第25卷 第7期 无 机 材 料 学 报
Vol. 25
No. 7 2010年7月
Journal of Inorganic Materials
Jul. , 2010
收稿日期: 2009-09-24, 收到修改稿日期: 2009-12-01
基金项目: Chine-France PRA dans ledomaine des mat é riaux 2002 under grant PRA MX02-03 (C.Coddet & C.Ding) 作者简介: 梁 波(1968?), 男, 博士, 教授. E-mail: liangbo@https://www.doczj.com/doc/4512198347.html,
文章编号: 1000-324X(2010)07-0695-05 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2010.00695
纳米造粒料等离子喷涂氧化锆涂层的热物性研究
梁 波1,2, 蔡 岸2, 陈 煌3, 丁传贤2
(1. 燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室, 秦皇岛 066004; 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海200050; 3. 韩国鲜文大学 界面工程实验室, 韩国 牙山 336708)
摘 要: 利用大气等离子喷涂技术和纳米粉体造粒料, 制备了3mol% Y 2O 3部分稳定ZrO 2热障涂层. 利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)研究了涂层的显微结构, 采用差示扫描量热仪(DSC)、激光脉冲法热导仪对涂层的热物理性能进行了实验研究和理论分析. 结果表明: 利用纳米粉体造粒料和等离子喷涂技术可获得导热系数为0.63~0.80W/(m ·K)的热障涂层. 原因在于涂层显微结构中大量分布均匀的微小气孔和平均长度在十几微米的、垂直于热流方向的层状微裂纹. 相变可导致涂层热物性变化异常. 热处理后涂层的晶粒长大和气孔率降低可导致导热系数升高.
关 键 词: 纳米粉体; 等离子喷涂; 氧化锆涂层; 热物理性能 中图分类号: TQ174 文献标识码: A
Thermophysical Properties of Air Plasma Sprayed Zirconia Coating Deposited
by Reconstituted Nanosize Particles
LIANG Bo 1,2, CAI An 2, CHEN Huang 3, DING Chuan-Xian 2
(1. State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 3.Interface Engineering Laboratory, Depart-ment of Materials Engineering, Sun Moon University, ChungNam 336708, South Korea)
Abstract: ZrO 2-3mol% Y 2O 3 coating was deposited by air plasma spraying using reconstituted nanosize particles.
The microstructure was examined by SEM and TEM. The thermal conductivity was calculated based on the specific heat and thermal diffusivity detected by DSC and laser flash method. The results show that the thermal barrier zirconia coating with thermal conductivity ranging from 0.63?0.80 W/(m ·K) is obtained. This can be attributed to the homo-geneous distribution of micro-size pores and amounts of micro-cracks with average length of about 10 μm, to which heat flow is nearly perpendicular. The phase transition of t to m can result in the change of thermophysical properties. The grain growth and the decrease of porosity lead to increase of thermal conductiviy of as-sprayed coating. Key words: nanosize particle; air plasma spraying; zirconia coating; thermophysical properties
氧化锆涂层具有低导热系数、高的热膨胀系数(1.1×10?5/K), 应用于现役航空燃气发动机的涡轮叶片上[1-3], 但随着航空燃气发动机向高流量比、高推重比、高进气口温度方向发展, 新一代航空发动机进气口温度将大大超过现役热障涂层工作温度上限1200℃. 因此, 如何进一步提高氧化锆热障涂层的隔热性能, 降低其导热系数就一直是热障涂层领域的研究热点[4-9].
近年来, 纳米科学研究发现纳米粉体展现出如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等许多潜在
的优良特性. 针对热障涂层来说, 人们更期望利用纳米粉体展现出的优良特性来获得导热系数更低、隔热性能更好的热障涂层[10-11]. 但由于纳米粉体本身质量小、喷涂过程送粉困难, 难以获得高质量的沉积涂层而导致对纳米粉体喷涂涂层的热物理性能研究开展较少. 为此, 本研究选用喷雾造粒技术, 将纳米氧化锆粉体重新组成具有一定质量的、适合等离子喷涂的微米级造粒料, 利用等离子喷涂技术喷涂了3mol% Y 2O 3部分稳定ZrO 2热障涂层, 利用SEM 、TEM 表征了涂层的显微结构, 并对涂层的热
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物理性能进行了实验研究和理论分析.
