模具表面处理综述报告
学院（系）机械工程学院
专业班级材料10802
班级序号13
学生姓名唐俊
指导教师杨雄
日期2011年11月24日
电弧、等离子涂镀技术
一、绪论
众所周知，除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀。此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重。大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。据一些工业发达国家统计，每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量10%，损失金额约占国民经济总产值的2-4%。如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话，其数值更加惊人。因此，发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题.随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行[1]。因此，对材料的性能也提出更高要求，采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不可能的。所以，研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。
而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科，所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助火焰流的本身动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术[2]。
本文在低碳钢表面采用等离子喷涂技术沉积了Al2O3+13wt.%TO2复合材料涂层，对沉积的涂层进行了组织结构和硬度、磨损等性能分析测试，试验所得数据对提高零部件表面耐磨、耐蚀性能具有一定的理论意义和工程应用价值。
二、热喷涂技术概论
1、热喷涂技术分类
热喷涂技术是表面工程中一门重要的学科。所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料
加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种
功能的表面覆盖涂层的一种技术。根据热源的种类热喷涂技术主要分类为：
2、喷涂设备
虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异，但依据热喷涂技术的原理，设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。图为等离子喷涂的设备配置图。
热源
温度℃ 喷涂方法 火焰
约3000
粉末火焰喷涂 陶瓷棒材火焰喷涂 高速火焰喷涂(HVOF) 爆炸喷涂(D-GUN)
电弧 约5000 电弧喷涂
等离子弧
10000以上
大气等离子喷涂（APS ） 低压等离子喷涂（LPPS ）
水稳等离子喷涂
图1-3 等离子喷涂设备配置图
（1）整流电源
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。目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。
（2）控制柜
等离子弧喷涂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、工作电流及高频电流，能方便地调节水、气和电参数等并加以显示。控制柜中还备有各种保护装置，保证设备正常的工作。
（3）喷枪
喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。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流中经过熔化加速过程最终喷射到基材表面。喷枪是形成涂层的关键设备。喷枪由阴极、喷嘴(阳极)、进气道与气室、送粉器、水冷密封、绝缘体及枪体构成。
（4）送粉器
送粉器是贮放和向喷枪供给粉末的装置。送粉器的功用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。目前常用的是刮板式送粉器和带有小孔的转盘吹式送粉器，前者适用于固态流动性好的粉末，后者可用于固态流动性差的粉末和微细粉末。
（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。
（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。
3、热喷涂工艺
热喷工艺过程如下：
