等离子喷涂技术简介及其应用前景

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等离子喷涂技术介绍
等离子喷涂原理示意图
等离子喷涂原理示意图
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等离子喷涂技术介绍
等离子喷涂设备组成
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等离子喷涂介绍
等离子喷涂设备组成：
（1）整流主电源 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。
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等离子喷涂介绍
（2）控制柜 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。
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等离子喷涂技术介绍
等离子喷涂技术
等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之 形成涂层的热喷涂方法。
等离子体：自然界物质的第四态——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，其温度可达15000 ℃以上。
制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料涂层，如 TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN、Mo-MoSi2等。
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等离子喷涂技术分类
(4)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。 涂层更加致密，涂层的内聚强度和结合强度更高。
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2014年5月22日
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(5)液稳等离子喷涂
哈尔滨焊材所向乌克兰引进的设备
工作介质为气体时，等离子弧空腔温度很高，内壁受温 度的限制，难于提供再高的温度。
水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，能够提供更高的
温度。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 ℃。
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等离子喷涂技术特点
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等离子喷涂技术应用
（3）生物功能涂层
将等离子喷涂HAP（生物羟基活性石灰石）粉末在金属基 体上（一般为Ti基金属）形成生物涂层既突出了HAP良好 的生物活性又利用了金属材料优秀的力学性能，避免了 HAP的脆性和疲劳敏感性的问题。
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等离子喷涂技术应用
（4）其它方面的应用
除了上述应用外，等离子喷涂还应用于：超导涂层，非晶 、准晶涂层等涂层的制备。
PRAXAIR 大气等离子喷涂系统
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等离子喷涂技术分类
(2)可控气氛等离子喷涂
等离子喷枪置于密封舱室内，可形成各种不同的气氛。 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。
(3)反应等离子喷涂
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。
等离子喷涂技术应用
（3）防腐蚀涂层
Co基合金、Ni基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料，通过 提高涂层的致密性，堵住腐蚀介质的渗透，防止电化学腐 蚀。
Cr2O3碳钢涂层极化曲线
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等离子喷涂技术应用
（4）其它方面应用
除了上述应用外，等离子喷涂还应用于：电绝缘与导电涂 层、恢复尺寸涂层、间隙控制涂层等方面。
等离子喷涂应用比例：
热喷涂方法 丝材火焰喷 粉末火焰喷 丝材电弧喷 等离子喷 高速火焰喷涂
1960年 35 35 15 15 -
1980年 11 28 6 55 -
2000年 4 8 15 48 25
等离子喷涂具有哪些优异的特性呢？
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等离子喷涂技术特点
（1）可以获得各项性能的涂层 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。且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。
（2）涂层氧化物和杂质含量少 由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧 化。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
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等离子喷涂技术特点
（3）涂层性能好 涂层平整光滑，可精确控制厚度。涂层孔隙率低，结合 度高，涂层孔隙率低，可控制在1% ～ 10%；与基体结 合强度可达60 ～ 70 MPa。
（4）等离子弧：噪声大，对人皮肤、眼睛辐射较大
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等离子喷涂存在问题及展望
发展趋势及展望
等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术，在近代工业中 地位越来越重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不 断扩展，但有以下问题需要解决：
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等离子喷涂存在问题及展望
发展趋势及展望
（1）研制全方位微电脑控制的高能、高速、高焓的新型 等离子喷涂设备 （2）合理选择喷涂工艺,优化工艺参数 （3)进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理,寻求消除 或减少孔隙率的方法 （4）研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生 气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机
近年来，等离子喷涂技术开始运用于高新技术领域如 纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂 层等。
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等离子喷涂技术应用
（1）耐磨涂层
陶瓷和金属陶瓷涂层，可以使零部件具有高的硬度，优 异的耐磨性，而且涂层摩擦系数小。 喷涂材料一般选用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末
Cr2O3·5SiO2·3T iO2涂层
等离子喷涂技术
Plasma Spraying Technology
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主要内容
等离子喷涂介绍 等离子喷涂技术分类 等离子喷涂技术特点 等离子喷涂技术应用 问题及展望
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等离子喷涂技术介绍
热喷涂技术
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。
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等离子喷涂存在问题及展望
等离子喷涂存在问题：
（1）工艺问题： a.预热问题 b.工件及涂层的温度控制 c.孔隙率高、易引入缺陷
(2)参数多——十多个 参数多达几十个，相互影响 控制作出实时调整？
喷涂过程实现在Baidu Nhomakorabea反馈
（3）涂层硬度高 保证涂层薄、近终成型减少加工
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等离子喷涂存在问题及展望
等离子喷涂存在问题：
热喷涂过程是采用气体、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。
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等离子喷涂技术介绍
热喷涂技术
热喷涂的工艺方法有很多种，根据加热源的不同可分为： 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂( APS) 、爆炸喷涂
除了传统邻域，近年来等离子 喷涂在高新技术领域也有应用
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等离子喷涂技术应用
（1）纳米涂层
等离子喷涂技术作为一个传统的涂层制备手段用于喷涂纳 米涂层具有独特的优势。如低成本、高效率，适于工业化 生产，所得涂层硬度高、耐磨性好、与基体结合强度高。
不同载荷下微米AT13涂层与纳米13AT涂层的磨损体积损失比较图
Al2O3·40%T iO2涂层
等离子喷涂陶瓷水压元件实例
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等离子喷涂技术应用
（2）耐热涂层
耐热涂层多应用于高温工程，它包括抗高温氧化、高温隔 热等。一般采用氧化铝作为耐热涂层，广泛用于航空发动 机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面。
未经喷涂处理
经喷涂处理
1Cr18Ni9 Ti钢表面喷涂NiCrAl + (Z25rO2 + Y2O3 ) 陶瓷涂层隔热实验
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等离子喷涂介绍
（3）喷枪 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。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。
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等离子喷涂介绍
（4）送粉器 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。
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等离子喷涂(a)双技层涂术层(D应C) 用
（2）梯度功能涂层（FGMs）
陶瓷材料质脆、对应力集中和裂纹敏感、抗热震性差且 与金属基体物理性能不匹配，使涂层产生较大的内应力， 从而导致涂层的结合强度下降。在应用时常会发生涂层开 裂或剥落等现象。
等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和 复合材料涂层，这就为功能梯(b)度梯度材涂料层（的GC发） 展提供了广阔的 空间。
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等离子喷涂介绍
（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， 供水装置包括增压水泵和热交 换器。
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等离子喷涂介绍
（6）气体供给系统 供气系统包括工作气和送粉器的供气系统，主要由气瓶、 减压阀、储气筒、流量计等 组成。
储气瓶
减压阀
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流量计
主要内容
等离子喷涂介绍 等离子喷涂技术分类 等离子喷涂技术特点 等离子喷涂技术应用 问题及展望
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等离子喷涂技术分类
根据工作介质的不同，可分为：气体稳定等离子喷涂和 液体稳定等离子喷涂。
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等离子喷涂技术分类
(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用于制 备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。
（4）对基体热影响小 工件受热温度可控制低于250 ℃，喷涂基体组织不易发 生变化；可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料 上喷涂，可喷涂范围广泛。
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主要内容
等离子喷涂介绍 等离子喷涂技术分类 等离子喷涂技术特点 等离子喷涂技术应用 问题及展望
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等离子喷涂技术应用
从上世纪50 年代至今，等离子喷涂技术应用领域由航 空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺 织机械、船舶等。