1实验方法
1.1涂层试样制备
试验以自造粒的3mol% Y2O3部分稳定纳米ZrO2为热喷涂原料. TEM分析表明, 氧化锆粒径大小在40～80nm之间, 如图1(a)所示. 造粒后粉末为球形, 其中位粒径为27 μm(见图1(b)).
利用Sulzer Metco(AG)公司的A-2000大气等离子喷涂装置, 采用优化的工艺参数[12], 制备涂层样品, 喷涂参数如表1.
涂层显微结构分析试样是将纳米氧化锆喷涂在不锈钢基材上. 涂层厚度约200μm, 然后加工成金相试样, 进行分析观测.
为测定涂层的比热和导温系数, 需制备无基材的氧化锆厚涂层. 先将涂层喷涂在背面带有冷却水装置的铝板上, 当涂层厚度达到2mm左右时停止
图 1 纳米氧化锆粉体喷雾造粒料的颗粒粒径大小(a)TEM 照片和(b)造粒料SEM照片
Fig. 1 TEM (a) and SEM micrographs (b) of reconstituted YSZ nanosize particles by spray-dried process 喷涂. 将带有厚涂层的铝板取下, 然后将涂层剥落, 即得测试用无基材厚涂层试样.
1.2显微结构分析
采用EPMA-8705QH2(Shimadzu, 日本)型电子探针附带扫描显微镜对造粒料和涂层显微结构进行观察. 采用JEM2010(JEOL, 日本)型透射电镜分析原料和涂层粒径大小.
1.3热物理性能测试方法
导热系数λ测试装置为中科院上海硅酸盐研究所研制的计算机运控的激光热导仪, 测试温区为200～1200℃, 测试误差为?3.2%～+5.6%.
该法为非稳态法, 直接测定涂层试样的导温系数α. 导温系数试样尺寸为φ10 mm×1.5 mm.
比热C P采用PE DSC-2C比热测定仪(Perkin Elmer, 美国)测定, 试样直径为(5.5±0.1) mm, 厚度0.4~0.7 mm, 测试温区为室温~400℃, 然后由公式λ= α·ρ·C P计算得到导热系数λ. 试样的密度ρ根据阿基米德排水法测定.
前期工作表明[12]: 纳米粉体喷涂涂层中, 晶粒明显长大的温度约在1100℃左右, 这略低于现役发动机热障涂层的工作温度1200℃, 且高于氧化锆1050℃发生单斜相(t)向四方相(m)转变的温度. 经1100℃处理后, 可得到晶粒长大相变完全的稳定结构涂层. 为此, 本试验中将测量导温系数后的涂层试样, 再在1100℃温度下保温50h, 然后再次测定其导温系数, 以判断晶粒长大对涂层热物性的影响.
为方便确定涂层测量过程中的结构变化, 采用NETZSCH STA 449C设备对喷涂涂层试样进行差示扫描量热法(DSC)和微分差示扫描量热分析(DDSC), 以确定结构变化温度区间. 测试升温速率为10/min
℃, 加热工作环境为大气气氛.
2结果与分析
2.1差示扫描量热法分析结果
图2为涂层的DSC和DDSC曲线, 从图2(a)可看出, 纳米粉体喷涂涂层在813.3℃存在一个放热小峰. 该峰在DDSC曲线上变化明显. 这表明在813.3℃左右涂层结构发生了变化.
前期工作初步证实[12], 在750～850℃间涂层的
表1等离子喷涂氧化锆涂层工艺参数
Table 1 Spray parameters for zirconia coatings
Ar/slpm H2/slpm Current/
A
Power/kW Spraying
distance/mm
Powder feed rate/(g·min?1 )
40 12 620 42.5 120 18
第7期
梁 波, 等: 纳米造粒料等离子喷涂氧化锆涂层的热物性研究 697
图2 涂层的(a)DSC 曲线和(b)DDSC 曲线 Fig. 2 DSC(a)and DDSC(b)curves of as-sprayed coating
导温系数会出现增大反常现象. 本研究为获得具有
实际意义的热物性数值, 将涂层导温系数测定范围划分为: 200~700℃和850~1000℃, 避开涂层结构可能出现变化的区间750~850℃. 用于850~1000℃间导温系数测量试样为用于200~700℃测试用试样经815℃保温处理12h 后的样品. 分析表明经815℃保温处理12h 后, 涂层试样中晶粒尺寸没有长大, 气孔率变化很小.
