷涂过程中的加热和加速模型采用传统的流体动力学和热传输等式【8-9】。对于给定的金属液滴，其初始温度决定于功率及喂料速率。利用现有物理模型可对涂层的性能进行预测，但由于预测结果对模型的假设条件有着强烈的依赖，所以总与实际存在一定

差距。要缩小这种差距，就必须以试验数据和半经验公式作为理论模型的基础，同时通过大量的试验研究进行补充，以使建立的模型与实际情况更为符合。

3 等离子喷涂涂层模拟进展

黄晨光等【10】采用改进的颗粒沉积模型和一种新建议的循环算法，利用数值方法模拟了等离子体喷涂中涂层的生长过程及涂层的细观结构。结果表明．涂层中孔隙率的分布与一些关键工艺参数和基底表面状态等有关，液态陶瓷颗粒的直径和飞行速度的加大会引起涂层内孔隙率的增加，而基体温度和表面粗糙度的升高，则有利于提高涂层的致密度。吴新灿，陈熙【11】等采用基于对涂层形成机理分析所建立的一组基本法则，并假设被喷涂的处于熔融状态的颗粒的直径、温度、速度及撞击于基板的位置均为Gauss型分布，对涂层形成进行了模拟研究。结果表明涂层中总是存在孔隙；熔融颗粒的平均直径愈大，则所得涂层孔隙率愈小；涂层愈厚，其表面也愈粗糙；随着熔融颗粒平均速度或平均温度的升高，涂层孔隙率与表面粗糙度均减小，这与实验观察一致。V.Teixeira等【12】通过改变沉积参数，设计了梯度涂层，使得涂层的孔隙率在向顶层方向上增加，最终减少了热传导系数。因此，通过提高涂层表面的孔隙含量，以达到降低涂层热传导率的目的。范群波等人利用网格法与蒙特卡洛随机模型，在已有数值模拟结果的基础上，模拟了不同组分配比涂层的三维形貌及二维组分分布，且能够与实验测试结果良好吻合。同传统的涂层生长模型相比，他们提出的方法摆脱了过多的人为假设，使得计算结果更加真实可信；且能与初始喷涂工艺参数联系起来，即输入一定的工艺参数，即可获得最终的涂层形貌及二维组分分布。Knotek、Cirolini等人【13】也对等离子体喷涂的过程试行计算机模拟，并初步展示了涂层内的细观结构和喷涂工艺参数的相互关系，但缺乏形成涂层内空洞的物理基础。Yanxiang Chen等人【14】将整个模拟过程分为了两步：首先是建立模型，分析单个熔融液滴在涂层表面的行为；然后通过建立一系列规则来模拟涂层的生长。此外，还考虑了喷枪角度等因素的影响。A．V．Zagomki等人【15】则采用了简化的热力学液滴模型及统计模型来描述二维情况下涂层的沉积。这些方法虽然已取得了一定的成果，但是所预测的值在很大程度上要依赖于各种人为的假设条件和变形规则，而且与喷涂基本工艺参数关系不大。也基于此，沉积过程的数值模拟往往采用大量的模型与假设，大多没有考虑实际情况简化模型，建模大多为无凝固的、二维的模型，其结果无法反映出等离子喷涂中常见的特征。