等离子喷涂解析

Plasma Spray Process
• Plasma jet can reach very high temperature > 20,000 K • Plasma disassociation 离解effect (ionization) is important to enhance heat transfer • Almost applicable to any materials: ceramics, metal, plastics, etc. •Complete melting of the particle is critical for uniform coating • Residual stress due to uneven thermal expansion is important
等离子体喷涂 Plasma spray
等离子体分类
极光、日光灯 电弧、碘钨灯
冷等离子体
热等离子体
聚变、太阳核心
低 温 高 温 等离子体 100000C 等离子体 电子温度
1eV
冷等离子体应用

等离子体的化学过程
刻蚀
化学气相沉积（成膜）

等离子体材料处理
表面改性 表面冶金

光源
冷光源（节能）
低温等离子体应用
Leabharlann Baidu

高温加热
热等离子体应用
冶金、焊接、切割

材料合成、加工
陶瓷烧结、喷涂、三废处理

光源
强光源
1、等离子体喷涂概念及原理 2、等离子喷涂的应用（包括医疗器械） 3、等离子喷涂技术

1、等离子体喷涂的概念
等离子喷涂是利用等离子焰流为热源 的热喷涂，利用等离子体枪产生的等离子 体流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔 融的状态下喷向基体材料表面形成涂层。 等离子弧产生的温度高达16000℃，喷流速 度达300-400m/s，因而可以喷涂各种高熔 点、耐磨、耐热涂层。
在医疗器械方面的应用

在生物医用方面，常采用等离子喷涂HA、 生物活性玻璃等涂层、氧化钛、氧化锆 等涂层,用于牙根种植体和人工关节柄部 等医疗器械的表面改性，提高植入体与 骨组织的结合强度。

在提高耐磨性方面，等离子喷涂技术发挥了巨大的作用， 制备的钼基合金、Al2O3-TiO2、CrC-NiCr 等耐磨涂层已 经在汽车、造纸、纺织等领域得到广泛的应用。汽车速 度的不断提高对汽车发动机运动部件的耐磨性提出了更 高的要求，使用等离子喷涂制备的复合涂层可以大大降 低材料的摩擦系数，Fukumasa等人使用特殊的喷枪制备 出银-石墨复合涂层，涂层的摩擦系数仅为青铜的 1/5， 银的 1/2。另外，WC-Co 具有优异的耐磨性能，但在等 离子喷涂过程中容易脱碳，降低了涂层的性能。Li等人 对涂层进行放电等离子体烧结（SPS），成功的恢复了涂 层中的 WC 相，使涂层近表面的硬度提高约 40%。
热等离子体表面处理技术
等离子喷涂
等离子喷涂的原理是: 气体进入电极腔内,被电弧加热离化电子和离子 的平衡混合物,形成等离子体； 通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离 子流； 喷涂粉末颗粒被加热熔化,有时还与等离子体发 生复杂的化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷 射到基体上,快速冷却,形成沉积层。
等离子体喷涂原理示意图


在圆锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧(电 流约几十至几百安培)，由阴极后方导入的气体(通常是 惰性气体氩气，Ar), 立即被电弧的高温激发，变成等离 子体， 从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出， 形 成等离子体火焰的射流(plasma jet)。 圆锥形的阴极通常用难熔金属钨制造，而阳极为铜。因 为电弧的根产生在阳极上，阳极电极需要强制水冷。 在结构上，连接拖带的只有两根电缆和气管水管，所以 可以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果作简单 的等离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里进行工 作。
等离子喷涂是集熔化—雾化—快淬—固结等工 艺于一体的粉末固结方法,形成的组织致密,晶 粒细小。 由于等离子束流的高温作用,等离子喷涂特别 适合于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层。 目前,等离子喷涂技术方面取得的最重要的进 步之一是，在工业领域引进了三阴极喷涂系统。 其技术核心是等离子喷枪有3 个阴极和由几个 被绝缘的环体串联组成的喷嘴组成,只有离阴 极相对远的最后一个环体作为阳极工作。

Plasma Spray

Thermal spray method in which a plasma jet is created by striking an arc between an anode and a cathode with a gas flowing through it. A material (feedstock) is then introduced into the plasma jet where it is highly energized, melted to a molten state and projected onto the substrate of the part being coated. The plasma spray process offers a broad base of materials (powders) including metals, ceramics, polymers and composites.
2、等离子喷涂的应用
等离子喷涂具有喷涂材料范围广、调节方便、 适应性强、喷涂气氛易控、涂层结合力强、气 孔率可调等优点。 可喷涂的材料范围不断扩大，从传统的金属粉 末到各种功能陶瓷粉末，从微米粉末到纳米粉 末都可以进行喷涂。等离子喷涂技术在国防、 航空、工业、医学等领域发挥着重要的作用。



热障是等离子喷涂材料应用最早、最广泛的功能。 使用等离子喷涂制备的热障涂层已经广泛的应用 于航天飞机发动机引擎部件、燃烧室器壁、高效 燃气轮机涡轮叶片、大型钢铁厂轧辊、核反应容 器等方面。据估算，厚度为0.4 mm的氧化锆陶瓷 涂层可使基体温度降低100-300K，从而极大地延 长了材料的使用寿命。