2.2 涂层的导温系数、比热和导热系数
图3为涂层热物性系数测定结果, 从图3(a)可以看出, 纳米造粒粉体喷涂的氧化锆涂层在200~700℃和850~1000℃两段温度区间内都表现为随温度的升高, 导温系数逐渐降低的趋势. 700~850℃间导温系数反常明显增大. 导温系数的这种变化, 与涂层结构的变化有关, 这与图2的分析结果相印证.
图3(b)为本实验涂层在室温~400℃间比热测定结果, 从图3(b)可见, 在室温~400℃间, 涂层的比热逐渐增大, 这与已有的氧化锆热物性研究结果一致. 根据已有氧化锆热物性研究结果可知[13], 在400~1000℃间, 氧化锆材料的比热数值增大缓慢而趋于恒定. 比热变化远小于室温~400℃间的比热数值变化. 因此, 可近似以400℃的比热数值估算
400~1000℃间导热系数. 图3(c)为室温~400℃温度范围内涂层导热系数的计算结果. 从图3(c)可以看出, 随着温度的升高, 涂层的导热系数下降. 值得注意的是, 本试验所获得涂层的导热系数明显小于文献报道的数值(0.8~1.2W/(m ·K)). 表明利用纳米造粒料喷涂可以获得较小导热系数的涂层, 从而有望改善涂层的隔热性能. 但同图3(a)相比, 1100℃、热处理50h 后的涂层导温系数明显变大(见图(4)), 仍然存在有750~850℃的导温系数异常区, 这与图2结果一致. 图4中标出了800℃时导温系数值0.00243(cm 2/s)明显小于700℃和900℃的数值.
图4为1100℃热处理50h 后导温系数试样的测定结果. 从图4可知, 经过1100℃, 热处理50h 后, 涂层试样的导温系数呈现同未处理试样相同的变化趋势: 随着温度升高导温系数变小.
图5给出了以未经任何处理试样的比热结果为计算依据的涂层导热系数变化预测趋势. 可以看出: 涂层导热系数随温度升高而降低, 随结构变化而异常.
2.3 结果分析
对氧化锆热障涂层而言, 在1200℃以下工作时, 声子和光子是主要的导热载体. 而涂层的显微结构
图3 涂层的导温系数(a)、比热(b)和导热系数(c)
Fig. 3 Thermal diffusivity (a), specific heat C p (b) and thermal conductivity (c) of as-sprayed coating
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图4 1100℃、50h热处理后涂层导温系数
Fig. 4Thermal diffusivity of as-sprayed coatings after an-nealing at 1100 for 50h
℃
图5 纳米造粒料喷涂涂层导热系数变化趋势
Fig. 5 Possible trends of thermal conductivity of plasma- sprayed coating deposited by reconstituted nanosize particles
对声子传热起显著影响. 研究表明[14], 等离子喷涂形成垂直于热流方向的微裂纹时(即近似完全平行基材表面方向的水平裂纹), 涂层导热系数可表示为:
3
18/9
i
Nr
κ
κ=
+
(1) 式中, κ为存在裂纹时导热系数; κi为本征导热系数; N为裂纹密度; r为裂纹形状简化为圆盘形状时的半径. 由上式可知, 涂层导热系数随着垂直热流方向微裂纹密度的增大和裂纹尺寸的增大而降低.
图6为本实验中纳米粉体喷涂涂层的断面显微结构,从图6(a)可知, 纳米粉体喷涂的涂层呈现典型的层状结构(图中箭头方向为垂直热流方向), 可明显观察到垂直热流方向的层状裂纹. 涂层中只存在少数40 μm左右的大气孔, 对图6(a)中局部细节放大(图6(b))可看出, 涂层中存在大量的细小微裂纹, 这些细小微裂纹方向走向都近似平行于基材表面方向, 即垂直热流方向, 其平均长度在几十微米. 而垂直基材表面方向(即平行热流方向)的微裂纹少而短. 此外, 涂层中分布许多均匀的细小气孔, 平均孔径在几个微米左右. 这种显微结构特征显然对声子起到了很强的散射作用, 从而使纳米造粒料喷涂涂层具有更小的导热系数.