工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理
用等离子喷涂设备在Q235钢表面喷涂一层等离子喷涂Al2O3-13wt %TiO2(以下简称为AT-13)陶瓷粉末。
基体材料为Q235钢，Q235钢属于珠光体普碳钢，其强度和韧性较好。其主要化学成分如表所示。
选用等离子喷涂Al2O3-13wt %TiO2(简写为AT-13)陶瓷涂层的打底层材料为Ni-Al合金粉末，其粒度范围为140μm～260μm，化学成分如表2-2所示。
Ni Al
>70 17-20
喷涂材料选用的是Al2O3-13 wt％TiO2（即AT-13）金属陶瓷粉末，这是因为许多研究报告表明，在所有Al2O3–TiO2涂层中，当Al2O3–TiO2涂层中TiO2含量为13 wt.%（即重量比为13％）时，涂层的耐磨性最佳。AT-13复合粉末的化学成分和物理性能如表2-3所示。
样品化学成分（%）（质量）熔点（℃）粒度（um）密度
（g·cm3）流动性
TiO2 Al2O3 其他
AT-13 13 余量----- 1840 -40～+20 3.86 较好表2-3 AT-13复合粉末的化学成分和物理性能
4、涂层设计及工艺参数
先在Q235基体上喷涂粘结层Ni-Al，然后再喷涂Al2O3—13 wt %TiO2(即
AT-13)陶瓷粉末获得陶瓷层。
表2-5 基体及各涂层厚度
厚度
Q235 基体 3.88 mm
Ni-Al打底层200 μm
AT-13 陶瓷层340 μm
表2-6 等离子喷涂工艺参数
参数Ni-Al打底层AT-13涂层
电流（A）600 650
电压（V）37 37
主气Ar(PSI) 60 60
次气H2(PSI) 50 50
送粉气Ar(PSI) 50 50
送粉速度(g/min) 2.5 2.5
喷涂距离(mm) 100 100
喷涂速度(mm/s) 800 800
5、喷涂步骤
（1）Q235钢基体表面的粗化和净化：在喷涂前，用16＃棕刚玉砂对试样表面做喷砂处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、烘干；
（2）固定喷涂试样：由于等离子喷涂过程中等离子焰流的吹力较大，喷涂前必须将试样固定在转台上；
（3）根据等离子喷涂参数喷涂Ni-Al粘结层；
（4）根据等离子喷涂参数喷涂Al2O3—13 wt %TiO2陶瓷工作层。
6、喷涂后处理
喷涂结束后不能马上拿取工件，因为等离子喷涂温度很高，喷枪火焰中心温度在10000℃以上，所以喷出的颗粒温度也很高。在室温下冷却至常温后取下工件，立即进行封孔处理，防止涂层吸附潮气而影响质量。所选材料为微晶石蜡，可以借助涂层的余热溶化封孔。
三、涂层分析
1、涂层断口形貌分析
从图3-14中的断口形貌中可以看出，上边颗粒较多的是AT-13涂层，而下边则是Ni-Al涂层，AT-13涂层明显没有Ni-Al涂层那么光滑致密。这是因为AT-13涂层中含有未完全熔化的Al2O3，而Al2O3粉末是陶瓷颗粒、熔点较高，喷涂中存在不完全熔化颗粒而致使涂层不够紧密，图中白亮处即为Al2O3颗粒；而Ni-Al 涂层在喷涂过程中，Ni-Al铝金属粉末熔化比较完全，涂层贴合比较紧密，形成了典型的等离子喷涂层片状。
图3-15 Ni-Al涂层断口形貌更加清晰地显示了Ni-Al涂层的层片状形貌。层片状的Ni-Al涂层由于贴合比较紧密，在断裂过程中呈片状脱离，因而其断口形貌呈坑洼状，并可看到片层间脱离后留下的凹坑和光滑片层。
图3-16 AT-13涂层断口形貌则含较多未完全熔化颗粒，这是由于部分Al2O3在喷涂过程中未能完全熔化所致，在未熔化颗粒较多处应力比较集中，因而在断裂过程中颗粒与颗粒之间分离、脱落，从而暴露出其内部真实形态。形貌中的灰色处为熔化了的Al2O3，而黑色部分为孔隙。
图3-14涂层断口形貌
图3-15Ni-Al涂层断口形貌图3-16 AT-13涂层断口形貌2、涂层密度及孔隙率检测
测量涂层孔隙率的方法很多，本实验采用直接称量法，先测定的涂层密度与涂层材料的真密度进行比较，即利用公式：
试验结果列于下表表3-17。
N1 N2 N3 N4 N5 平均
值
3.66 3.62 3.65 3.62 3.64 3.64
涂层密度
( g/mm3 )
3、AT-13涂层硬度试验分析
从图3-19和表3-18中可以明显地看出，随着测试点离AT-13涂层越远，硬度明显下降。这说明在等离子喷涂AT-13涂层中，AT-13涂层的硬度最高，Ni-Al 涂层其次，最后才是基体Q235。
涂层硬度较高主要原因是由于Al 2O 3本身为高硬度材料，在图上可以看到等离子涂层的硬度曲线呈现三个阶段，分别为陶瓷层、过渡层、和基体，随着涂层深度的变化涂层中各种元素成分也发生了变化，涂层组成元素决定着涂层的性能，在陶瓷层中 Al 2O 3占主要部分，显示高硬度，随着涂层深度的增加Al 2O 3随之减少，硬度下降，通过过渡层到基体，硬度值趋于稳定。AT-13 陶瓷涂层的硬度高，但是由于在Al 2O 3中添加了TiO 2，而TiO 2的硬度仅为Al 2O 3硬度的一半左右，虽然提高了涂层的致密度，却使涂层的硬度下降了。曲线图所选用的数据为各个点的平均硬度值，尽量减小了由测量误差降低的准确性。
