等离子喷涂技术发展现状及其运用

等离子喷涂技术发展现状及其运用 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 展方向及其在工程中的运用。 关键词: 等离子喷涂设备;测量技术;应用;发展 The Present Status and Development of Plasma Spraying Technology Abstract: In this paper, the research on the plasma spraying equipment, measuring technology and some appl-icat ion fields of plasma spraying technology are reviewed. And the trend of development of plasma spraying technology is presented. Key words: plasma spraying equipment ; measuring technology; applicat ion; development 0 引言 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, 在耐磨、热障、耐腐蚀、绝缘、抗辐射、催化等方面发挥着重要的作用。近代科学技术的发展促进等离子喷涂设备和技术不断完善, 相继出现了水稳等离子喷涂、高能等离子喷涂、低压等离子喷涂等技术, 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。 1 等离子喷涂技术现状 等离子体是一个广义的概念，自然界除了固、液、气3 种物质形态外，还存在物质的第四态—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。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。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。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，其中心温度可达15 000 ?以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉器载入等离子焰流，很快呈熔化或半熔化状态，并高速喷射在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形，粘附在零件表面。各熔滴之间依靠塑性变形而相互连接，从而获得结合良好的层状致密涂层。等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法。目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层。等离子喷涂正在应用的有普通大气、超音速、可控气氛和液体稳定等离子喷涂 1 方 法，处于研究状态的有脉冲、射频、感应耦合，以及反应、用三阴极枪等离子喷枪喷涂和微等离子喷涂。 1.1 等离子喷涂的基本原理 等离子喷涂基本原理如图1 所示。它是将非金属( 或金属) 粉末送入刚性非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并伴随等离子焰流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。 图1 等离子喷涂基本原理 1( 2 等离子喷涂的特点 等离子喷涂技术具有如下特点: ( 1) 可以获得各项性能的涂层。由于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，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，故在航空、冶金、机械、机车车辆等方面得到广泛的应用，在热喷涂技术中等离子喷涂占据着最重要的地位。 ( 2) 涂层平整光滑，可精确控制厚度。 ( 3) 涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在1% , 10%，结合强度可达60 , 70 MPa。 ( 4) 涂层氧化物和杂质含量少，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。 ( 5) 喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。工件受热温度可控制低于 2 250 ?，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。 2 等离子喷涂技术的应用 等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛, 从上世纪50 年代至今,其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。 2. 1 纳米涂层材料 Zhu等采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co 涂层。发现涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善, 在40~60 N 载荷下, 纳米WC/ Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/ 6。 2O3- TiO2 系涂层进行了系统的研究, 包括纳Connecticut 大学等对等离子喷涂纳米结构Al 米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析, 表明涂层具有双态显微结构, 表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比, 结合强度增强100% , 磨粒磨损抗力提高300% ,压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人 研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2 的结构变化和粒子注入特性。研究发现,TiO2 纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构。涂层表现出良好的Li+ 注入电流和电化学稳定性。陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层。获得的涂层结构致密, 孔隙率约为7% , 涂层和基体间的结合强度为45 MPa, 明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。 2.2 梯度功能材料( FGMs) 等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一, 其研究范围主要为梯度功能材料的、制备和性能评价三个方面。由于等离子焰流温度高, 特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层, 这就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以NiCrAlY 作为中间层向金属上涂覆ZrO2 涂层成为大多数等离子喷涂FGMs 结构研究的热点, 已建立起很好的制备工艺。