等离子喷涂技术现状及应用

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关键词: 表面技术; 等离子喷涂; 现状; 应用 中图分类号: TQ 174
Present situation and application of plasma spraying technology
Wang Jixiao,Jiang Shiqin,Pang Fengxiang ( Harbin Welding Institute,Harbin 150080,China)
等离子喷涂基本原理如图 1 所示。它是将非金属 ( 或金属) 粉末送入刚性非转移型等离子弧焰流中加 热到熔化或 半 熔 化 状 态,并 伴 随 等 离 子 焰 流 高 速 喷 射 并沉积到预 先 经 过 处 理 过 的 工 件 表 面 上,从 而 形 成 一 种具有特殊性能的涂层。
图 1 等离子喷涂基本原理
1. 2 等离子喷涂的特点 等离子喷涂技术具有如下特点: ( 1) 可以获得各项性能的涂层。由于等离子喷涂
火焰温度极高、速度极快,几乎可以熔化并喷涂任何材 料,形成的涂层具有结合强度较高、孔隙率低且喷涂效 率高、使用范 围 广 等 优 点,故 在 航 空、冶 金、机 械、机 车 车辆等方面 得 到 广 泛 的 应 用,在 热 喷 涂 技 术 中 等 离 子 喷涂占据着最重要的地位。
国际科技合作项目: × × 高强度厚板焊接与表面强化技术( 2008DFR50070)
18 2012 年第 1 期
机械制造文摘———焊接分册
科技关注
1 等离子喷涂技术现状
等离子体是一个广义的概念,自然界除了固、液、 气 3 种物质形态外,还存在物质的第四态—等离子体。 当气体电离度大于 0. 1% 时,正离子和电子数量增多且 相等,其空间 电 荷 为 零,呈 中 性 状 态,处 于 这 种 状 态 下 的气体称为等离子体。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。 等 离 子 喷 涂 是 利 用 等 离 子 火 焰 来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层。等离子喷涂工作 气体常用 Ar 或 N2 ,再加入 5% ~ 10% 的 H2 ,气体进入 电极腔的弧状区后,被电弧加热离解形成等离子体,其 中心温度可达 15 000 ℃ 以上,经孔道高压压缩后呈高 速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉器载入等离子焰 流,很快呈熔化或半熔化状态,并高速喷射在经过粗化 的洁净零件 表 面 产 生 塑 性 变 形,粘 附 在 零 件 表 面。 各 熔滴之间依 靠 塑 性 变 形 而 相 互 连 接,从 而 获 得 结 合 良 好的层状致密涂层。等离子喷涂是热喷涂技术最重要 的一项工艺技术和方法。目前热喷涂粉末材料几乎都 可以通过此法制备成涂层。等离子喷涂正在应用的有 普通大气、超音速、可控气氛和液体稳定等离子喷涂方 法,处于研究状态的有脉冲、射频、感应耦合[1],以及反 应、用三阴极枪等离子喷枪喷涂和微等离子喷涂。 1. 1 等离子喷涂的基本原理
反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体 的化学过程制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料 的涂 层 方 法,如 TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN,Mo-MoSi2 ,MoSi2 SiC 等。其工艺过程是: 在热等离子源中,反应物( 粉 末状颗粒) 和反应气体进入等离子焰流中,并在喷射 向基体的过程中,颗粒表面形成化合物,到达工件表面 和其它材料的颗粒产生化学反应形成涂层。尽管在等 离子焰流中,反 应 物 停 留 时 间 短,温 度 梯 度 大,但 在 反 应喷涂期间 用 气 体 和 固 体 可 以 合 成 碳 化 物、硼 化 物 以 及氧化物,使 产 品 的 质 量 和 均 匀 性 都 能 达 到 冶 金 方 法 的水平。已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物、 硼化物和氧化物,尺寸为 0. 005 ~ 0. 5 μm 的微小颗粒 的固体 薄 膜。 反 应 等 离 子 喷 涂 工 艺 采 用 的 气 体 有 甲 烷、丙烯、氮气、氧气、硅烷或硼烷。这种方法的研究刚 刚开始,不久将用于生产。 1. 3. 5 超音速等离子喷涂
普通等离子喷涂粒子的飞行速度约 200 m / s,而超 音速等离子喷涂粒子速度可达 400 ~ 600 m / s,甚至更 高,从而获得的涂层更加致密,涂层的内聚强度和结合 强度更高[3],为 满 足 新 一 代 耐 高 温、抗 磨 损、低 摩 擦 系 数的等离子涂层提供技术支持。在普通喷涂方法的装 置上,对喷涂 枪 和 电 流 进 行 改 进 而 发 展 了 超 音 速 等 离 子喷涂,它的等离子焰流能量密度更高、焰 流 速 度 更 快,提高了涂层质量。而通过改变次气,使用丙烷等气 体,并通过高压点火,操作更加安全,图 4 是哈尔滨焊 接研究所引进乌克兰巴顿电焊研究所的超音速等离子 喷涂系统。
护,功能涂层的制备等,可使工件获得所需要的尺寸和 性能。热喷涂 技 术 是 随 着 现 代 航 空、航 天 技 术 的 出 现 而发展起来的,研究和应用结果表明,热喷涂技术制备 的纳米结构 涂 层 性 能 优 良,具 有 良 好 的 应 用 前 景。 如 美国海军已将热喷涂 Al2 O3 - TiO2 纳米涂层作为新型 耐磨涂层应用于船舶和舰艇。纳米氧化锆热障涂层和 纳米氧化铬耐磨抗腐蚀等陶瓷涂层正在研究中。热喷 涂的工艺方 法 有 很 多 种,其 中 应 用 较 广 泛 的 方 法 有 火 焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂( APS) 、爆炸喷涂,近年 来又发展了超音速火焰喷涂( HVOF) 技术。本文对等 离子喷涂技术做一综述。
( 2) 涂层平整光滑,可精确控制厚度。 ( 3) 涂层孔隙率低,结合度高,涂层孔隙率可控制 在 1% ~ 10% ,结合强度可达 60 ~ 70 MPa。 ( 4) 涂层氧化物和杂质含量少,与电镀、电刷、渗碳、 渗氮相比,等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。 ( 5) 喷涂过程对基体的热影响小,基体组织不会 发生变化。工件受热温度可控制低于 250 ℃ ,因此也 可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。 1. 3 等离子喷涂的分类 等离子喷涂的主要类型如图 2 所示。
