等离子喷涂技术的应用
一、引言
热喷涂技术是表面工程学的重要工艺方法之一，它是一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热等性能。而等离子弧喷涂技术是热喷涂技术中应用最广的一种方法。等离子弧喷涂射流速度高，气氛可控、火焰温度高，工艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等。所制备的耐磨、耐蚀、红外辐射、化学催化及多种功能涂层的应用，提高了材料整体性能和使用寿命，有效地解决了高性能材料性能价格比矛盾[1]。因此近年来等离子弧喷涂技术进步和生产应用发展很快，现已广泛应用于核能、航空、航天、石化、机械等领域[2]。
等离子弧喷涂技术最早在航空、航天部门得到应用，迄今为止，高温等离子弧喷涂在此领域的应用仍超过其它领域。航天、航空作为等离子弧喷涂最大最稳定的应用市场，今后将保持稳定并得到增长，在涂层技术及喷涂工艺方面也将不断得到改进和完善。
二、等离子喷涂的发展
等离子喷涂(APS)是以电弧放电产生的等离子体为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子喷涂是热喷涂的一个重要分支，它是20世纪50年代随着现代航空航天和原子能工业技术的出现而发展起来的；当时对高熔点、高纯度、高强度的涂层提出需求，促使人们对高热源、高喷速、改善喷涂气氛等方面进行了研究，从而在50年代末，美国Plasma-dyne公司首先研制出等离子喷涂设备。等离子喷涂技术自其问世以来，一直受到极大的关注，已成为现代工业和科学技术各个领域广泛采用的先进加工手段[3]。
由于等离子射流能够熔化几乎所有的固体材料，因此等离子喷涂技术可以形成涂层的种类及其应用极其广泛。等离子喷涂技术的发展主要集中在喷枪功率的提高以及送进粉末方式的改良两大方面。目前，特别是在轴向送粉方式等离子喷枪研制方面取得了巨大的进展。
20世纪80年代以前，等离子喷涂技术的发展主要体现在等离子电弧的功率的提高，即最大功率从50年代的20KW，到60年代的40KW，70年代的80KW级。采用水作为等离子工作介质，使电弧电压大幅度提高，从而使电弧功率可以达到250KW。80年代中期超音速等离子喷涂采用普通的工作气体如氩气，其功率也达到了200KW[4]。等离子电弧功率的提高大幅度提高了等离子射流的热焓。这类高能等离子喷涂系统的主要特点应为涂层制备效率高，用于高熔点陶瓷材料的喷涂成形更有效[5]。
当前，热喷涂技术已在航天、航空、机械、冶金、化工、石油，煤炭，铁道，纺织，交通运输等部门获得了越来越多的应用，取得了明显的技术经济效益。可以预见，随着我国的工业进步，热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决过去传统加工方法无法解决的问题，已经成为我国现代工业中不可或缺少的一中表面技术[6]。
三、等离子喷涂原理、特点、设备
3.1.等离子态和等离子体
等离子态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引、使物质成为正负带电粒子存在的状态；由于其具有独特的性能，被称为物质的第四态[7]。
等离子体是一种由自由电子、正离子、中性原子和分子组成的电离气体云。等离子体的产生是由于有足够的能量传递给气体而引起其电离。例如，如果气体被加热到50000C以上，化学键会发生断裂而其原子进行非规则的运动，这就引起原子碰撞造成一些电子脱离原子核，而失去了电子的原子核，就成为带正电荷的正离子。当气体经历了这一离子化过程，就成为等离子体。[1]
3.2.等离子弧及其产生原理
众所周知，等离子喷涂是通过等离子弧加热溶化喷涂粉末粒子而实现的。电弧是在两电极间产生强烈而持久的一种气体放电现象。当用开关电器断开电流时，如果电路电压不低于（10~20）V，电流不小于（80~100）m A，电器的触头间便会产出电弧。电弧本身是高温导电率的游离气体，它的形成就是在电极触头之间的中性质点（分子和原子）被游离的过程。开关触头分离时，触头间距离很小，如果电场强度（E=U/d）超过3*106V/m，阴极表面将发生强电场发射，即阴极表面的电子被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。然后，这些自由电子和触头间原有的少数电子，在电场力的作用下向阳极作加速运动，并且在途中不断地和中性质点相碰撞而打出电子，形成自由电子和正离子（碰撞游离）。新形成的自由电子又向阳极作加速运动，也会与中性质点碰撞而发生游离。碰撞游离连续进行的结果是触头间充满了电子和正离子，具有很大的电导；在外加电压下，介质被击穿而产生电弧。
等离子弧属于压缩电弧。电弧的阴极一般采用钨电极（通常是W-TH），阳极接喷嘴（前枪体）和/或工件，两者之间加上一个较高的电压。经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。
3.3.等离子体喷涂的基本原理
等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。产生等离子弧的设备是等离子喷枪，它由钨电极、前枪体、后枪体、送粉管、工作气体和气管、电源和控制器等部分组成。进行喷涂时，喷枪的钨电极（阳极）和喷嘴（前枪体——阳极）分别接电源的负极和正极，工作气体（根据工艺需要采用氮气、氩气或混入5%～15%的氢气等）经进气管进入喷枪，在弧柱区发生电离而形成等离子体。但是，前枪体和钨电极之间是有一段距离隔开的，故电源的空载电压加上后并不能立即产生电弧，而是要在前枪体和后枪体之间并联一个高频电源，接通后在钨电极与前枪体间发生火花放电，才能引燃电弧。电
弧引燃后，再把高频电路切断。工作气体在引燃后电弧压缩作用，温度升高，喷射速度增大，形成高温高速等离子射流从喷嘴喷出。此时从送粉管送入粉状喷涂材料，使其在等离子焰流中被加热到熔融或半熔融状态，并被加速而向经预处理的工件表面喷射和撞击，发生流散、变形和凝固，沉积于工件表面而形成涂层。
3.4.等离子喷涂的工艺流程
喷涂工艺术包括以下四个基本工序—表面预处理、预热、喷涂、涂层后处理。为使涂层与基体材料很好的结合以及满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括表面预加工、净化、粗糙化和黏结底层等几步操作。预热目的是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层/基体界面温度，减少基材与涂层材料的热膨胀差异造成的残余应力，以避免涂层开裂和提高涂层与基材的结合强度。预热湿度取决于工件的大小、形状和材质以及涂层材料的热膨胀系数等因素。喷涂这是整个喷涂工艺的主体和关键工序，其他的工序都是为了保证此步而进行的。喷涂的操作主要是选择喷涂方法和确定喷涂参数。涂层的后处理有些涂层在喷涂后不能直接使用，而须进行各种后续处理。[1]
3.5.等离子喷涂的特点、设备
等离子喷涂是近十年间发展起来的一项新工艺，由于等离子喷焰具有温度高(超过一切己知物质的熔点)、速度大(通常为100一1000米/秒)、气氛可控的特点，是在普通材料上涂敷各种耐高温、耐研磨、耐腐蚀和其他特殊性能的涂层的有力工具。实跷表明，和火焰喷涂及电弧喷涂相此，用等离子喷涂方法得到的涂层密度较高，和基材桔合较好。
等离子喷涂全套没备中包括喷抢、送粉器、控制柜、电源系统、水路气路系统、通风抽尘等保护投备。[8]
四、等离子体喷涂技术的应用
4.1．复合润滑涂层：
现代科学技术的发展使得材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视,迫切要求发展相适应的高温润滑材料，而等离子喷涂技术能够制备具有极佳相容性的高温润滑涂层。