图7为喷涂涂层与1100℃处理50 h涂层的TEM 分析结果. 从图7(a)可知, 纳米造粒料喷涂涂层的晶粒粒径范围为80~150 nm, 平均晶粒尺寸在90 nm左右. 晶界明显, 晶粒发育良好. 同原始颗粒粒径(见图1)相比, 喷涂后氧化锆晶粒长大了一倍. 经1100℃热处理50 h后, 涂层试样中晶粒进一步长大, 粒径范围为100~500 nm (见图7(b)). 对比热处理前后涂层的导热系数可发现, 涂层的导热系数是随晶粒粒径尺寸的减小而减小(见图5). 这一点可从晶界和晶粒对声子传导机制的影响来解释.
图6 纳米粉体喷涂涂层的断面SEM照片
Fig. 6 SEM micrographs of cross-sections of as-sprayed coatings deposited by reconstituted nanosize particles
(a) Cross-sections; (b) Magnification of the cross section
第7期梁波, 等: 纳米造粒料等离子喷涂氧化锆涂层的热物性研究 699
图7 纳米造粒料喷涂涂层的TEM照片, (a)原始涂层(b)1100℃热处理50 h后
Fig. 7 TEM micrographs of as-sprayed coating (a) and coat-ing annealed at 1100℃ for 50 h (b)
声子的平均自由程l与晶粒、晶界厚度l gb的关系可表达为[15]:
l ∝R0/ l gb·T(2) 式中: l为声子的平均自由程, R0为平均晶粒尺寸, l gb 为晶界厚度. 从式(2)可知, 晶粒平均尺寸越小或晶界层厚度越大, 声子的平均自由程就越小, 因而氧化锆在中、高温区域的导热系数就越小.
此外, 热处理温度的升高导致涂层烧结现象明显. 本试验中, 1100℃、50 h处理后, 涂层除晶粒长大外, 其气孔率由未处理时的9%降到处理后的5%左右. 涂层气孔率的降低也是热处理后涂层导热系数升高的一个原因.
本试验中观测的800℃附近呈现出的热物性异常变化的原因, 可归因于涂层中的单斜氧化锆与四方氧化锆间的马氏体相变. 单斜与四方氧化锆间马氏体相变的原因是本试验中800℃正是3mol% Y2O3含量的组成在ZrO2-Y2O3二元相图中发生t? m相变的临界温度[16]. 此外, 前期工作已经证明[17], 纳米造粒料等离子喷涂的涂层是由单一的四方相氧化锆组成. 介稳状态的四方氧化锆在加热过程中发生t ?m的可逆相变是存在的, 且是造成热物性变化的主要原因. 再次, 由于喷涂的不均匀性, 涂层中不可避免地存在有马氏体相变临界粒径的氧化锆颗粒, 也是导致涂层在800℃发生相变的一个因素.
3结论
采用大气等离子技术和纳米造粒粉体可获得具有低导热系数的氧化锆热障涂层. 利用纳米造粒粉体喷涂形成的具有大量垂直热流方向的微细裂纹和均匀小气孔分布的显微结构是涂层具有更低导热系数的主要原因. 纳米造粒料喷涂涂层在800℃附近由于四方和单斜氧化锆相变而导致热物性异常变化. 晶粒长大、气孔率降低可导致涂层的导热系数升高, 降低涂层的隔热性能. 致谢:中国科学院上海硅酸盐研究所热物理性能组的奚同庚研究员、周新宇高工为本试验的热物性测试及测试方案提供了十分有价值的建议, 陆昌伟老师也为DSC结果分析与绘图给出了详细指导, 作者在这里表示衷心感谢.