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机械制造文摘———焊接分册
等离子喷涂技术现状及应用
王吉孝, 蒋士芹, 庞凤祥 ( 哈尔滨焊接研究所,黑龙江 哈尔滨 150080)
摘要: 等离子喷涂在热喷涂技术领域中占有相当重要的地位,特别是随着现代航空、航天技术的发展,高性能的陶瓷涂层 是一种具有较大发展前景的新型高温材料,它既具有无机材料的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优良性能,又能保持与原 有基材的结构强度,是目前解决高科技中材料热障、不耐磨、易腐蚀的最现实的技术方案之一,日益受到人们的广泛重视, 是一项具有广阔应用前景的技术。
Abstract: Plasma spraying plays a very important role in the field of thermal spraying technology. Especially with the develop-
ment of modern aviation and space technology,high performance ceramic coating is a kind of new high temperature materials with great prospects,which not only has the high temperature resistance,wear resistance and chemical corrosion resistance of inorganic material and other excellent properties,but also can keep the original strength of substrate structure. Plasma spraying ceramics is one of the most realistic technical schemes for the solution to high-tech materials thermal barrier and non-wear resistant and easy corrosion,which is increasingly widespread attention by people and is a broad application prospect of the technology.
液稳等离子喷涂采用水、乙醇、甲醇作为稳定 液 体,相应的产生氧化、中性或还原性的等离子体。水稳 等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度快等优点 已被广泛采用。气稳等离子喷涂( 非转移弧) 所能提 供的温度通常为 8 000 ~ 14 000 ℃ ,每千克等离子气所
产生的焓值范围为 1 ~ 100 MJ / kg。由于产生的等离子 弧空腔内壁 的 热 载 荷 的 限 制,提 供 再 高 的 温 度 或 更 大 的热焓值将非常困难。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而 形成的,从而能够提供更高的温度及热焓。目前,市场 上可提供的水稳等离子喷涂设备,其功率可达 120 ~ 200 kW,最高温度可达 50 000 ℃ ,每小时可喷涂 100 kg 金属,30 ~ 60 kg 陶瓷粉[2]。由于这种喷涂方法的功率 很大,所以特 别 适 合 喷 涂 高 熔 点 的 陶 瓷 材 料。 水 稳 等 离子技术现已投入大规模的产业化生 产,在 美 国、日 本、法国、德国、捷克和 俄 罗 斯 都 得 到 了 广 泛 的 应 用。 在我国,太原 钢 厂 首 先 引 进 了 一 台 水 稳 等 离 子 喷 涂 系 统,多年的生 产 实 践 证 明 了 该 水 稳 等 离 子 设 备 的 先 进 性和高效性。 1. 3. 4 反应等离子喷涂
用于制备金 属 陶 瓷、金 属 和 陶 瓷 涂 层。 该 喷 涂 粒 子 速 度一般在音 速 以 下,等 离 子 喷 涂 的 涂 层 质 量 不 仅 取 决 于来自百度文库涂设备 和 喷 涂 材 料 的 质 量,更 重 要 的 是 取 决 于 所 采用的喷涂工艺。合理选择等离子喷涂工艺是确保涂 层质量的重要措施之一。图 3 是 PRAXAIR 大气等离 子喷涂系统。
Key words: surface technology; plasma spraying; present situation; application
0 前言
表面技术是材料科学领域中的关键技术之一。热 喷涂技术是 表 面 工 程 学 的 重 要 组 成 部 分,它 是 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。 热 喷 涂 技 术 是 采 用 气 体、液 体 燃 料 或 电 弧、等离子弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热 到熔融或半 熔 融 状 态,并 以 高 速 喷 向 经 过 预 处 理 的 工 件表面而形成附着牢固的表面层的方法。热喷涂技术 主要用于对缺损部件的修复,高温、耐磨等部件的预保
图 2 等离子喷涂分类图
1. 3. 1 大气等离子喷涂 大气等离子喷涂是用 Ar、N2 、H2 作为离子气,经电
离产生等离 子 高 温 射 流,将 输 入 的 材 料 熔 化 或 熔 融 喷 射到工件表面形成涂层的方法。大气等离子喷涂主要
2012 年第 1 期 19
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机械制造文摘———焊接分册
图 3 PRAXAIR 大气等离子喷涂系统
1. 3. 2 可控气氛等离子喷涂 等离子喷枪置于密封舱室内,由机械手进行操作,
将舱室抽 至 真 空 状 态 进 行 喷 涂 即 为 真 空 等 离 子 喷 涂 ( VPS) ,舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂 ( LPPS) ,舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气 氛。由于低压或气氛可控,等离子焰流加长,粒子加热 更充分,氧化 减 少,涂 层 的 质 量 可 以 得 到 明 显 改 善,并 且扩大了热 喷 涂 在 沉 积 金 刚 石 膜、超 导 体 氧 化 物 涂 层 方面的应用。 1. 3. 3 液稳等离子喷涂
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