等离子喷涂实验

等离子体喷涂实验

一、实验目的

等离子喷涂是材料表面工程领域中应用非常广泛的一项技术，通过实验使学生加深对课堂教学内容的理解，培养学生思考问题解决问题和提高实际动手能力。要求学生熟悉和掌握等离子喷涂方法、喷涂工艺流程及喷涂设备的工作原理，使学生熟悉和掌握电弧喷涂的方法及设备的使用。

二、实验内容

正确对喷涂前的金属基材进行处理，用6轴机器人配合变位机控制喷枪运行，观察等离子喷涂过程，分析喷涂参数对等离子喷涂过程及涂层的影响。

三、实验要点

1、喷涂前粉末要进行烘干，一般在100℃以上烘干1小时左右；

2、喷砂时要先打开喷砂机的电源，然后再开压缩空气，喷砂枪与试样表面不小于60度，以免砂粒嵌入试样表面；

3、装粉末和送粉测试时一定要有口罩防护；

4、调试程序时一定不要进入机器手臂的作业半径，以免受伤；

5、等离子喷涂枪点燃前一定要注意操作间大门已经关闭，各项措施到位；

6、等离子喷涂过程中及喷涂完毕后要严格按照控制柜上的操作流程进行，并小心弧光辐射。

四、实验装置

1、空气压缩机系统一套

2、冷却系统（水冷机）一套

3、抽风系统一套

4、Metco 9MB大气等离子喷涂设备（主要包括六轴机器人、喷枪、控制柜、送粉器、配电柜）

一套

5、喷砂机一套

6、喷涂试件若干

五、实验步骤

1、等离子喷涂工艺流程

2、实验流程

1选择实验材料：试验选用粒度为200-325目（44-74 μm）的Al2O3-TiO2粉末；

2确定喷涂参数：根据粉末类型及粒度选择合适的喷涂参数；

3基体表面清洗：用丙酮或酒精清洗基体表面油污；

4基体表面粗化：对基体表面进行喷砂处理；

5粉末进送粉器: 将事先准备好的粉末装进送粉器中；

6调试喷涂程序：将处理好的试样装在夹具上，调试机器人程序，准备喷涂；

7等离子喷涂：先用等离子枪预热基体，然后送粉，喷涂。

8涂层后处理：一般包括精加工、重熔、封孔处理等。

9 涂层性能测试：一般包括结合强度、孔隙率、硬度、抗热震性能、耐磨性等。

六、实验原理

1、等离子喷涂设备的工作原理

等离子弧喷涂是利用非转移等离子弧作为热源，把难熔的金属或非金属粉末材料送入弧中快速熔化，并以极高的速度将其喷散成极细的颗粒撞击到工件表面上，从而形成一很薄的具有特殊性能的涂层。等离子弧喷涂涂层与工件表面的结合基本属于机械结合。当粉末涂层材料被等离子弧焰熔化并从喷枪口喷出以后，在高速气流作用下喷散成雾状细粒，并撞击到工件表面，被撞扁的细粒就嵌塞在已经粗化处理的清洁表面上，然后凝固并与母材结合。随后的颗粒喷射到先喷的颗粒上面，填塞其间隙中而形成完整的喷涂层。

2、等离子喷涂过程中最主要的工艺参数及其影响

主要工艺参数：等离子气体、电弧的功率、供粉、喷涂距离和喷涂角、喷枪与工件的相对运动速度、基体温度控制

①等离子气体：气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，氮气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。氩气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外氩气还有很好的保护作用，但氩气的热焓低，价格昂贵。

气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。流量过高，则气体会从等离子射流中带走有用的热，并使喷涂粒子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态，结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低；相反，则会使电弧电压值不适当，并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下，会引起喷涂材料过热，造成喷涂材料过度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集，然后以较大球状沉积到涂层中，形成大的空穴。

②电弧的功率：

电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。

而电弧功率太低，则得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。

③供粉

供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。

送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。

④喷涂距离和喷涂角

喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。

喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。

喷涂角：指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。

⑤喷枪与工件的相对运动速度

喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。也就是说，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。

⑥基体温度控制

较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。

3、等离子喷涂过程中常见工艺问题及涂层表面容易产生哪些缺陷

起粒、垂流、桔皮、泛白、气泡、收缩、起皱

七、实验数据及处理

（AT40为40%的Al2O3和60%的TiO2混合物）

八、思考题

1、等离子喷涂设备采用的是交流还是直流电源？

答：直流。

2、等离子喷涂采用的基体可以是非金属吗？

答：可以。等离子喷涂可以将异种物质通过机械结合的方式连接在一起，不受材质的限制。

3、等离子工件（基体）喷涂前为什么要进行喷砂等粗化处理？

答：喷砂是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。以压缩空气为动力，将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度，增加了和涂层之间的吸附力，有利于在喷涂时粉末与基体的结合。

4、等离子喷涂与喷涂基体的结合是冶金结合还是机械结合？

答：等离子喷涂中与基体的结合以机械结合为主，有少量的冶金结合。