表3-18维氏硬度试验数据(HV)
涂层 压痕对角线长 (um)
HV AT-13涂层
52.8 52.8/4=13.2
1064 53.2 53.2/4=13.3 1048 59.2
59.2/4=14.8 847 镍包铝涂层
68.4 68.4/4=17.1 321 69.1 69.1/4=17.2 317 70.3
70.3/4=17.5 303 基体Q235
88.8
88.8/4=22.2
188
涂层气孔率 （ % ）
5.2
6.2 5.4 6.2 5.6 5.7
4、AT-13涂层快速磨损试验分析
由表3-21 快速磨损试验数据可以看出，AT-13 涂层在本试验中的磨损性能比Ni60涂层要差些。这是因为快速磨损实验中AT-13涂层中的未熔化的Al2O3脱落，AT-13涂层的耐磨性下降；在Al2O3陶瓷材料中加入TiO2，增加了涂层的致密度，提高了涂层的粘结性。
Al2O3的硬度要比Ni 高，在同样载荷同样磨料的前提下，脱落的未熔化的Al2O参入到磨损中，使得AT-13 涂层的耐磨性要低于Ni60涂层。
图3-20显示的是快速磨损试验后的磨损表面形貌图，而表3-21表示的则是AT-13涂层快速磨损试验的试验数据。
图3-20 快速磨损表面形貌图
表3-21 快速磨损试验数据
（载荷：5Kg，硬质合金磨轮： 30×2.5mm，转速：675r/min，转数：3000r）
试样磨痕宽度L 磨损体积V（mm3/1000）平均值V
（mm3/1000）AT-13涂层296 277 279 77.884 63.82 65.213 68.972
Ni60涂层192 181 189 21.24 17.8 20.263 19.768 四、结论
（1）在Q235钢表面用等离子喷涂方法制备Ni-Al粘结层和Al2O3-13 wt％TiO2陶瓷涂层，喷涂时熔化结晶形成层片状结构，孔隙率为5.7%，AT13陶瓷涂层中有部分未完全熔化的Al2O3，涂层表面微观上粗糙不平；
（2）AT13陶瓷涂层具有较高的显微硬度，其显微硬度最高平均值HV=1064，
涂层组成元素决定着涂层的性能，在陶瓷层中Al2O3占主要部分，显示高硬度，随着涂层深度的增加Al2O3随之减少，硬度下降；
（3）实验表明在金属表面采用等离子喷涂工艺方法喷涂Ni-Al+Al2O3-13 wt％TiO2陶瓷涂层作为表面涂层，可提高工件表面硬度及耐磨性能。
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
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
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：
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
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。
?1958年，世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世，使喷涂制备高熔点材料(比如陶瓷)涂层成为可能。该技术迅即在科技领域内作出了重要贡献。随着现代工业技术的高速发展，人们对各种零部件的性能要求越来越高，其表面处理越来越受到重视，因此对涂层质量要求也越来越高。由于陶瓷材料所具有的优异性能得到越来越多人的青睐，促进了喷涂工艺的不断完善。世界上先进的工业国家先后在多种产品上喷涂不同的陶瓷涂层，提高了产品的使用性能和服役期限。如今，陶瓷涂层技术正在形成一个新兴的、市场极广阔的工业领域。正是这一市场需求，各式各样陶瓷涂层喷涂没备的研制工作正在广泛展开。世界上等离子喷涂设备的发展正向自动化、集成化、嵌入生产流水线、柔性化、网络化、乃至无人化和通过Internet远程控制的方向发展。同时，等离子陶瓷涂层技术正带动一系列高科技技术的发展和兴起，如陶瓷涂层超导元件、陶瓷涂覆的生物医学功能材料、永不磨损金刚石薄膜技术、新型超大规模集成电路、高辐射率节能涂层、波长吸收和抗干扰涂层等，发展前景极为广阔。 相比世界先进水平，中国在这一领域还有一段距离。本文主要介绍气稳等离子(ASP)喷涂设备DH-1080等离子喷涂系统及其应用。该系统由上海大豪英佛曼纳米材料喷涂有限公司经过多年研究并制造，采用低压大电流设计理念，使用PLC和MCU相结合的控制技术，与此相配套的有状态点实时监测、LED智能显示、PLC喷涂过程自动控制系统、三相大功率晶闸管全控整流技术，为新一代高效能等离子喷涂设备。 一、等离子喷涂技术简介 等离子喷涂是热喷涂技术领域中极为重 要的一项工艺技术。目前热喷涂用粉末材料几乎都可 以通过此方法制备成性能良好的涂层。等离子喷涂正 在应用的有大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂和