研究表明,选择高温润滑材料及其它成分组合,采用最佳工艺方法,发挥润滑层组元的复合效应,是解决高温固体润滑问题最有希望的途径,从而,复合润滑涂层是值得重点推荐的一种高温固体润滑涂层。复合润滑涂层[9]是指通过多种成分的组合,发挥各组元之间的复合效应而获得最佳摩擦性能的润滑层。
在设计这种复合润滑涂层时,应选择高温的润滑层。在设计这种复合润滑涂层时,应选择高温下有良好润滑性能的固体润滑剂[10],能增强结合力的粘结剂和增强抗磨损性能及抗氧化性能的成分,并要有合适的配比[11,12]。
由于等离子可获得高温、超高速的热源,沉积速率高,尤其适合复合涂层的制备。涂层的梯度结构缓和了涂层内部的物理性能差异,致使涂层的组织和物化性
能也为连续过渡,避免了基体到涂层的组织、性能的突变,缓解了界面处的应力集中,改善了涂层界面的结合状况,从而使涂层的硬度得到平缓过渡,连续分布。所以，与单层涂层相比,涂层成分分布的梯度化使涂层与基体的的结合强度得到了明显的提高,梯度涂层的整体性能优于单层结构的涂层。
目前，低摩擦因数固体润滑涂层在许多领域得到了广泛应用,探索新型固体润滑涂层体系及其制备技术是摩擦学研究的热点[13-16]。近年来,镍基、钴基和铁基等自熔性合金涂层被广泛应用于材料表面保护及工件修复,特别是在大型进口设备的维修及关键部件的替代方面,具有明显的经济效益和社会效益[17,18]。镍基自熔性合金在常温和较高的温度下具有优良的耐磨、耐热和抗氧化性能。
4.2．陶瓷涂层
陶瓷材料的不足之处是抗弯强度低、韧性差，属本质脆性材料，在很大程度上影响了其在结构件上的应用。为改善其脆性，增加强度，通常以陶瓷复合材料形式出现，但也存在不少问题。因此，利用热喷涂技术在金属表面上制备陶瓷涂层，将其特点与金属材料的优点结合起来，获得各种功能的表面强化涂层[19,20]，正在成为当代复合材料及其制品领域的一个重要分枝。[24] 陶瓷涂层在航空、航天、汽车、船舶等方面的应用。航空发动机的关键部件是高温合金涡轮叶片和涡轮盘。高温合金的一个重要发展趋势就是高温隔热涂层(热障涂层)，热障涂层和叶片冷却技术可使叶片耐温能力提高约450℃。这些涂层可用于小型火箭发动机喷管、返回地面人造卫星回收天线、非水冷汽车发动机等[21]。此外，航天火箭发动机喷嘴、燃烧舱、超音速飞机及返回卫星外整流罩、航天飞机隔热瓦等也都使用了高温等离子弧喷涂层。
陶瓷涂层在汽车、船舶领域的应用和发展。在汽车工业中，汽车新型发动机热喷涂市场潜力很大，在今后10年内有很大发展潜力。如热障涂层在燃气涡轮发动机和汽车发动机上大有作为。燃气发动机上的一些承受高温部件，采用等离子弧喷涂的ZrO
2
热障涂层，使涂层部件的工作温度提高150-200℃，提高了发动机的热机效率，燃油消耗可降低7%。另外，因为发动机高温零件无需冷却系统，可减轻发动机重量，同时提高了部件的耐磨性，延长了使用寿命[22]。船舶及火车机车用发动机涂层应用与汽车发动机类似，NiCrBSi及WC涂层用于轮船螺旋
桨可获得较好防气蚀性能，ZrO
2
,Al涂层用于舰船壳体防腐取得十分满意的效果。用于车、船发动机的抗热涂层，近年来发展研究较多的是金属一陶瓷梯度涂层。
陶瓷涂层在刀具、模具中的使用。在陶瓷涂层市场中，刀具、模具所占的比例甚大，用超硬陶瓷涂层延长了刀具、模具的使用寿命，并提高切削效率。陶瓷涂层刀具由于硬度高、耐热粘结性强、化学稳定性高、切削韧性好、切削性能优良等优点，目前己成为刀具发展的一个引人注目的方向。陶瓷涂层刀具的第一、
二代产品有TiC、TiN、HfC、HfN、Ti(CN)及A1
2O
3
等单、双或三涂层刀具，并己
发展到第三代甚至第四代产品。
陶瓷涂层在电力电子领域中的应用。在电力电子行业，陶瓷涂层也是大显身手。在金属板上热喷涂绝缘陶瓷涂层所形成的金属陶瓷复合材料是微电子工业中理想的基板材料。高热导率的金属将强电流所产生的热量迅速散发，而陶瓷层则提供优良的介电绝缘性能。
五、等离子体喷涂的未来发展趋势
5.1．应用上的发展趋势
耐磨涂层在汽车发动机上的应用。目前，美国福特、德国奔驰、日本丰田等公司都积极制订或实施发动机热喷涂层研究与发展计划，拟在汽车发动机汽缸内衬、排气口活塞端面等部位使用热障涂层。在活塞环、阀、凸轮、曲轴等部位使用耐磨涂层，这些涂层将大大提高部件寿命、性能，从而提高发动机热效率、减少油耗、降低废气排放。据有关试验表明，使用上述涂层技术，可使汽车发动机节约8%燃油、提高5%动力，减少尾气中CO、HC物质排放10%以上[23]。总之，在未来的几十年里，涂层应用在汽车发动机的规模应当相当迅速，是除航空、航天领域之外涂层应用的又一大市场。
陶瓷涂层在冶金工业和机械工业中的应用。金属的冶炼、热加工和热处理都必需在高温下进行。为了防止金属的高温氧化、渗氮和渗氧，往往在金属表面施涂热处理保护涂层。工件涂上这种涂料后能在热处理过程中形成高粘度低膨胀系数的玻璃相致密保护层，以阻止气体的扩散。工件冷却后涂层亦会自动剥落。热处理保护涂层能节约金属原材料，减少零部件的机械加工量，提高金属表面质量。
陶瓷涂层在生物医学方面的应用。如在不锈钢、钻基合金、钦和钦合金等医用金属材料上涂覆轻基磷灰石等生物陶瓷涂层能改善金属与人体的生物相容性，使植入体与骨骼结合牢固，具有很好的应用前景。
在化工、石油工业中使用的主要是抗氧化和防腐蚀涂层。一般使用金属和氧
化物涂层，如NiCr、NIAI、NiAICrY、A1
2O
3
等。用A1
2
O
3
、A1
2
O
3
一TiO
2
涂层加在
石化工业阀柱、接头件表面，可成功解决冒滴漏的问题。[24]
5.2．研究的热点问题
智能涂层[25]是一种人造的、能够对某一外部刺激，比如：温度、应力、应
变或环境等，有选择提供(作出)最佳反应的涂层系统。智能涂层是具有自选择或自适应功能的涂层,它们具有自修复、自清洁、自润滑、抗菌、耐腐蚀、以及能够对酸碱度、温度或光线强度等等的变化作出反映等特性。智能涂层的理论研究在国际上引起人们的广泛的兴趣，已经成为纳米科学技术和材料学研究的热点之一[26]。
纳米结构材料在固体自润滑涂层中的应用将会为高温润滑涂层的发展带来革命性的影响。纳米级的颗粒决定了其具有更高的比表面积，易于制造高强度、高韧性、高耐磨性的涂层。可以使润滑涂层的厚度大大降低，从而不影响产品的精度。但是控制纳米级润滑涂层的结构和成形是比较困难的，这也是高温固体润
滑涂层研究的热点之一。
随着纳米材料研究的逐步深入，目前关于纳米材料的应用化问题日益受到人们重视，目前，在高质量陶瓷粉体制备方面己取得重大进展，有些方法已在工业中应用，但是，如何充分利用这些纳米材料，如何发挥纳米陶瓷的潜在优异性能，是当前亚待解决的问题。以往人们对纳米陶瓷的应用研究主要集中在纳米陶瓷块体材料领域，随着研究的深入，关于纳米陶瓷在涂层领域的应用研究引起人们的广泛关注。
近年来，随着纳米科学技术和热喷涂技术的不断发展，有关纳米结构陶瓷涂层的研究已成为纳米陶瓷应用的一个热点领域[27-29]。我国已将纳米涂层材料的制备和应用研究列为国家“十五”期间材料领域重点研究的方向之一[30]。纳
米材料的两大特性可用于制备纳米结构涂层，一是大量晶界的出现，它和涂层的物理和化学性能密切相关，如低温延展性、超塑性、高电导率、抗热震性和抗腐蚀性等。二是由于小尺寸效应，形成一些异常相。即当晶粒尺寸变得非常小时，大量的表面能对Gipps自由能的形成有贡献[31-33]。但是由于纳米粒子体积极小，表面能大，导致其在喷涂领域中的应用又与传统喷涂粉末有所不同。
采用热喷涂技术制备纳米结构陶瓷涂层是一项跨学科的交叉技术。研究开发时间较短，涂层的制备方法也比较单一、涂层性能还没有完全达到设计要求。因此利用热喷涂技术制备纳米结构涂层的发展空间还很大[34]。
5.3.等离子喷涂设备自身的发展