另外, 已被研究的其他它体系还包括: Cu/W 和Cu/ B4C、与 Al2O3 - Cr2O3 结合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY 的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂层的Ni- 20%Cr、Ni/ Al2O3、WC/ Co 等。K.A.Khor 等人对YSZ/ NiCoCrAlY 体系的研究表明, 与传统的双层材料相比, 功能梯度涂层具有更优异的性能。得到的FGM 涂层的结合强度为18 MPa, 双层涂层仅为9 MPa, 而涂层的抗热循环寿命FGM 涂层是双层涂层的6 倍。Sudarshan Rangaraj 等设计了五种不同成分的YSZ 梯度涂层, 研究了涂层设计对YSZ 涂层性能的影响, 结果表明莫来石( mullite) 成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。 3 2. 3 超导涂层 等离子喷涂弧温很高, 特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷, 不需要保护气氛, 能够喷涂具有复杂形状的超导制件, 沉积效率高, 容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7- x ( YBCO) 和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO 是一种典型的超导材料, 临界温度为94 K。等离子喷涂的YBCO 涂层由于喷涂过程中材料的氧损失, 涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性, 使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧 气或空气气氛中进行适当的热处理, 使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构, 才能获得 :超导性。YBCO 涂层的热处理条件为h, 降至400 e再保温1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶920C，1 瓷从高温急冷或淬冷后, 它会产生超导态。这一特性对等离子喷涂具有特别的意义, 因为等 6:离子喷涂能使涂层材料获得高达的急冷冷却速率, 只要调整好等离子喷涂条件和工10C/s 艺参数, 很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。 2. 4 生物功能涂层 等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面, 形成以韧性金属为骨架,表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节, 此方法充分发挥了金属和陶瓷两类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石( HA) 涂层和钛涂层的研究报导较多, 并成功地应用于临床试验。羟基磷灰石涂层对生物体无毒, 耐体液腐蚀, 且对生物体组织有良好的适应性和亲和性, 耐长期运动过程中的磨损,有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性, 并且与组织结合良好, 与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用, 这些涂层既利用了不锈钢的强度, 又利用了钛涂层的生物相容性, 防止不锈钢中有毒元素的释放。我国的上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展。 2.5 其它应用 等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105~106 K/s, 这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂Fe 基非晶合金粉末( 含Si、B、Cr、Ni 等) 制备的高非晶含量的Fe 基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少, 其显微硬度在HV0. 1700~950 内, 结合强度在27 MPa 以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件无需粘贴, 尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作。另外大气等离喷涂技术在制备 固体氧化物燃料电池(SOFC)方面也有相关的研究和报道。 3 等离子喷涂技术的发展趋势 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 4 随着高新技术的发展而不断扩展, 但仍存在许多问题需要解决, 有以下几方面的发展趋势或方向: 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。深入研究探索新的诊断技术, 利用现代测试技术, 探索应用神经网络和模糊控制策略, 实现等离子喷涂过程的智能控制, 完善喷涂过程的实时诊断。 2) 合理选择喷涂工艺, 优化工艺参数, 改善粉末受热和熔化状态, 减少环境对高温粒子的污染和氧化, 从而形成性能优异的涂层。利用激光、超声波等现代技术, 研究并应用复合工 使涂层结构更趋完善。 艺, 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, 以及研究涂 提高涂层结合强度。 层与基体的结合机理等, 4) 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喷涂机, 从而从根本上改善工作环境。 4 结束语 等离子喷涂工艺的出现，推动了热喷涂技术的发展。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，在使用上占据着重要地位。 参考文献: ,1,李行志，胡树兵(等离子喷涂的应用及其发展,J,(湖北汽车工业学院学报，2004，18( 2):35( ,2,贾鹏(水稳等离子喷涂( WSP) 的特点与应用,J,(中国涂装，2003(18):65,66( ,3,张平，王海军，朱胜，等(高效能超音速等统,J,(中国表面工程，2003，16(3):12-15( ,4,陈丽梅，李强(等离子喷涂技术现状及发展,J,(全国热喷涂简报，2007(7):1,7( [5] 张东辉, 郝勇超. 国内外等离子喷涂设备现状及发展趋势[ J].航空制造技术,2003,7: 23-24 [6] 韩蜂, 王豫跃, 杨冠军,等.电弧功率对液料等离子喷涂T iO2 纳米涂层结构的影响[ J].中国表 面工程,2003,3:36-40 [7] 杜今忠,董世运,徐维普. 高能高速热喷涂工艺的发展及应用[ J].焊接技术,2004,33( 2 ):26-28 [8] 胡传,宋幼慧.涂层技术原理及应用[ M ].北京:化学工业出版社,2000,258 [9] 梁秀兵,邓智昌,许一,等.热喷涂纳米粉体材料及其涂层制备[ J].材料工程,2002,11:38-41 [10] 徐滨士,梁秀兵,马士宁,等.适用纳米表面技术[ J].中国表面工程,2001,3:13-18 5