第25卷第5期 硅 酸 盐 通 报 Vol .25 No .5 2006年10月 BULLETI N OF THE CH I N ESE CERAM I C S OC I ETY Oct ober,2006 二氧化钛等离子喷涂层的结构及性能 范艳华,尹衍升 (中国海洋大学材料科学与工程研究院,青岛 266003) 摘要:700℃、1000℃、1200℃下对纳米二氧化钛(Ti O 2)粉末进行煅烧,利用大气等离子喷涂(APS )在Q235基体上制备氧化钛纳米结构涂层。运用X 射线衍射(XRD )、扫描电镜(SE M )等技术对煅烧后的粉料和涂层的显微结构、物相组成进行测试、观察、分析。实验结果表明:1000℃为最佳的造粒温度,适合等离子喷涂的粉末颗粒粒径为 30～90 μm,流动性较好,着粉率高;涂层物相主要是金红石型Ti O 2,涂层与基体的结合强度很高,达30.90MPa,涂层硬度为727.95HV 。 关键词:纳米二氧化钛;造粒;大气等离子喷涂;结合强度 The Structure and Performance of Pl a s ma Sprayed T i O 2Coa ti n g FAN Yan 2hua,YI N Yan 2sheng (I nstitute ofMaterials Science and Engineering,Ocean University of China,Q ingdao 266003) Abstract:Nano 2Ti O 2powders were calcined at 700℃,1000℃,1200℃res pectively .Ti O 2coatings on carbon steel substrate were fabricated by air p las ma s p raying .The m icr o 2structure and compositi on in calcined Ti O 2powders and Ti O 2coatings were investigated thr ough XRD and SE M.The results show that radius of the best Ti O 2particles which were used in air p las ma s p raying are 30290 μm ,and the particles have better mobility and better landed powder rati o .The main phase of coating is Rutile 2Ti O 2,and adhesi on strength bet w een coating and substrate is very good,up t o 30.90MPa,hardness of coatings is 727.95HV. Key words:nano 2Ti O 2;calcined particles;air p las ma s p raying;adhesi on strength 基金项目:国家自然科学基金(NO.50242008). 作者简介:范艳华(19792),女,博士研究生.主要从事陶瓷基复合材料的研究. 近年来,纳米结构涂层成了众多科学工作者的研究热点,由于晶粒尺寸效应和大量晶界的存在,具有比传统涂层更优良的性能。许多方法都可用于纳米结构涂层的制备,如热喷涂技术、电子束物理气相沉积、化学气相沉积、磁控溅射等,其中热喷涂技术尤其是等离子喷涂技术成了制备纳米结构涂层的有效方法 之一[1]。 纳米Ti O 2涂层具有抗高温,耐腐蚀,耐磨损,化学性质稳定,无毒无害等优异的性能;另外,由于Ti O 2的纳米颗粒又具有纳米结构的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性,纳米 Ti O 2涂层将具有更为广阔的应用前景。[2,3]纳米结构的微粒不能直接用于等离子喷涂,因为纳米微粒尺寸太小、本身的质量小、比表面积太大、活性高、容易聚集成团、流动性差,这造成在喷涂过程中粉料在管道中的运输困难;另外,由于纳米微粒与基体材料的冲量很小,这使纳米微粒无法在基体材料的表面沉积,形成致密的纳米涂层。通过造粒技术,使纳米微粒重组成微米级的微粒,以适合于等离子喷涂用。通过X 射线衍射(XRD )、扫描电镜(SE M )技术对涂层的
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
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]。