随着等离子喷涂技术在越来越多的领域得到应用，等离子喷涂技术也取得了长足的进步，微机技术和电力电子技术的迅猛发展必将极大的推动弧焊设备的发展，从而推动等离子喷涂技术在材料以及工艺上取得突破，使得等离子喷涂技术得到进一步发展。从总体看，随着对等离子喷涂技术的不断重视，人们对其研究也将不断深入，喷涂系统也将不断优化，随着新型电源、自动控制技术以及计算机技术、材料的不断发展，等离子喷涂的应用也将越来越广。
六、等离子喷涂设备的急需解决的问题
6．1.建立规范的质量保证体系
与现代电子、计算机技术、传感器、测试技术、自动化技术、机器人技术、真空技术相结合，通过对工艺参数、材料的规范化，建立起规范的等离子弧喷涂的质量保证体系，从而实现工业化批量生产的产品的质量可靠性、稳定性和重现性[35]。
6.2.先进的工艺与方法
求能从根本上解决涂层同金属基体界面的结合问题的方法，及以低成本、高效率获得无缺陷涂层的工艺。
6.3.工作环境的改善
等离子弧或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红外、紫外线等对人眼、皮肤伤害极大，因此需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弧喷涂机，因而可从根本上改善工作环境。
6.4．性能的改善
国产等离子弧喷涂机的性能不稳定，在工作中常断弧，其原因是电控系统不稳定，有必要迅速改进。
6．5.金属基涂层的研究
发展新涂层，解决涂层与金属基体热膨胀系数匹配问题，从而提高涂层与基体的结合力;发展更加合适的喷涂技术，简便的、成本低的、生产效率高以及产生无缺陷涂层的喷涂技术是今后的发展方向;为了保证涂层的可靠性，除了从工艺上尽量保证涂层的均一性及完整性之外，应对涂层性能进行准确评价，因而无
损探伤是一项急待开展的工作;探索准确测定涂层的一些基本性能如韧性、粘接强度等的方法;继续加强基础学科涂层的物理与物理化学基础的研究。
七、总结
等离子喷涂技术是一种材料表面强化和表面改性的新技术，可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热等性能。凭借其喷涂射流速度高，气氛可控、火焰温度高，工艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等等特点，现已广泛应用于航天、航空、机械、冶金、化工、石油，煤炭，铁道，纺织，交通运输等部门。本文重点讲述了等离子喷涂在复合润滑涂层与陶瓷涂层的应用，并对等离子喷涂的原理、特点、设备做了简要介绍，结合众多资料阐明了等离子喷涂在应用上的发展趋势，当前的研究热点问题与等离子喷涂设备自身发展及其需要解决的问题。
随着我国的工业进步，热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决过去传统加工方法无法解决的问题，已经成为我国现代工业中不可或缺少的一中表面技术。
总之，等离子喷涂是一种工艺，它需要在工艺上创新，同时在关键材料的制备上也要创新，只有各个系统有机统一地结合起来才能真正地解决过去传统工艺无法解决的问题，为人类造福。
等离子喷涂技术的现状与展望 程越 机电院学号：2010235 摘要：综合分析了国内外等离子喷涂技术的现状, 着重阐述了今后的发展趋势, 并希望这一技术在我国的工业生产中发挥更大的作用。关键词：等离子喷涂实时诊断智能控制 1概述 随着现代科技和工业的发展, 对材料的性能提出了愈来愈高的要求, 不同的领域对材料的性能要求也有很大的差别, 即对于同一零部件的不同部位所要求的性能亦有所不同。因此, 寻求各种功能材料,甚至是智能材料已经成为当今世界的热门研究课题之一。 等离子喷涂技术是获得材料表面功能涂层的有效手段, 具有生产效率高、涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优点。因此, 近十几年来, 该技术的进步和生产应用发展很快, 现已广泛用于核能、航天航空、石化、机械等领域。 欧美国家从事等离子喷涂技术的研究工作较早, 现已形成大规模的开发、研制、生产基地。涌现出一批大型跨国公司, 如美国的Miller公司、METCO公司、瑞士的Castolin公司, 并分别开发了自己的系列产品, 不断加以改进。如METCO公司从最初的3M系统发展到了现在的10M 系统。最近又推出了计算机控制的等离子喷涂系统, 配有AR-2000 型6关节机器人, 可对不同部件进行编程, 制订不同的喷涂工艺, 具有菜单式软件驱动,可实时监测和记录等离子喷涂工艺参数, 并加以闭环控制。 日本虽然起步较晚, 但非常注重引进世界一流的设备和技术, 并加以发展。特别是近年来, 日本在等离子喷涂技术方面的研究异常深人, 大有后来居上之势。 在1992年第十三届国际热喷涂会议上, 共提交论文250多篇。其中美国110篇, 日本40篇, 德国24篇,中国12 篇, 其它多来自欧洲国家。在编人会议论文集的161篇文章中, 我国只有2 篇人选。由此可看出在一定程度上反映了各国的发展水平。 与先进国家相比, 我国在等离子喷涂技术研究上投入的人力、物力较少, 而又分散在多家研究机构。如武汉材料保护研究所、航天部625所、清华大学、华南理工大学、沈阳工业大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究所。这样, 其研究能力就显得更加势单力薄。80年代初, 武汉材保所和航天部625所, 在METCO公司7M 系统的基础上, 分别研制出可控硅整流等离子喷涂系统, 可惜未能形成生产能力和继续发展。近年来, 我国对等离子喷涂技术的研究工作多集中在涂层性能及喷涂工艺方面。国内从事等离子喷涂设备生产的仅几家小厂, 技术力量薄弱, 尚不具备开发、研制能力, 所生产的机型落后, 技术水平低。 2等离子喷涂电源及改进 目前, 等离子喷涂技术正朝着高效、大功率方向发展。但现已商品化的等离子喷涂系统多采用传统的整流式电源, 不仅能耗高, 而且体大笨重, 不便于现场使用。作为世界一流的METCO公司所生产的等离子喷涂设备中, 其电源也是晶闸管整流式, 其整机重量930kg。体积为690mm（长）╳1230mm（宽）╳1220mm（高）。目前, 使等离子喷涂设备实现节能和小型化已成为一个重要的研究课题。 瑞士的castolin、公司最近率先推出了小型的晶体管式等离子喷涂电源, 其设计紧凑,
由几个零部件磨损，导致北京地铁四号线电扶梯发生故障，而造成人员伤亡的案件，至今仍让人深感痛惜。事件过后，人们不禁反思，几个小小零部件的磨损果真有这么大的威力吗？毋容置疑，得到的答案是肯定的。事实上，据国外统计资料表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，约有80%的机器零部件都是因为磨损而失效，每年因此而造成的损失也是相当巨大。因此，发展表面防护和强化技术，也得到世界各国的普遍关注，这也极大推动了表面工程技术的飞速发展和提高。表面工程技术能够制备出优于本体材料性能的表面薄层，赋予零部件耐高温、耐磨损及抗疲劳等性能。其中，等离子喷涂作为是表面工程中的一项重要技术，因其具有涂层硬度高、耐磨性能优异等优点，已在国民经济的各个领域获得广泛应用。经过整理搜集，下面慧聪小编就为大家简单介绍下等离子喷涂技术。 一、等离子喷涂的工作原理： 等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂，指利用等离子弧将金属或非金属粉末加热到熔融或半熔融状态，并随高速气流喷射到工件表面形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术。其中等离子弧是一种高能密速热源，当喷枪的钨电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接电源负极和正极（工件不带电）时，通过高频振荡器激发引燃电弧，使供给喷枪的工作气体在电弧的作用下电离成等离子体。由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。 等离子喷涂工作原理 点击此处查看全部新闻图片 二、等离子喷涂的特点：