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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,
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。
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,
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。
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。
等离子喷涂 摘要介绍了等离子体的概念，同时引出了等离子喷涂技术，综述了等离子喷涂的原理，其国内外的研究与发展及其应用等，最后，对等离子喷涂领域中几个重要的发展趋势进行了展望。 关键词：等离子喷涂；等离子体；耐磨涂层 1 等离子体概述 等离子体是指一种电离的气态物质，被称为除了固、液、气三种物质形态以外的第四物质形态，它由具有一定能量密度分布的电子、离子和中性粒子混合而成，其外部电荷为零。等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体内部温度可达上万度，而冷等离子体又称为常温等离子体，其温度最低可接近常温。等离子态下的物质具有类似于气态的性质，有良好的流动性和扩散性。等离子体的基本组成粒子是离子和电子，因此它也具有许多区别于气态的性质，如良好的导电性、导热性。等离子体的能量密度高，仅次于激光，温度范围广，它可应用在多种不同的场合完成多种不同的工作。 2 等离子喷涂概述 等离子喷涂是基于等离子体的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。其主要特点是1、喷涂过程对基体的热影响小,零件无变形，不改变基体金属的热处理性质。2、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。3、工艺稳定，涂层质量高。4、涂层平整光滑,可精确控制厚度。2.1 等离子喷涂的发展史 19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，等离子体实验研究由此起步。到了1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”名词描述了气体放电管中的电离气体。1928年，美国的I.朗缪尔引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。之后科学家又进一步的进行探索与研究。上世纪五十年代，一些发达国家的军工科研机构开始研究等离子喷涂，由于等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高（40～80MPa），孔隙率小于 5％，在军工部门得到广泛应用，在之后的几年内，等离子喷涂技术逐渐运用到民用产品。 2.2 国内外研究进展 随着绿色制造业的兴起，等离子喷涂技术作为主要的热喷涂技术发挥着日益重要的作用，国内外的厂家也抓住时机，正在进行着新设备的研发。当前国外先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空方向发展,同时在轴向送粉技术、液体给料、多功能集成技术和实时控制技术等方面也取得了进展。现在已经逐渐走向工业化、相对技术比较成熟的等离子设备主要包括：超音速等离子喷涂、三阴
等离子喷涂制备纳米结构涂层研究进展 摘要等离子喷涂制备的纳米结构涂层在耐热、耐磨、耐蚀、生物相容性等方面比传统微米级涂层具有更优良的性能。从纳米喂料的制备、纳米涂层的制备及其结构和特性三方面评述了等离子喷涂纳米涂层研究的进展，探讨了等离子喷涂纳米涂层研究中存在的主要问题，并展望了等离子喷涂纳米涂层的发展前景。 关键词等离子喷涂；纳米材料；喂料 1 引言 等离子喷涂技术是目前最常用的纳米涂层制备技术之一[1]。纳米涂层是通过在表面涂层中添加纳米材料，获得纳米复合体系涂层，可以获得很多优良的性能，有着十分广阔的发展和应用前景。等离子喷涂利用的等离子弧能量集中，焰流温度高，可以熔化绝大多数金属、陶瓷及金属陶瓷等是一种理想的高温热源，而且等离子喷涂具有沉积速度快，生产效率高、适用范围广等优势，在材料表面改性方面发挥了重要作用。充分利用纳米材料、纳米结构的优异性能，将等离子喷涂技术与纳米技术相结合制备含有纳米颗粒的涂层，为表面工程的发展开辟了新的途径[2]。本文介绍了纳米结构喂料的制备方法，纳米涂层的制备及其结构和特性三方面评述了等离子喷涂纳米涂层研究的进展，探讨了等离子喷涂纳米涂层研究中存在的主要问题，并展望了等离子喷涂纳米涂层的发展前景。 2 喂料 童翔等[3]探索了等离子喷涂用纳米结构喂料的制备工艺，并采用此方法制备了纳米结构的Al2O3-13%TiO2喂料。采用等离子喷涂工艺进行了喷涂试验。试验结果表明，该喂料可用于等离子喷涂，涂层良好。其热喷涂用纳米结构喂料的制备工艺：纳米粉体的分散→纳米浆料的制备→离心脱水制的陶瓷坯泥→等静压压制并烧结制成素坯→破碎、研磨、筛分制成40～60μm的喷涂用粉。 孙海全等[4]的研究表明：在喂料制备过程中发现，粉体的松装密度和搅拌时间是成两段线性关系，不同的喷雾造粒温度对粉体形貌有重要的影响。在250℃制得的粉体内部部分中空、结合强度高、球形度好。粉体经合适的温度烧结后，没有新物相生成，是适合等离子喷涂的纳米喂料。 李长青等[5]采用CDD热喷涂状态监测设备对采用喷雾造粒方法制备的纳米结构Al2O3-13%Tio2喂料在等离子喷涂过程中的温度特性进行了研究。结果表明，CDD设备清晰地捕捉到了飞行粒子，其流量呈近似正态分布。喂料的温度最高超过2600℃，当下降到熔点附近时出现再次升高现象，内部熔化材料随气体在局部喷发而流到表面是导致出现这一现象的主要原因。 综上，喂料工艺用于等离子喷涂可以得到良好的涂层，不同的喷雾造粒温度对粉体形貌有重要的影响。