等离子和超音速火焰喷涂涂层的制备与观测_20

实验29 等离子和超音速火焰喷涂涂层的制备与观测

一、实验目的

1.了解等离子和超音速火焰喷涂的基本原理；

2.初步掌握等离子和超音速火焰喷涂设备的操作方法；

3.对等离子氧化铝涂层和超音速火焰硬质合金涂层进行显微观测；

4.对等离子氧化铝涂层和超音速火焰硬质合金涂层进行显微硬度测试；

5.了解等离子和超音速火焰喷涂各项工艺参数对喷涂涂层性能的影响；

二、实验内容

采用WC/Co 88/12粉末进行超音速火焰喷涂，Al2O3/TiO2 97/3粉末进行等离子喷涂，软钢为基本材料，喷砂工艺进行实验前的准备工作，选择合适的等离子喷涂成行工艺参数，进行喷涂实验，然后将喷涂试样分割成小块金相试样。针对WC/Co 88/12粉末，采用不同的喷嘴，了解喷嘴对喷涂质量的影响；针对等离子喷涂Al2O3/TiO2 97/3粉末，改变氢气的流速，了解氢气含量对喷涂质量的影响。

三、实验原理

超音速火焰喷涂是将大量燃料和氧气在高压下供给喷枪，使燃烧的火焰经拉瓦尔喷嘴，成超音速射流喷出，粉末被送入流动的火焰中，在运动中被加热、加速，高速喷射到金属基体上，形成涂层。等离子喷涂是利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或接近熔化状态，喷附在制品表面上形成保护层的方法。

热喷涂设备包括电气控制柜、气体控制柜、操作台、热交换器、送粉器、逆变电流、水电过渡箱、煤油泵、燃烧室压力感应装置、点火器和空气压缩机。

四、实验数据

试样形貌

样品一

100×200×

500×

样品二

100×200×

500×

样品三

100×200×

500×

工艺四：

100×200×

500×

五、实验分析

显微硬度与宏观硬度的区别在于试验时负荷大小不同。显微硬度试验可以测定宏观硬度试验无法测定的表面层硬度，比如喷涂层。通过实验数据可以看出不同的喷涂参数导致显微硬度有所变化，但宏观硬度基本无变化，说明用显微硬度测试涂层质量较好。在超音速火焰喷涂组中，不同的喷嘴导致显微硬度基本无变化；在等离子喷涂组中，氢气的流速对显微硬度造成影响，说明氢气的含量会影响涂层的质量，需要确定最优的工艺参数。

通过观察试样的显微形貌，可以看出超音速火焰喷涂的涂层与等离子喷涂的涂层有一定的区别，即超音速喷涂的涂层分为两层，而等离子喷涂的涂层分为三层，比超音速喷涂多一层熔化层，原因是超音速喷涂喷出的粉末是粒状的，而等离子喷涂喷出的粉末是熔化状态的，因此在涂层和基体之间就多了一层熔化层。在超音速火焰喷涂组中，可以看出采用不同的喷嘴，涂层的均匀性不同，在一定程度上解释了在显微硬度测试中第二组的数据变化幅度要大，说明涂层的均匀性不太好，说明采用新式的喷涂提高了涂层质量，尤其在提高均匀性方面。新式喷嘴主要采用了模拟仿真的结果，改变了喷嘴的结构，提高了气流的稳定性，故提高了涂层的均匀性。在等离子喷涂中，可以看出氢气流速的不同，导致涂层缺陷的不同，第四组的缺陷明显多于第三组，验证了显微硬度测试的结果，即第三组的显微硬度要高于第四组。氢气在等离子喷涂中提供离子，氢气流量的减少会减

弱等离子电弧，进而导致,粉末颗粒熔化不充分，孔隙较多，增加缺陷。

六、思考题

1.热喷涂技术的主要特点是什么？热喷涂包括哪几个阶段？

答：热喷涂技术的主要特点有：（1）由于热源的温度范围很宽,因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料；（2）喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制,因此可以在各种材料上进行喷涂，并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小；（3）设备简单，操作灵活，既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂。既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工；（4）喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济。

热喷涂过程包括的阶段：（1）利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态；（2）借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面；（3）沉积而形成具有各种功能的表面涂层。

2.热喷涂技术主要有哪几个？各有什么特点？

答：热喷涂技术主要有：（1）火焰喷涂；（2）爆炸喷涂；（3）超音速喷涂；（4）电弧喷涂；（5）等离子喷涂。

各自的特点：（1）火焰喷涂：可喷涂金属，陶瓷，塑料等材料，应用非常灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济型好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法；（2）爆炸喷涂：可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛；（3）超音速喷涂：粉粒温度较低，氧比较轻，运动速度高，尺寸较小，喷涂效率高，操作方便，但只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末；（4）电弧喷涂：涂层与基体结合强度较火焰喷涂高1.5～2.0倍，喷涂效率也较高，但喷涂材料必须是导电的焊丝，因此只能使用金属，而不能使用陶瓷，限制了电弧喷涂的应用范围；（5）等离子喷涂：具有超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

3.在进行等离子喷涂时，如果降低氢气的流量，冷却速率和等离子电弧的性能

会发生哪些变化？

答：如果降低氢气流量，氢气的电离量会减少，分子在形成释放的能量减少，喷枪出口温度降低，冷却功率减小；此外，氢气流量减少后，由于氢气的导热系数高，导致气流与弧柱的对流换热减弱，弧柱电压降低。