1、由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用，所形成的非转移型等离子弧可以获得高达10000摄氏度以上的高温，且热量集中， 因此可以熔化各种高熔点、高硬度的粉末材料。 2、等离子焰流速度高达1000m/s，喷出的粉粒速度可达180-600m/s，因此可以获得组织致密、气孔率低、与基材结合强度高(65-70MPa)、涂层厚度 易于控制的喷涂层。 3、等离子喷涂过程中零件不带电，且受热温度低(表面温度一般不超 过250℃），因此喷涂过程中零件基本无变形，母材的组织性能亦无变化，且 不改变其热处理性质。特别适合于高强度钢材、薄壁零件、细长零件等的喷涂。 4、效率高。等离子喷涂是，生产效率高。采用高能等离子喷涂设备时，粉末的沉积率可达8kg/h。 三、等离子喷涂耐磨涂层的应用： 摩擦、磨损是一切机器设备工作中存在的普遍现象，有相当一部分零 部件是由于摩擦磨损而造成失效报废的等离子喷涂涂层最典型的应用就是耐磨 涂层。等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层，不仅可以使零部件具有高的硬度，优 异的耐磨性；而且涂层摩擦系数低，能耗小，在机械、航空等领域应用广泛。 喷涂材料一般选用Al 2O 3 、Cr 2 O 3 、TiO 2 等陶瓷粉末。 减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层，在边界润滑条件下，可表现出极好的耐磨性，有优异的抗粘着磨损能力。同时，由于喷涂工艺的要求，可使涂层结合强度高，孔隙率低,质量优异且稳定。如在内燃机钒钦灰铸铁活塞环上等离子喷涂 Mo+28%NiCrBS复合材料涂层代替镀铬，涂层厚度0.5~0.8mm，硬度1100HV。即使在较高温度下，即使时间延长，涂层硬度也不会发生改变；并且，在相同的工况下，摩擦系数从原来的0.110下降到0.089，显示出喷铝涂层在有润滑条件下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬时的摩擦高温，是目前理想的活塞环涂层。 四、等离子喷涂其它涂层的应用： 1、耐热涂层耐热涂层多应用与高温工程，它包括抗高温氧化、高温隔热等，一般采用氧铝作为耐热涂层，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，起隔热作用。现有的高温合金（如高温镍合金使用的极限温度为1075摄氏度）和冷却技术都难以满足设计要求，解决这一问题的办法就
水稳等离子喷涂是占据重要地位的气稳等离子喷涂的另一种选择。它的优点突出：功率大、成本低、喷涂速度高。在热喷涂技术向大产值和大批量迈进的形势下，这项技术开始受到更多的重视和应用。 一、概述 早在八十年前，德国西门子公司的技术人员就提出了水稳等离子弧的概念。尽管人们对这种电弧形式已认识很久，但对其性能及对该电弧工艺的控制却知之甚少。上世纪50年代，欧洲的科学家对该项技术进行了大量的实验室研究，60年代末，水稳等离子工艺被最终用于切割和热喷涂。目前，水稳等离子已成功地推向市场，应用于多种工业领域。 气稳等离子喷涂（非转移弧）所能提供的温度通常为8000°C ― 14000°C，每公斤等离子气所产生的焓值大体为1 ~ 100MJ/Kg。由于弧室壁的热载荷的限制，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。 迄今，市场上可提供的水稳等离子喷涂设备，其功率可达120 ~ 200Kw，最大温度可达50000度，每小时可喷涂近100公斤金属，30-60公斤陶瓷粉。 二、工作原理 水稳等离子弧产生的基本原理如图1所示。首先，水呈切线方向注入弧室从而产生水漩涡，起弧便发生在水漩涡的中心。水漩涡内径的部分流入了出水孔。传导弧心所散发的能量通过辐射、热传导和紊流导入水涡流的内侧。于是，水的蒸发、热气的受热与电离便产生等离子弧。水蒸发的速度与到达水表面的功率大小有关。其它所转移的能量被弧束与水表面之间的蒸气所吸收，并产生热量进而使蒸气电离。当然，一部分热能也随水而流走。 三、水稳等离子（LP）的特点 当前工业上所采用的典型的水稳等离子(LP)喷涂设备是捷克布拉格等离子物理研究所指导开发 的PAL160型。该系统是由特殊形状的腔室、旋转冷却的阳极和自耗石墨阴极构成。系统的核心是阴阳两极之间的起弧过程，起弧是靠切线方向输入的水流中央的金属丝打火所引发。该过程依靠外层水流来冷却腔壁，而不必象气稳等离子弧那样，需要两套独立的工艺–稳弧与冷却。但水稳等离子弧工艺具有弧焰不太稳定，电极易腐蚀等缺点。 很明显，气稳等离子弧（GP）适用于对喷涂质量要求高、喷涂面积小、工艺精细的作业，喷涂材料一般较为特殊、价格较昂贵；而水稳等离子喷涂(LP)则是用于大面积、高速率作业，尤其适用于批量喷涂氧化物材料，对于大量生产球形粉末材料也是最佳的选择。 四、水稳（LP）和气稳等离子(GP)喷涂优缺点的比较 气稳等离子（GP）喷涂 优点： 机械结构较为简单 起弧较容易 电极寿命长 燃烧稳定 独立的气流与压力控制 效率更高 缺点： 载气价格昂贵 两种介质体系（稳弧及冷却） 喷涂速率小 对喷涂材料质量要求高 水稳等离子（LP）喷涂
等离子喷涂参数的选择 1. 气参数（流量） 主气的流量是重要的工艺参数之一，它直接影响到等离子焰流的热焓和速度，继而影响喷涂效率和涂层孔隙率等。当喷涂功率一定时，主气流量过大或过小均会导致喷涂效率的降低和涂层孔隙率的增加（热喷涂与再制造）。气流量过大，离子浓度减少，过量的气体会冷却等离子的焰流，不利于粉末的加热，粉末熔化不充分，使喷涂效率降低，涂层组织疏松，孔隙率增加；反之主气流量太小，会使焰流软弱无力，次级气在工作气体中的相对含量增加，造成射流热焓和温度的提高，使喷涂粉末过熔。 次级气的流量变化主要反映在喷涂电压的变化上。 送粉气的压力和流量对涂层质量的影响也很大。对外送粉喷枪而言，送粉气对涂层质量的影响尤其严重。如图所示，送粉气压力和流
量过小会使粉末难以到达焰流中心，过大则会使粉末穿过射流中心，产生严重的“边界效应”，致使涂层疏松，结合强度降低。对于内送粉喷枪而言，送粉气压力和流量过大同样不能把粉末送入焰心，若过小，则易造成堵塞喷嘴，严重时则会烧坏喷嘴（热喷涂与再制造）。若要很大送粉气压力和流量才能把粉末送入焰心，则须检查供粉系统的气密性，是否漏气。 所以送粉气的压力和流量应根据送粉量的大小、粉末的比重、粉末的流动性以及供粉系统的性能、射流的功率和刚性来选取。 2. 电参数 （1）功率 输入功率大小首先要满足能够将粉末熔化良好。形成涂层的粉末所需的热功率应为： 式中：Gf——单位时间的送粉量 T0，Tm，Tr——粉末原始温度、粉末熔点和粉末过热的温度；
