实验1-等离子喷涂

➢ （2）对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强 度，要对喷涂层进行重熔处理（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以 及热等静压等），使其性能得到提高。
➢ （3）多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致 密涂层。有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层 具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散 热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬 的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料 的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数 才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。
（3）等离子喷涂时，劳动保护要求高，因为在等 离子喷涂过程会产生剧烈噪声、强光辐射、有害 气体（臭氧、氮氧化物等）、金属蒸汽粉尘等。
➢喷涂前期工作
准备工件
工件表面净化
粗化表面
工件的喷涂
工件预热
喷砂处理
喷涂底层
喷涂工作层
涂层后处理
作业名称 脱脂去污 除锈
清洗主要方法
溶剂清洗
碱洗 酒精或油洗 机械方法 酸洗
安全使用。②对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性，不会产生副作用
。③耐人体体液腐蚀。④耐长期使用过程中的磨损。⑤具有人体运动所必
须的强度、韧性等力学性能。⑥喷涂层的多孔，性和粗糙表面，有利于生
物体组织向人工骨骼表而的生长和亲和。
化纤纺织滚筒等离子 喷涂Al2O3+TiO2 陶瓷
滚轴等离子喷涂Cr2O3陶瓷
基本参数 3相AC380V、50Hz 80KW 60V 0～800A 30-85V 恒流源 <1% 80%
➢ 喷枪
➢ 送粉器
项目内容 送粉方式 单筒容积
送粉气 送粉气压力 送粉速度 送粉精度
基本参数 双筒刮盘式
2.5升 氩气或氮气
0.8MPa 0~150g/min
±2%
➢等离子喷涂基本原理
等离子喷涂是将金属或非金属粉末通入非转移型等离子弧焰 流中加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子弧焰流，以高 速喷射并沉积到经过表面预处理后的工件表面上，从而形成 一层具有特殊性能的涂层。
点的金属涂层及陶瓷涂层有更大的优越性。
1．高温超导体制件
超导陶瓷涂层的优点：沉积速率高，容易制备厚涂层和大而积涂层，能够 喷涂具有复杂形状的超导制件，可直接在大气中喷涂，不需保护气体。等 离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BisrCaCuO)超导陶瓷涂层， 都已有应用成功的报道。在磁屏蔽、微波元件、各类传感器和量子电子器 件等方面，展示出很好的应用前景。
涂越厚其成本越高。 （3）涂层表面具有优越的抗剥离性和抗咬合性。 （4）针对截止阀、阀板及模具表面，成品可达镜
面。其平面度不大于0.005m，同时保证基体具有 原有的硬度和韧性。 实用范围：石油机械产品中的截止阀、阀板、节流 阀针头、化工涂料用耐磨板、机械密封环等，以及 需要增加强度和耐磨度的零件。
大球阀喷涂Cr2O3陶瓷防磨层
高压球阀喷涂CCR-Al2O3陶瓷
管道表面的现场修复
多孔Ti颗粒涂层 ➢强生公司
➢Striker公司 多孔Ti颗粒涂层
羟基磷灰石涂层 ➢Zimmer公司
3. Plasma
等离子体：指气体部分或全部电离（电弧放电、辉光放电、高频放
电、光致电离），形成正、负离子数量相等而整体呈中性的导电体，是 继固体、液体、气体之后物质的第四态。 等离子体是一个广义的概念。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指 气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。 用于喷涂的等离子电弧（简称等离子弧）一般都是用等离子弧发生器产 生的压缩电弧。一般阴极采用钨铈或钨钍合金材料，喷嘴阳极采用紫铜 。压缩电弧的形成是热压缩效应、自磁压缩效应和机械压缩效应联合作 用的结果。
