等离子喷涂

山东科技大学

«材料表面工程基础»课程论文

专业：无机非金属材料工程

班级:无极13-2

姓名：梁浩

学号：201301130412

等离子喷涂所用粉料

摘要近年来,表面工程已成为材料科学的一个重要分支,在人们的生产生活中发挥越来越重要的作用, 其最大优势是能够制备出优于本体材料性能的表面薄层,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能,以及超导、光电磁、生物相容性等功能, 这与制作部件的整体材料相比,厚度薄,面积小,但却承担着工作部件的主要功能。目前,表面工程中的热喷涂技术已在材料表面防护与强化等领域得到了较为广泛的应用。特别是等离子喷涂技术的采用,扩大了热喷涂材料种类及其涂层的应用范围,解觉了难熔材料和陶瓷材料的喷涂问题。此外,通过等离子喷涂在金属基底上喷涂陶瓷涂层,能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来,使材料兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性等性能。因此,等离子喷涂大幅度地提高了涂层质量,延长了产品使用寿命,有显著的经济效益和社会效益,已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到应用。

关键词：等离子喷涂结构图层

一等离子喷涂的原理

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采用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,其中心温度高达15000 K以上,经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷

涂粉末被粉气载入等离子焰流,很快呈熔化或半熔化状态,并高速喷打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钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。随着喷涂时间的延长,零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层。目前已发展了数十种等离子喷涂技术。根据等离子介质、喷涂环境、电源功率、特性等的不同,可分为气稳等离子喷涂( 氩、氢、氮、氦)、水稳等离子喷涂、空气等离子喷涂; 大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂、水下等离子喷涂、常规等离子喷涂、高能等离子喷涂、超高能等离子喷涂;直流等离子喷涂、脉冲等离子喷涂、射频等离子喷涂、高频感应等离子喷涂大牛等。

等离子喷涂具有许多优点: ①零件无变形,不改变基体金属的热处理性质。因此,可以对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件实施喷涂。②涂层的种类多。由于等离子焰流的温度高,可以将各种喷涂材料加热到熔融状态,因而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,特别适用于喷涂陶瓷等难熔材料。③工艺稳定,涂层质高。在等离子喷涂中,熔融状态颗粒的飞行速度可达180 ～ 480 m/s ,远比氧-乙炔焰粉末喷涂时的颗粒飞行速度45～120 m/s 高。等离子喷涂层与基体金属的法向结合强度通常为 30 ～70 MP a ,而氧-乙炔焰粉末喷涂一般为 5 ～ 10 MPa 。此外,等离子喷涂还和其他喷涂方法一样,具有零件尺寸不受严格限制,基体材质广泛,加工余量小,可用于喷涂强化普通基材零件表面等优点。

二等离子喷涂涂层研究及应用

根据等离子喷涂涂层的作用不同,可将其分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指超硬和耐磨涂层,抗氧化、耐热和阻燃涂层,耐腐蚀和装饰涂层等。功能涂层是赋予基体所不具备的性能,从而获得传统涂层所没有的功能。例如消光、光反射和光选择吸收的光学涂层,导电、绝缘和具有半导体特性的电学涂层,以及氧敏、湿敏和气敏的敏感特性涂层,生物活性涂层等。结构涂层在工业生产中的广泛而重要的应用,使其成为当前学术界研究的热点,因此近年来取得了相当程度的进展。

1耐磨涂层

耐磨涂层是等离子喷涂涂层的典型应用。在影响表面涂层摩擦磨损的众多因素中,涂层与基体的硬度搭配关系是比较重要的,据此可将耐磨涂层分为软、硬两种类型。硬涂层应用于摩擦环境比较恶劣、零件表面须承受很大载荷的工况之中。硬涂层由于材料剪切强度很高,即使其表面受到一定的摩擦力,涂层表面的材料也不容易剥落下来,因此使用硬涂层可以减少零件表面的磨损。软涂层则主要应用于要求降低摩擦因数、减小摩擦力的场合。因为摩擦力近似于材料的剪切强度与接触面积之积。软涂层在与摩件发生摩擦并受到一定的压应力时,虽然它与摩件的接触面积较之于硬涂层要大一点,但其材料的剪切强度却比硬涂层要小得多,因此使用软涂层可以起到降低摩擦力的效果。制备耐磨涂层的关键是涂层材料的选择,比较常用的耐磨涂层材料是陶瓷材料和自润滑材料。目前的研究主要集中在WC 、Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2C3、Cr2O3等常用陶瓷及陶瓷基复合涂层,这些属于

硬涂层; 石墨基和MoS2基、锡铅铜等软金属基以及氧化物和氟化物自润滑涂层,这些属于软涂层。等离子喷涂 WC /Co涂层具有优良的抗滑动磨损、磨料磨损和冲蚀磨损性能 ,有些微动磨损的场合,等离子喷涂 WC /Co涂层得到了应用,如飞机发动机压气机叶片减震凸台阻尼面。近年来的研究发现,涂层纳米化可大大提高耐磨性。人们在对耐磨涂层的研究中发现,等离子喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关。添加稀土提高了金属陶瓷涂层的致密性,从而提高涂层的内聚强度和减缓微裂纹的产生和扩展,提高耐磨性。涂层的磨损性能还会受温度的影响,这在对Al2O3涂层的研究中得到了较好的证实。Al2O3陶瓷的硬度高、耐磨性好,因而常被用作涂层材料。在对低压等离子喷涂Al2O3涂层从室温至800 ℃时的摩擦学特性的研究中发现, 摩擦磨损性能强烈地受温度的影响,随温度的升高磨损加剧。室温下涂层表面由于摩擦化学反应产生的氢氧化物薄膜减少了摩擦和磨损; 中温( 400600 ℃)时, Al2O涂层的磨损行为取决于颗粒的破碎和Al2O3晶粒的拔出; 700 ℃以上,由于细晶粒层的形成和变形,以及细氧化铝晶粒造成的磨粒磨损,更进一步促进了Al2O3涂层摩擦和磨损。实际工作中, Al2O3涂层的磨损还与载荷和滑动速度有关,且存在一个最大磨损量的载荷。在Al2O3中加入TiO2和ZrO2等陶瓷材料和固体润滑剂,有利于改善其摩擦磨损性能。

Fe -Al金属间化合物的性能介于钢和陶瓷之间,同Al2O3具有较好的适配性,被称作半陶瓷材料,可以预期,将 Fe-Al金属间化合物同