Cs，Cm——粉末固态和熔态的比热； Hr——熔融粉末材料在Tr下的热焓增量。 根据等离子焰流能量利用系数ηf，可估算出喷嘴出口处等离子体的热功率qp： 最后按喷枪效率η，可估算出所需输入的功率P： 式中：0.24——电能转变为热能的系数 一般来说，采用较高的功率值比较好。一般等离子喷涂常用的功率为20~35 kW，而HEPJet高效能超音速等离子喷涂常用的功率为45~65 kW。 （2）电压和电流 等离子弧电压是由喷枪结构和工作气体决定的。可以通过调节阴极与喷嘴间的距离和变化工作气体的成分来调节弧电压（热喷涂与再制造）。在已选定喷枪结构和主气体流量为一定值的情况下，电压与电流的调节可以通过改变电源调节器和H2流量来进行调节。应当注意的是当改变电压或电流时，主气的流量也会相应的有些变化，因此为了保证稳定的喷涂参数，当调节电压和电流时要适时的调节并维持主气流量不变。 功率确定后，应尽可能选用较高电压和较低电流，这样有利于提
等离子喷涂涂层研究进展 引言 等离子喷涂是热喷涂最常用的技术之一，它是将粉末原料送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。由于等离子喷涂具有等离子弧温度高，能量集中，焰流速度快，稳定性好、调节性好，形成涂层结合强度高，孔隙率低且喷涂效率高诸多优点；涂层可以对材料表面进行强化和修复，还可以赋予材料表面特殊的性能等，因此等离子喷涂技术已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到了广泛的应用【1-3】。 长期以来，模拟等离子喷涂过程中的涂层沉积都是一个非常困难的问题。这是因为涂层的形成过程实际上是不同种类、大小、形状、速度、熔化状态的颗粒高速沉积在基体表面并相互作用的堆叠过程。熔融颗粒在快速冷凝时可能因应力存在而发生翘曲现象；而液滴高速撞击在基体表面又可能导致飞溅等现象出现，同时，会产生微观缺陷。受基体温度、喷涂工艺、快速冷却及其它的因素的影响，涂层的性能会发生很大的变化。而涂层的性能由喷涂时所发生的动力学和热传输过程及凝固过程所决定，因此，研究喷涂过程对于优化工艺参数、如何对喷涂工艺的控制实现智能化，并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入研究的问题。 1 等离子喷涂涂层机理及过程分析 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为电源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子喷涂的基本原理【4】：喷枪的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的负、正极，向喷枪供给工作气体（氮气、氩气或5%-10%氢气），通过高频火花引燃电弧，气体被加热到很高的温度（其中心温度可达15000K以上）而电离，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出，速度可高达1.5Km/s。喷涂粉末被送粉气流载入呈等离子焰流，很快形成熔融或半熔融状态并高速撞击到经预处理的基材表面产生塑性变形，粘附在零件表面，后来的熔融粒子又在先前凝固的粒子上层叠压，从而获得良好的层状致密涂层。 目前，等离子喷涂装置多采用侧面垂直注入，如图a所示。等离子体火焰的最高温度区位于阳极最外部，粉末仍然能够有效地被加热融化。
等离子喷涂设备的工作原理 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。 等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。 <1>等离子的形成（以N2为例）： 0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动； 大于10°k时，开始旋转运动； 大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子： N2＋Ud——>N＋N 其中 Ud为离解能 温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中 Ui为电离能 气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。 等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。
<2>喷涂原理： 等粒子喷涂原理如图5－9所示。 等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。 按接电方法不同，等离子弧有三种形式： ①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。 等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。 ②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。 等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的是这类等离子弧。 ③③联合弧:非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。这种情况喷嘴，工件均接在正极。 等离子喷焊采用这种等离子弧。 进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达; 15000～20000°k。焰流速度在喷嘴出口处可达
收稿日期:2005-09-05 作者简介:陈丽梅(1981-),女,硕士研究生,现从事等离子喷涂氧化铝陶瓷方面的研究[基金项目]:福建省科技厅科技计划重点项目(2003H024) 文章编号:1673-4971(2006)01-0001-05 等离子喷涂技术现状及发展 陈丽梅,李 强 (福州大学材料科学与工程学院,福建 福州 350002) 摘 要:从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况,指出了等离子喷涂技术的发展方向。关键词:等离子喷涂设备;测量技术;应用;发展中图分类号:TG174.442 文献标识码:A The Present Status and Development of Plasma Spraying Technology CHEN Li_mei,LI Qiang (Fuzhou University,School of Materials Science and Engineering,Fuzhou 350002,China) Abstract:In this paper,the research on the plasma spraying equipment,measuring technology and some appli cation fields of plasma spraying technology are revie wed.And the trend of development of plasma spraying tech nology is presented. Key words:plasma spraying equipment;measuring technology;applica tion;development 0 前言 等离子喷涂属于热喷涂技术,它是将粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中,使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后,在冲击力的作用下,在基底上铺展并凝固形成层片,进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高,制备的涂层质量好,喷涂的材料范围广,成本低等优点。