氮气作为等离子工作气体，其具有较高的热焓值，且具有较 高的热效率。来源方便，价格便宜，成为等离子喷涂中最常 用的工作气体。由于氮气保护性差，因此在喷涂易氧化的粉 末时，是不用的。
在氮气中加入5%～20%的氢气作为等离子喷涂的工作气 体，将有助于提高等离子弧的工作电压和喷枪的使用功率。
4. Plasma spraying equipment
➢等离子喷涂特点
（1）温度高、热量集中，便于进行高熔点材料的喷涂： 金属、陶瓷及有机材料和金属陶瓷复合材料等。
（2）没有氧化性气体作工作气体，涂层中氧化物很少。 特别是若采用还原性气体（H2）和惰性气体（Ar）作为 工作气体时，适合喷涂易氧化的活性材料。
（3）喷涂后的涂层致密度高，孔隙率很低，且涂层的粘 结强度也很高；
（3）机械压缩效应
等离子是通过等离子喷枪的喷嘴喷射出来，水冷紫铜喷嘴孔径的大小限 制了等离子弧弧柱的直径大小。喷嘴孔径越小，孔道越长，对弧柱的压 缩越强，弧柱直径越小，这种对弧柱的压缩现象称为机械压缩效应。
➢等离子弧几种作用形式：
（1）非转移型弧。喷嘴接电源正极，钨极接电源负极， 电弧建立在钨极和喷嘴内表面之间，等离子焰流从喷嘴内 喷出，可用于喷涂、切割等。
可采用等离子喷涂的方法制备各种具有耐磨、耐腐蚀、耐热、耐氧化、 导电、绝缘等优异性能的涂层，操作简便、速度快、效率高。
适用于各种基体，对金属和非金属的表面均可进行喷涂。 喷涂零件的尺寸范围宽，既可作大面积的喷涂，也可对大型构件做局部
喷涂；既可用于产品制造，也可用于旧件修复等。 制备的涂层孔隙率及结合强度均优于常规的火焰喷涂，尤其对制备高熔
（2）转移型弧。工件接电源正极，钨极接电源负极，电 弧建立在钨极和工件之间，用于金属切割、粉末堆焊等。
（3）联合型弧。喷嘴和工件接电源正极，钨极接电源负 极，非转移型弧和转移型弧并存的等离子弧。联合型弧亦 可用于喷涂。
➢等离子弧的工作气体:
产生等离子弧的工作气体（又称等离子气），常用的有氮、 氢、氩、氦。具体选用哪种气体或用哪几种组成混合气体作 为工作气体，要视具体工艺要求，同时兼顾价格来定。
物理性能
密度 5.12
熔点 2265~2435
硬度HRC 60-72
热胀 系数
9.6
热导率 12.5
比热容 0.669~0.921
体积电阻 2.5×10∧3
辐射率 0.6~0.8
对磨材料 摩擦系数（f）
材料
聚四氟已烯 0.16
中碳钢 0.11
铜 0.35~0.46
石墨 0.22
腐蚀深度（mm/a）
（4）喷涂时，对工件的热变形影响很小，喷涂效率高； （5）可以较精细的控制工艺参数，制备精细涂层； （6）工件不带电、基体材料范围广。金属、石墨、水泥
制品、硬塑料、石棉、陶瓷、玻璃、木材等均可。
➢等离子喷涂缺点
（1）等离子喷涂设备投资大、成本较高，且工作 气体的纯度要求较高；
（2）小孔径孔内表面难以喷涂，这是因为受到喷 枪尺寸及喷距的限制的缘故；
喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧， 该电弧把导入的工作气体加热成高温等离子体，并从喷嘴处 喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度非常高，其中心温度 可达30000K，喷嘴出口处的稳定可达15000～20000K 。焰流速度在喷嘴处的速度可达1000～2000m/s，但迅 速衰减。
粉末由送粉器送入焰流中被熔化，并由焰流加速得到高于 150m/s的速度，喷射到基体表面上而成膜。
输入电源单相ac220v50hz输入功率200w控制类型plc控制主气类型及压力氩气氮气07mpa主气最大耗量2m次气类型及压力氢气氦气05mpa空气及压力05mpa气体使用方式氩气氩气氢气氮气氮气氢气氩气氦气氮气氦气dh1080等离子喷涂系统控制柜参数输入电源3相ac380v50hz额定输入功率80kw输出空载电压60v工作电流0800a工作电压3085v电源特性恒流源电流精度1负载率80dh1080等离子喷涂系统电源技术参数送粉方式双筒刮盘式单筒容积25升氩气或氮气送粉气压力08mpa送粉速度0150gmin送粉精度2等离子喷涂是将金属或非金属粉末通入非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态并随同等离子弧焰流以高速喷射并沉积到经过表面预处理后的工件表面上从而形成一层具有特殊性能的涂层
清洗剂品名 三氯乙烯、三氯乙烷、丙
酮 氢氧化钠、碳酸钠 酒精、汽油、柴油、煤油 车削、喷砂、砂轮打磨 硫酸、盐酸
➢喷涂后期工作
