等离子喷涂

等离子喷涂

摘要介绍了等离子体的概念，同时引出了等离子喷涂技术，综述了等离子喷涂的原理，其国内外的研究与发展及其应用等，最后，对等离子喷涂领域中几个重要的发展趋势进行了展望。

关键词：等离子喷涂；等离子体；耐磨涂层

1 等离子体概述

等离子体是指一种电离的气态物质，被称为除了固、液、气三种物质形态以外的第四物质形态，它由具有一定能量密度分布的电子、离子和中性粒子混合而成，其外部电荷为零。等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体内部温度可达上万度，而冷等离子体又称为常温等离子体，其温度最低可接近常温。等离子态下的物质具有类似于气态的性质，有良好的流动性和扩散性。等离子体的基本组成粒子是离子和电子，因此它也具有许多区别于气态的性质，如良好的导电性、导热性。等离子体的能量密度高，仅次于激光，温度范围广，它可应用在多种不同的场合完成多种不同的工作。

2 等离子喷涂概述

等离子喷涂是基于等离子体的一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。其主要特点是1、喷涂过程对基体的热影响小,零件无变形，不改变基体金属的热处理性质。2、可供等离子喷涂用的材料非常广泛，可以得到多种性能的喷涂层。3、工艺稳定，涂层质量高。4、涂层平整光滑,可精确控制厚度。2.1 等离子喷涂的发展史

19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，等离子体实验研究由此起步。到了1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”名词描述了气体放电管中的电离气体。1928年，美国的I.朗缪尔引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。之后科学家又进一步的进行探索与研究。上世纪五十年代，一些发达国家的军工科研机构开始研究等离子喷涂，由于等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高（40～80MPa），孔隙率小于 5％，在军工部门得到广泛应用，在之后的几年内，等离子喷涂技术逐渐运用到民用产品。

2.2 国内外研究进展

随着绿色制造业的兴起，等离子喷涂技术作为主要的热喷涂技术发挥着日益重要的作用，国内外的厂家也抓住时机，正在进行着新设备的研发。当前国外先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空方向发展,同时在轴向送粉技术、液体给料、多功能集成技术和实时控制技术等方面也取得了进展。现在已经逐渐走向工业化、相对技术比较成熟的等离子设备主要包括：超音速等离子喷涂、三阴

极等离子喷涂等。现今等离子喷涂技术的研究热点主要为纳米涂层的制备、等离子喷涂成形和特种功能涂层的制备。

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，但是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。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200 kW，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。

2.3 等离子喷涂原理

等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源, 将欲喷涂粉末材料加热到熔融或半熔融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一种热喷涂表面加工方法。其喷涂原理是通过等离子喷枪(又称等离子弧发生器)产生等离子焰流。喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极，通过高频火花引燃电弧，使供给喷枪的工作气体(Ar或N2)在电弧的作用下电离成等离子体。在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进人等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求。在形成涂层过程中，单个熔融粒子为形成涂层的基本单位，其行为基本反映了涂层形成的特点。单个粒子的行为包括三个基本过程：先是将喷涂材料送入热源的过程；接着是喷涂材料与热源的相互作用过程，在热源作用下材料被加热、熔化、加速，同时还发生高温高速粒子与环境气氛的作用过程，尤其对于金属材料，热源中空气的卷入，会导致喷涂粒子与气氛反应，如氧化等；最后是高温高速熔融粒子与集体的碰撞、横向流动扁平化和急速冷却凝固。整个过程是在数十微秒的极短的时间内完成的。原理如下图所示。

图1 气稳等离子喷涂原理

3 等离子喷涂的设备

等离子喷涂设备主要有：整流电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等。另外，等离子喷涂所需要的辅助设备有：空气压缩机、喷涂机械手、工作台和喷砂设备等。

1、整流电源

喷涂用的整流电源是向喷枪供给电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。

2、控制柜

等离子弧喷涂控制柜的主要作用是控制向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及调频电流，能方便地调节水、气和电参数等并加以显示。控制柜中还务有各种保护装置，保证设备正常的工作。

3、喷枪

喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。喷枪产生高温、高速等离子火焰，粉末经送粉器被送入等离子焰中经过熔化加速过程最终喷射到东奔基材表面。喷枪是形成涂层的关键设备。喷枪由阴极、喷嘴（阳极）、朝气道与气室、送粉器、水冷密封、绝缘体及枪体构成。

4、送粉器

送粉器是贮存和向喷枪供给粉末的装置。送粉器的是向等离子喷枪均匀、定量地输送喷涂粉末。对送粉器的主要技术要求是送粉量准确度高、送粉量调节方便，以及对粉末粒度的适应范围广等。目前常用的是乔板式送粉器和带有小孔的转盘吹式送粉器，前者适用于固态流动性好的粉末，后者可用于固态流动性差的粉末和微细粉末。

5、水冷系统

水冷系统是向喷枪供给一定压力和足够流量冷却水的装置，供水装置包括