因此,近几十年来,其技术进步和生产应用发展很快,己成为热喷涂技术的最重要组成部分[1,2] 。表1列出了各种热喷涂方法的应用和发展情况[3]。本文着重就近年来等离子喷涂技术在喷涂设备、喷涂测量技术及其应用等方面的研究现状与发展概况进行深入探讨。1 国内外等离子喷涂设备的现状 喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究 热点。从上世纪80年代起,随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展,等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。目前,国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实 时控制技术、喷涂功率两极分化(小功率或大功率)的方向发展 [3-5] 。 表1 主要热喷涂方法的应用比例 % 热喷涂方法1960年1980年2000年丝材火焰喷涂35114粉末火焰喷涂35288丝材电弧喷涂15615等离子喷涂155548高速火焰喷涂(HVOF) -- 25 加拿大Mettech 公司开发出的Axial III 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统,是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。与传统的枪外 第27卷第1期2006年2月 热处理技术与装备 RECHULI JIS HU YU ZHUANGBEI Vol.27,No.1Feb,2006
等离子喷涂技术的现状与展望 笑嘻嘻 机械11-3 学号：2011 摘要：综合分析了国内外等离子喷涂技术的现状, 着重阐述了今后的发展趋势, 并希望这一技术在我国的工业生产中发挥更大的作用。关键词：等离子喷涂实时诊断智能控制 1概述 随着现代科技和工业的发展, 对材料的性能提出了愈来愈高的要求, 不同的领域对材料的性能要求也有很大的差别, 即对于同一零部件的不同部位所要求的性能亦有所不同。因此, 寻求各种功能材料,甚至是智能材料已经成为当今世界的热门研究课题之一。 等离子喷涂技术是获得材料表面功能涂层的有效手段, 具有生产效率高、涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优点。因此, 近十几年来, 该技术的进步和生产应用发展很快, 现已广泛用于核能、航天航空、石化、机械等领域。 欧美国家从事等离子喷涂技术的研究工作较早, 现已形成大规模的开发、研制、生产基地。涌现出一批大型跨国公司, 如美国的Miller公司、METCO公司、瑞士的Castolin公司, 并分别开发了自己的系列产品, 不断加以改进。如METCO公司从最初的3M系统发展到了现在的10M 系统。最近又推出了计算机控制的等离子喷涂系统, 配有AR-2000 型6关节机器人, 可对不同部件进行编程, 制订不同的喷涂工艺, 具有菜单式软件驱动,可实时监测和记录等离子喷涂工艺参数, 并加以闭环控制。 日本虽然起步较晚, 但非常注重引进世界一流的设备和技术, 并加以发展。特别是近年来, 日本在等离子喷涂技术方面的研究异常深人, 大有后来居上之势。 在1992年第十三届国际热喷涂会议上, 共提交论文250多篇。其中美国110篇, 日本40篇, 德国24篇,中国12 篇, 其它多来自欧洲国家。在编人会议论文集的161篇文章中, 我国只有2 篇人选。由此可看出在一定程度上反映了各国的发展水平。 与先进国家相比, 我国在等离子喷涂技术研究上投入的人力、物力较少, 而又分散在多家研究机构。如武汉材料保护研究所、航天部625所、清华大学、华南理工大学、沈阳工业大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究所。这样, 其研究能力就显得更加势单力薄。80年代初, 武汉材保所和航天部625所, 在METCO公司7M 系统的基础上, 分别研制出可 控硅整流等离子喷涂系统, 可惜未能形成生产能力和继续发展。近年来, 我国对等离子喷涂技术的研究工作多集中在涂层性能及喷涂工艺方面。国内从事等离子喷涂设备生产的仅几家小厂, 技术力量薄弱, 尚不具备开发、研制能力, 所生产的机型落后, 技术水平低。 2等离子喷涂电源及改进 目前, 等离子喷涂技术正朝着高效、大功率方向发展。但现已商品化的等离子喷涂系统多采用传统的整流式电源, 不仅能耗高, 而且体大笨重, 不便于现场使用。作为世界一流的METCO公司所生产的等离子喷涂设备中, 其电源也是晶闸管整流式, 其整机重量930kg。体积为690mm（长）╳1230mm（宽）╳1220mm（高）。目前, 使等离子喷涂设备实现节能和小型化已成为一个重要的研究课题。 瑞士的castolin、公司最近率先推出了小型的晶体管式等离子喷涂电源, 其设计紧凑,
等离子体技术与应用 学号 队别 专业 姓名
摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的
论文题目：等离子喷涂氧化钇部分稳定氧化锆-漂珠复合涂层的组织与性能研究 研究方向：表面工程材料 题目来源：国家部委省市厂、矿自 选有无 合同 经费 数 备注 √ 题目类型：理论 研究应用 研究 工程 技术 跨学科 研究 其他应用研究 A：研究生论文选题的来源及意义 工程应用背景 热障涂层系统（TBCs，Thermal Barrier Coating Systems）通常是指沉积在金属或其他物质表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层。其主要功能是降低高温环境下零部件的基体温度，以避免其被高温氧化、腐蚀或磨损。金属氧化物及其复合材料相比其他材料而言具有更低的热导率，而且其在富氧的高温环境中具有更好的稳定性，因此成为理想的热障涂层材料。目前，使用等离子喷涂制备的热障涂层已被广泛地应用于航空发动机热端部件、燃烧室器壁、大型钢铁厂轧辊、核反应容器等，用来降低基体的工作温度。采用大气等离子喷涂（APS）方法在MCrAlY (M: Ni,Co或NiCo)粘结低层上喷涂ZrO2-(6～8 wt.%)Y2O3（YSZ）是最常用的TBCs体系。 伴随现代航空工业的快速发展，热端部件的工作条件越来越苛刻，进而对零部件的性能提出更高的要求。例如，直升机高新工程发动机排气系统排气管工作时表面温度高达600℃。排气管隔热材料要求具有防火性能，而且密度低，不影响飞机整体结构设计，隔热效率要高，且能在较小的厚度下将排气管的温度阻隔到其要求的温度以下。 当前工程主要采取在尾喷管外表面捆绑陶瓷隔热材料的方式进行隔热，隔热效果基本能够满足要求，但是其结果却是重量超出了一倍左右，从而带
