等离子喷涂技术现状及发展_陈丽梅

收稿日期:2005-09-05

作者简介:陈丽梅(1981-),女,硕士研究生,现从事等离子喷涂氧化铝陶瓷方面的研究[基金项目]:福建省科技厅科技计划重点项目(2003H024)

文章编号:1673-4971(2006)01-0001-05

等离子喷涂技术现状及发展

陈丽梅,李 强

(福州大学材料科学与工程学院,福建 福州 350002)

摘 要:从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况,指出了等离子喷涂技术的发展方向。关键词:等离子喷涂设备;测量技术;应用;发展中图分类号:TG174.442 文献标识码:A

The Present Status and Development of Plasma Spraying Technology

CHEN Li_mei,LI Qiang

(Fuzhou University,School of Materials Science and Engineering,Fuzhou 350002,China)

Abstract:In this paper,the research on the plasma spraying equipment,measuring technology and some appli cation fields of plasma spraying technology are revie wed.And the trend of development of plasma spraying tech nology is presented.

Key words:plasma spraying equipment;measuring technology;applica tion;development

0 前言

等离子喷涂属于热喷涂技术,它是将粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中,使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后,在冲击力的作用下,在基底上铺展并凝固形成层片,进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高,制备的涂层质量好,喷涂的材料范围广,成本低等优点。因此,近几十年来,其技术进步和生产应用发展很快,己成为热喷涂技术的最重要组成部分[1,2]

。表1列出了各种热喷涂方法的应用和发展情况[3]。本文着重就近年来等离子喷涂技术在喷涂设备、喷涂测量技术及其应用等方面的研究现状与发展概况进行深入探讨。1 国内外等离子喷涂设备的现状

喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究

热点。从上世纪80年代起,随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展,等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。目前,国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实

时控制技术、喷涂功率两极分化(小功率或大功率)的方向发展

[3-5]

。

表1 主要热喷涂方法的应用比例

%

热喷涂方法1960年1980年2000年丝材火焰喷涂35114粉末火焰喷涂35288丝材电弧喷涂15615等离子喷涂155548高速火焰喷涂(HVOF)

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加拿大Mettech 公司开发出的Axial III 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统,是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。与传统的枪外

第27卷第1期2006年2月

热处理技术与装备

RECHULI JIS HU YU ZHUANGBEI Vol.27,No.1Feb,2006

送粉等离子喷涂设备相比,Axial III沉积效率高、送粉速率高、孔隙率低、获得的涂层硬度高,且对粉末粒度分布要求不高。Sulzer Metco公司的Multicoat等离子喷涂系统第一次将PC计算机的先进性(过程再现、数据管理)和PLC的稳固性结合起来。Multicoat 等离子喷涂系统可以进行大气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(VPS)和超音速火焰喷涂(HVOF)。喷涂的涂层质量高、重现性好、能自动记录打印喷涂参数、自动报警和处理操作事故,是目前多功能集成等离子喷涂系统的代表。PRAXAIR-TAFA公司开发的5500-2000等离子喷涂系统则是实时控制技术的代表,它采用专有软件 实时 控制和监测等离子弧的实际能量,使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。此外,国外对小功率等离子喷涂设备的研究主要集中在枪内送粉(包括轴向和径向)和层流等离子喷涂方面。俄罗斯航空工艺研究院对层流等离子射流及其喷涂工艺已进行了多年研究,工艺已较成熟,并已在航空领域得到应用。大功率等离子喷涂系统目前比较成功的是PRAXAIR-TAFA 公司的PlazJet,其喷枪功率可以达到200kW。

我国从上世纪70年代引进美国Metco公司等离子喷涂装置起,开始了对等离子喷涂技术的研究与应用,与国外的先进水平相比,还有较大的差距。目前,从事等离子喷涂技术研究的机构有北京航空制造工程研究所(625所)、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究院等[6]。北京航空制造工程研究所(625所)研制的APS-2000型等离子喷涂设备采用了许多新技术,总体性能达到国外二十世纪九十年代水准,代表了目前国产等离子喷涂设备的最高水平。由航天科技集团公司703所研制成功的HT 200型超音速等离子喷涂设备额定使用功率为200kW,填补了我国在研制生产大功率等离子喷涂设备方面的空白。目前,在小功率喷涂设备方面,北京航空制造工程研究所(625所)也正在开展层流等离子喷涂设备的研制。

2 等离子喷涂过程测量技术的研究现状

随着等离子喷涂技术的深入发展,对涂层性能和质量实时控制的要求愈加迫切。这就需要不断研究新的测量技术,对等离子喷涂工艺过程进行在线诊断,并对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的推测。

2.1 等离子射流的表征

等离子射流温度可通过发射光谱(8000

在等离子核心,直流电弧等离子射流的速度可以使用光学方法测得,其依据是电弧根波动导致光波动传播,而在等离子焰中,可以利用与质谱仪耦合的热焓探针测量[9]。

直流等离子射流的瞬态行为通常借助于快速摄影机来研究:摄影机可以是快门时间非常短(小于10-5s)并带有运动分析器的简易数码视频摄影机、带激光闪光灯的数码或视频摄影机[7]。

2.2 等离子体和粉末之间的相互作用

等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。一般,粉末颗粒温度的确定基于测量粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪(laser Doppler velocimetry)或过境计时技术(transit timing technique)测得[7,9]。在后一技术中,速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出,或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。这些方法大部分是单颗粒法(single particle method),颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。但是,有些方法可以认为是 颗粒群技术(ensemble techniques) ,因为这些技术同时测量大量颗粒的性能,并直接得到这些参数的平均值[9-11]。到目前为止,这些颗粒群技术还只能提供粉末颗粒温度的信息,但最近已开发了一种可以测粉末颗粒速度的颗粒群技术[12]。

成像技术也可以用来探测粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置,以及炽热颗粒的密度,或者根据光信号的强度确定粉末颗粒温度和尺寸,使用双曝光技术确定速度。该测量设备中激光的引入能够测定 冷 颗粒的数量以及尺寸和速度[9]。

一些商业化的技术现在可以用于生产环境,进

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热处理技术与装备第27卷