➢ （1）用于防腐蚀的涂层，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材 引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。用作封孔剂的材料很多 ，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料，如何 选择合适的封孔剂，要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多 种因素进行考虑。
气体使用方式
基本参数 单相AC220V、50Hz
200W PLC控制 氩气、氮气0.7MPa
2m3/h 氢气、氦气0.5MPa
0.5MPa
氩气、氩气+氢气、氮气、氮气、+氢气、氩气+氦气 、氮气+氦气
DH-1080等离子喷涂系统电源技术参数
项目内容 输入电源 额定输入功率 输出空载电压 工作电流 工作电压 电源特性 电流精度 负载率
送粉气流推动粉末进入等离子射流后，被迅速加热和加速，形成熔融或 半熔融的粒子束，撞击到经预处理的基材表面，在基体表面流散、变形 、凝固，后来的熔融粒子又在先前凝固的粒子上层层叠压，形成涂层。
2. Application
等离子喷涂是热喷涂的一个重要分支，特点是火焰流温度高，能熔化几 乎所有材料，因而喷涂用材广泛。
2．微电子工业
金属板(如铜、铝、钢)上喷涂绝缘陶瓷涂层，具有高热导率的金属能将强 电流所产生的热发散，陶瓷涂层提供很好的介电绝缘性能。在铜板上喷涂 Al2O3陶瓷涂层，其总热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导 率高五倍，十分有利于集成电路板的散热和提高功率。
3．生物医学
喷涂生物医学功能陶瓷涂层，具有以下特点：①对生物体无毒，适于体内
实验使用的设备型号是DH-1080型等离子喷涂系统。 DH-1080等离子喷涂系统可分为六大组件：电源；喷枪 （机装或手工）；控制柜；转接箱；送粉器；冷水机组。
➢DH-1080等离子喷涂系统控制柜参数
项目内容 输入电源 输入功率 控制类型 主气类型及压力 主气最大耗量 次气类型及压力 空气及压力
➢实施案例
碳化铬(Cr2O3)是一种墨绿色粉末，有金属光泽，属六方晶系或无定 形晶体。对化学性能十分稳定，不溶于酸 、碱、盐及各种溶剂，但溶 于热的溴化钠盐溶液。对水、光、高温腐蚀性气体（SO2、H2S）和 大气极稳定。硬度高、摩擦系数小，耐磨和抛光性能好，是优异的抗腐 蚀磨损涂层材料。
Cr2O3粉末的喷涂工艺规范宽，局部过热涂层亦不易开裂。喷涂层致 密，与基体结合强度高，能够磨削到很小的表面粗糙度。涂层具有优异 的抗磨损、自配合及耐腐蚀（适当密封处理）等综合性能。
不锈钢 0.43
1 Cr18Ni9Ti Cr2O3涂层
5%H2SO4沸点 3.18 4.06
40%HNO3沸点 1.08 6.61
5%Hcl沸点 267 6.35
10%NaOH沸点 增厚0.433 4.7
喷
涂
未喷涂
打
底
层
基打

喷
体底
涂
层层
层
（1）热压缩效应
由于水冷紫铜喷嘴孔道内壁温度很低，流经喷嘴内壁附近的气体受到冷 却，形成薄层冷气膜，其电离度很低，导电性差，迫使等离子弧集中流 过电离度高的中心部位，电弧受到冷却气流的压缩的现象。
（2）自磁压缩效应
电弧电流有一定的流向，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体。由 于平行导体间电磁力的相互作用，使弧柱各部位都受到指向弧柱轴线的 压缩力作用，弧柱直径进一步缩小。这种现象是由于电弧自身的磁场产 生的，故称为自磁压缩效应。
以氧化铬为主并含有氧化硅（SiO2）和氧化钛（TiO2）的复合氧化物 粉末。由于SiO2和TiO2的加入，该粉末的喷涂工艺性能好，与基体结 合强，涂层更加致密，耐磨性能显著提高，其抗磨料磨损性能与氧化铬 涂层提高1.5倍。
➢性能指标
（1）表面硬度可达HRC60-72。 （2）表面合金硬化层0.5mm以上，但硬化层喷
等离子热喷涂
材料学院-王庆良
➢等离子热喷涂设备
1. Indruction
等离子喷涂:
以非转移的等离子弧为热源，喷涂材料以粉末形式送入焰流中制备涂层 的一种方法。
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，通过高频火花引燃电弧，气体被加热到很高的温度（ 约15000K）而电离，在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的作 用下，从喷嘴喷出，形成高温高速等离子射流。