来了较大的重量代价，不能完全满足工程上所要求的技术性能指标，因此必须研制一种轻质防火隔热材料，以满足新一代热端部件的热防护要求。 选题的意义 我们通过对漂珠的简单分析研究发现其可能是一种能满足上述工程需求的较为理想的材料。漂珠的主要化学成分为硅、铝的氧化物，其中二氧化硅约为50－65%，三氧化二铝约为25－35%。因为二氧化硅的溶点高达摄氏1725度，三氧化二铝的溶点为摄氏2050度，均为高耐火物质。因此，漂珠具有极高的耐火度，一般达摄氏1600－1700度，使其成为优异的高性能耐火材料。质轻、保温隔热。漂珠壁薄中空，空腔内为半真空，只有极微量的气体（N2、H2及CO2等），热传导极慢极微。所以漂珠不但质轻（容重250－450公斤/m3），而且保温隔热优异（导热系数常温0.08－0.1），这为其在轻质保温隔热材料领域大显身手奠定了基础。硬度大、强度高。由于漂珠是以硅铝氧化物矿物相（石英和莫来石）形成的坚硬玻璃体，硬度可达莫氏6－7级，静压强度高达70－140MPa，真密度2.10－2.20克/cm3，和岩石相当。因此，漂珠具有很高的强度。一般轻质多孔或中空材料如珍珠岩、沸岩、硅藻土、海浮石、膨胀蛭石等均是硬度差、强度差，用其制的保温隔热制品或轻质耐火制品，都有强度差的缺点。他们的短处恰恰是漂珠的长处，所以漂珠就更有竞争优势，用途更广。粒度细，比表面积大。漂珠自然形成的粒度为1－250微米。比表面积300－360cm2/g，和水泥差不多。因此，漂珠不需粉磨，可直接使用。细度可满足各种制品的需要，其他轻质保温材料一般粒度都很大（如珍珠岩等），如果粉磨就会大幅度增加容量，使隔热性大大降低。在这方面，漂珠有优势。 综上所述，基于氧化锆导热率低和漂珠材料密度小、中空、隔音、耐火、耐磨的特点,我们提出采用等离子喷涂经过团聚处理的纳米氧化锆／氧化钇／漂珠三元陶瓷热障涂层体系,为研究开发适用工程要求的热障涂层材料开辟了一条新途径,具有重要的科学技术意义和工程应用价值。
2007年第7 期 总第1028 期2007年10月 等离子喷涂技术现状及发展 陈丽梅，李强 （福州大学材料科学与工程学院，福州350002） 摘要：从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况，指出了等离子喷涂技术的发展方向。 关键词：等离子喷涂设备；测量技术；应用；发展 等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体（射频放电）中或等离子射流（直流电弧）中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高，制备的涂层质量好，喷涂的材料范围广，成本低等优点。因此，近几十年来，其技术进步和生产应用发展很快，己成为热喷涂技术的最重要组成部分。表1列出了各种热喷涂方法的应用和发展情况。本文着重就近年来等离子喷涂技术在喷涂设备、喷涂测量技术及其应用等方面的研究现状与发展概况进行深入探讨。 1 国内外等离子喷涂设备的现状 喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究热点。从上世纪80 年代起，随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展，等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。目前，国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术、喷涂功率两极分化（小功率或大功率）的方向发展。
加拿大Mettech 公司开发出的Axial III 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统,是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。与传统的枪外送粉等离子喷涂设备相比,Axial III 沉积效率高、送粉速率高、孔隙率低、获得的涂层硬度高,且对粉末粒度分布要求不高。Sulzer Metco 公司的Multicoat 等离子喷涂系统第一次将PC 计算机的先进性(过程再现、数据管理) 和PLC 的稳固性结合起来。Multicoat等离子喷涂系统可以进行大气等离子喷涂(APS) 、真空等离子喷涂(VPS) 和超音速火焰喷涂(HVOF) 。喷涂的涂层质量高、重现性好、能自动记录打印喷涂参数、自动报警和处理操作事故,是目前多功能集成等离子喷涂系统的代表。PRAXAIR - TAFA 公司开发的5500 - 2000 等离子喷涂系统则是实时控制技术的代表,它采用专有软件“实时”控制和监测等离子弧的实际能量,使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。此外,国外对小功率等离子喷涂设备的研究主要集中在枪内送粉(包括轴向和径向) 和层流等离子喷涂方面。俄罗斯航空工艺研究院对层流等离子射流及其喷涂工艺已进行了多年研究,工艺已较成熟,并已在航空领域得到应用。大功率等离子喷涂系统目前比较成功的是PRAXAIR - TAFA公司的PlazJet ,其喷枪功率可以达到200 kW。 我国从上世纪70年代引进美国Metco公司等离子喷涂装置起，开始了对等离子喷涂技术的研究与应用，与国外的先进水平相比，还有较大的差距。目前，从事等离子喷涂技术研究的机构有北京航空制造工程研究所（625所）、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究院等。北京航空制造工程研究所（625所）研制的APS-2000 型等离子喷涂设备采用了许多新技术，总体性能达到国外二十世纪九十年代水准，代表了目前国产等离子喷涂设备的最高水平。由航天科技集团公司703所研制成功的HT-200 型超音速等离子喷涂设备额定使用功率为200 kW，填补了我国在研制生产大功率等离子喷涂设备方面的空白。目前，在小功率喷涂设备方面，北京航空制造工程研究所（625所）也正在开展层流等离子喷涂设备的研制。 2 等离子喷涂过程测量技术的研究现状 随着等离子喷涂技术的深入发展，对涂层性能和质量实时控制的要求愈加迫切。这就需要不断研究新的测量技术，对等离子喷涂工艺过程进行在线诊断，并对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的推测。
定义：利用两根形成涂层材料的消耗性电极丝之间产生的电弧为热源，加热熔化消耗性电极丝，并用压缩气体将其雾化和喷射到基体上，形成涂层的热喷涂方法。 电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂方法。电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。 电弧喷涂长效防腐复合涂层是指电弧喷涂金属涂层外加封闭涂层的复合涂层，电弧喷涂金属涂层主要有电弧喷涂锌、铝及其合金涂层，封闭涂层包括封闭底层、封闭中间层和封闭面层。电弧喷涂长效防腐复合涂层对钢铁基体的防腐原理是物理屏蔽和阴极保护联合作用，封闭涂层的主要作用是物理隔离各种腐蚀介质对金属喷涂层和钢铁基体的侵蚀，电弧喷涂金属涂层对钢铁基体提供牺牲自己保护钢铁的阴极保护作用。喷锌或铝后封闭处理所形成的复合涂层，其耐蚀性比喷锌或铝涂层和封闭涂层两者单独耐蚀寿命值之和要高出50~130%。这种效应被称为最佳协同效应（Synergy Effect电弧喷涂长效防腐复合涂层的寿命推算公式为：复合涂层防腐寿命=（喷铝涂层寿命+封闭涂层寿命）×1.5～2.3。 2、等离子喷涂： 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。 <1>等离子的形成（以N2为例） 图8 等离子体发生过程示意图。 0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动； 大于10°k时，开始旋转运动； 大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子： N2＋Ud——>N＋N 其中 Ud为离解能 温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中 Ui为电离能 气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。 等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。 <2>喷涂原理： 图9 等粒子喷涂原理
