等离子体加工技术

等离子体加工技术

摘要

随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。而等离子体加工技术就是一种不断发展的新型加工技术。本文简要介绍了工业用等离子体的分类及等离子体加工技术涉及的科学工程问题。围绕材料添加与去除加工，讨论了等离子体喷涂、增强沉积、离子去除等若干典型加工工艺的技术发展和应用情况，并对一些工艺中出现的现象以及某待深入研究的潜在科学问题进行了举例说明。

关键词：等离些有子体；加工；等离子体喷涂；等离子体聚合

Abstract

With the continuous development of science and technology,increasing industrial demand,a variety of high-tech equipment came into being,however, to the processing of these devices is necessary to use more advanced processing technology.The plasma processing technology is a continuous development of new processing technology.This article briefly describes the classification of industrial plasma and plasma processing technology involved in scientific engineering problems.Adding and removing surrounding material processing,Discusses the plasma spraying, enhanced deposition, ion removal, etc. Several typical processing technology development and application,And some of the processes the phenomenon appears to be in-depth study as well as some of the potential

scientific issues illustrate.

Key words: Plasma；Machining；Plasma spraying；Plasma polymerization

引言

随着科学与工程技术的迅速发展，对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。

1. 等离子体制造（加工）技术简介

等离子体的分类有多种方法，但在工业上用的等离子体通常按温度分类见表1[1]，用的较多的是非平衡等离子体和热能离子体中的低温等离子体。一般情况下，低温热等离子体比非平衡的等离子体的压力高。实际上，也正是它们的工作压力不同，使它们的作用机理发生了变化。低气压时，粒子间的碰撞频率较低，主要作用是带电粒子与被处理材料之间发生的物理过程。随着压力的增加，碰撞次数增加，化学过程开始充当主要角色。当压力进一步增加达到1×105Pa 左右时，等离子体变得更象一个热源，很多场合代替了燃烧。此时，离子与电子的温度趋于大致接近，其密度比非平衡类型的等离子体要高。

2 与等离子体制造有关的现代制造技术范畴

等离子体加工与现代制造技术关系日益密切。可以说已经涉及或渗透到几乎所有现代工业制造领域。从精密的微纳加工到大功率的金属冶炼以及废物处理，等离子体的高能量特点都发挥着其固有优势，而且有些方面已经成为不可或缺的技术手段。如在MEMS 加工领域，传统加工手段几乎是无能为力的。

目前工业上对低温热等离子体的应用主要有以下几个方面：抗腐蚀、耐磨及其它性能的表面涂层；新化学制品和新材料的研制；金属的精炼高性能陶瓷；焊接、切割；有害废物的处理；磁流体发电。

非平衡等离子的应用有以下几个方面：聚合物薄膜；磁记录介质；半导体集成电路及其他电子器件的生产；刀具、模具及工业金属的硬化；精密加工。

3 等离子体加工涉及的工程技术与科学问题

等离子体加工技术涵盖了大范围的制造领域，其结果必然使该技术涉及到深入的科学问题与广泛的工程问题。从加工设备——等离子体源的产生，到过程监控——等离子体诊断，到最终的加工对象属性——等离子体与物质的相互作用等，均将涉及多个专业或它们的相互交叉。由图3 [3]可以看出这一领域牵涉的科工程问题的丰富性。

4 等离子体加工若干领域简介

4.1 等离子喷涂技术

喷涂技术是等离子体加工领域应用最早、成熟度最高的技术之一，属于増材加工范畴，在汽车、航空航天、化工等行业均有应用。由于等离子弧焰温度高（约20000K），几乎所有能够熔化而不分解的材料均能制成涂层。例如一些飞行器的零件就是用等离子喷涂（低压LPPS 或大气APS）不同材料获得各种涂层来实现抗腐蚀和耐热的功能（如航空发动机上的热障涂层、封严涂层等等）。然而，尽管等离子喷涂技术已有40多年的发展历史且取得了很大的成就，但对这一认识的过程仍很粗浅。到目前为止在所得涂层的性能、质量与可控制的喷涂参数之间还没有一个确切的函数关系。工业生产上的应用仍是主要根据经验进行喷涂工艺试验，取得优化参数。

4.1.1 轴向送粉技术以及层流等离子体喷涂是该领域近几年出现的新趋势。

轴向送粉是对传统旁侧送粉方式的改进。传统的等离子喷涂粉末是从弧焰旁侧送入的，只有那些粒度合适的颗粒才能被很好地加热和加速。这一现象无疑对喷涂是不利的。而轴向送粉通过对喷枪结构的巧妙设计，使粉末直接送入弧焰中心，其加速和熔化程度得到了彻底的改善，喷涂速度和沉积效率大大提高，且避免了易氧化粉末的氧化（在弧焰中心被工作气体包围，基本不与空气接触），是送粉技术的一大进步。目前世界上从事轴向送粉技术研究的有加拿大、日本等国