等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源, 将欲喷涂粉末材料加热到熔 融或半熔融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一种热喷涂表面加工方法。 其喷涂原理是通过等离子喷枪(又称等离子弧发生器)产生等离子焰流。喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极(工件不带电)，通过高频火花引燃电弧，使供给喷枪的工作气体(Ar或N2)在电弧的作用下电离成等离子体。在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进人等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求。 在形成涂层过程中，单个熔融粒子为形成涂层的基本单位，其行为基本反映了涂层形成的特点。单个粒子的行为包括三个基本过程：先是将喷涂材料送入热源的过程；接着是喷涂材料与热源的相互作用过程，在热源作用下材料被加热、熔化、加速，同时还发生高温高速粒子与环境气氛的作用过程，尤其对于金属材料，热源中空气的卷入，会导致喷涂粒子与气氛反应，如氧化等；最后是高温高速熔融粒子与集体的碰撞、横向流动扁平化和急速冷却凝固。整个过程是在数十微秒的极短的时间内完成的。 涂层的结合机理包括涂层与基体表面的结合及涂层内聚的结合。前者的结合强度称结合力，后者的结合强度称内聚力。研究和经验表明，涂层与基体表面间的“宏观”界面结合以机械结合为主，物理、化学结合为辅，涂层片层状颗粒之间的“微观”界面结合可能属于物理-化学结合的成分更多一些。 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。 等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。 <1>等离子的形成（以N2为例）： 0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动； 大于10°k时，开始旋转运动； 大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子：
反应等离子喷涂的发展及其应用 摘要：反应等离子喷涂试自蔓延高温合成（SHS）同等离子喷涂技术结合而发展起来的新技术。本文综述了反应等离子喷涂的特点，涂层的种类以及涂层应用的领域。并提出了需要研究的问题，展示了反应等离子喷涂的应用前景。 关键词：反应等离子喷涂；涂层种类；应用领域 0 前言 传统等离子喷涂具有焰流温度高，能量集中，粒子飞行速度快等特点[1]。自蔓延合成（SHS）也称燃烧合成（CS），是利用化学反应自身放热制备材料的新技术，在常规制备方法中难以得到的陶瓷、金属间化合物等高熔点、高性能的材料方面显示出巨大的优越性[2]。将等离子喷涂和自蔓延高温合成相结合，充分发挥两种工艺的特点，逐渐发展成为反应等离子喷涂[3]。 1 反应等离子喷涂的特点 反应等离子喷涂是基于一定的燃烧合成反应实现的，将等离子喷涂和燃烧合成结合，充分发挥两种工艺的各自优点，利用等离子焰流来控制燃烧合成的反应程度。反应等离子喷涂有两种，一种是S-S反应，这种反应所用粉末一般为高放热反应体系的复合粉末，另一种是S-G反应。在喷涂过程中，喷涂材料在飞行过程中与反应气体发生反应，最终反应产物沉积到基体上形成涂层。利用等离子焰流作为热源，引发所喷涂粉末发生燃烧合成反应，反应放出的热量使反应产物迅速升温，从而在焰流中合成所需产物，并以极高的速度喷出，沉积到基体上形成涂层。由于产物的合成以及涂层的形成几乎同步完成，因此，反应等离子喷涂具有很高的生产效率。反应等离子喷涂不仅可以用于制备氮化物和硼化物陶瓷涂层，还可制备原位合成的金属/陶瓷复合涂层，能够显著改善单一陶瓷涂层韧性差的缺点，提高涂层的机械性能。 反应等离子喷涂涂层呈波浪式堆叠在一起的典型的层状组织结构，硬质相和基体相变形粒子互相交错。合成反应热与等离子弧热叠加，有利于高熔点硬质相的熔化，克服了传统等离子喷涂金属-硬质相粉末时硬质相分布不均匀、组织粗大、熔化不完全等缺点[2]。
山东科技大学 等离子喷涂粉料的研究 课程论文：材料表面工程基础 学院：材料科学与工程学院 专业：无机非金属材料工程13-2 姓名：刘凤军 学号：201301130414 2016年4月12日
等离子喷涂粉料的研究 刘凤军无机非金属材料工程13-2 201301130414 摘要：随着科学技术的不断发展，人们对机器零部件表面性能的要求也越来越高，一股的金属材料和工程合金，在表面的耐磨性，耐腐蚀和耐高温等方面，已远远不能满足要求。等离子喷涂技术和其它喷涂方法(氧己快火馅喷涂、金属电弧喷涂)相比，可以熔化一切难熔金属和非金属粉末，使普通材质的零件表面获得一层具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等各种不同性能的涂层。它可以达到提高机器设备零部件的表面质量、延长使用寿命、修复已损缺的旧件等目的。它还具有喷涂效率高，涂层致密、与基体的拈结强度高、零件热变形影响极小等优点。因此，等离子喷法技术在现代工业和尖端科学技术中得到了广泛的应用． 关键字：等离子喷涂陶瓷粉料氧化铝氧化锆碳化物等 一：等离子喷涂的基本原理及特点 基本原理：等离子喷涂基本原理是将金属（或非金属)粉末通过非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流，以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。 喷涂特点：1．可以获得各种性能的涂层，2．喷涂后的涂层致密和粘接强度高，3．喷涂后涂层平整、光滑，并可精确控制，4.等离子喷涂能获得含氧化物少，杂质少，很纯洁的涂层，5.喷涂时对工件的热变形影响小，无组织变化，6.喷涂效率高，7.喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作。 喷涂缺点：小孔径孔内表面难以喷涂，原因是喷枪尺寸及喷距限制。其次是由于高温、高速等离子焰流产生剧烈噪声、强光辐射、有害气体[如具氧、氮氧化合物等)，金属蒸汽、粉尘、对人体有害，需采取防护措施。 二：喷涂材料的分类及特点 喷涂材料按形状分，可分为线材及粉末两大类；按成分组成分，可分为金属，非金属及复台材料三大类。 金属及其合金线材．一般用于火焰及电弧喷涂。金用及其合金粉末一般用于火焰喷涂及喷熔，等离于喷涂和等离子弧堆焊。陶瓷材料一般为高熔点材料．主要用于等离子喷涂和爆炸喷涂。塑料粉末一般用于火馅及等离子喷涂。复合材料线材可用于火焰及电弧喷涂，粉末则用于火焰、等离子及爆炸喷涂。 喷涂材料应具备的特点： 1．热稳定性好热喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐 高温。即在高温下不改变性能。2．使用性能好根据对工件的要求，由喷涂材料形成的 涂层应满足各种使用要求(如耐磨、耐蚀等)、即喷徐材料也必须具有相应性能。3．湿润性能好湿润性能的优劣关系到涂层与基体的结合强度，涂层自身的致密度。液态流动性好，则得到的徐层也平整。因此，要求喷涂材料具有良好的湿润性。4．固态流动性好(粉末) 为保证送粉的均匀，要求粉末材科具备良好的固态流动性。粉末固态流动性与粉末形状、 湿度、粒度等因素有关。5．热膨胀系数合适若涂层与工件热胀系数相差甚远，则可能导致工件在由涂后冷却过程中引起涂层龟裂。因此，喷涂材料应与工件有相近的热胀系数。