高电压低电流等离子喷涂的特性的研究(可编辑)

高电压低电流等离子喷涂的特性的研究(可编辑) 高电压低电流等离子喷涂的特性的研究 中文摘要 摘要 在过去的几十年中,等离子喷涂技术取得了飞速的发展,被广泛的应用到现代 工业的各个领域。然而大气等离子喷涂仍存在许多不足之处,主要现在射流中 的氧气含量高,喷涂过程的高温会使一些材料发生相变,从而使一些重要涂层的 喷涂受到限制;其次,焰流的速度相对较低,对粉末粒子的加速能力差,因此涂 层与基体间的结合强度低,涂层的致密度差。此外,如何更加充分的熔化粉末, 提高粉末的沉积效率也是人们普遍关心的问题。基于以上原因,在现有的基础上, 开发新型的等离子喷枪以适应不同的喷涂要求是等离子喷涂发展的重要方向。当 前国际上先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空和内送粉方向发展。 大连海事大学高阳教授最新开发了双阳极等离子喷枪,通过第一 阳极引燃电 弧,然后通过第二阳极拉伸电弧长度,能够有效的提高电弧电压和电弧功率,并 且能够降低阳极弧根的分流效应,获得更加稳定的等离子射流。本文通过实验方 法对双阳极等离子喷枪进行研究,其重点是对比阳极弧根在第一阳极或者第二阳 极上时喷枪电特性和热特性的异同,其主要研究包括,等离子射流温度和速 度的分布,喷枪的热效率电弧的伏安特性以及气体流量对电弧电压的影响。实验 还对双阳极等离子喷枪和传统等离子喷枪的涂层性能进行了对比,并编制程序计 算了喷涂氧化铝粉末时应采用的最优送粉速度。此外,本文的研究中还实验对比 了送粉方式对于喷涂特性的影响。本文研究的主要成果及结论如下: .在相同电弧功率的条件下,第二阳极模式下的等离子射流的温度和速度要 大大高于第一阳极模式下的等离子射流,其原因是前者具有更高的热效率。第二 阳极模式下喷枪的热效率要高于第一阳极模式,其原因在于第二 阳极模式下,电 弧在喷嘴内部始终受到有效的自磁压缩作用,有效的防止了能量向喷嘴的扩散。 .在第一阳极的模式下,纯氩,氩.氮以及氩.氢等离子电弧都呈现出下降的 伏安特性,这与传统等离子喷枪的伏安特性相同;然而,在第二阳极模式下,纯氩 等离子电弧呈现出明显的上升的伏安特性,氩.氮等离子电弧呈现出水平的伏安特 性,氩.氢等离子电弧依然保持下降的伏安特性。这种情况产生的原因和氩气、氮 气以及氢气三种不同气体在等离子状态下热导率的巨大差异引起的。中文摘要 .在第一阳极模式下,电弧电压首先随着气体流量的增加而升高,达到最大 值后,继续增加气体流量,电弧电压反而出现下降,这是由于等离子流动从层流 向湍流转捩过程中,电弧长度的缩短而引起的:在第二阳极模式下,电弧电压始 终随着气体流量的增加而升高。 .送粉方式对粉末的熔化以及涂层的质量有着很重要的影响,在相同输入功 率的条件下,采用轴向送粉方式喷涂可以更好的熔化粉末粒子,获得均匀致密的 涂层,粉末的沉积效率高,这要优于径向内送粉和径向外送粉条件下的等离子喷 涂。 .采用普通喷枪喷涂的碳化钨涂层,碳化钨的脱碳比较严重,涂层中存在着 大量的相,涂层的致密度差,气孔率高;采用双阳极喷枪喷涂的碳化钨涂层, 碳化钨的脱碳程度大大的降低,涂层中《项的含量比较少,涂层的致密度好, 气孔率低。其原因主要在于普通喷枪的电弧波动比较剧烈,射流湍流度高,导致 混入射流的氧气含量比较高,氧和粉末中的碳元素发生反应,导致了碳化钨粉末 的剧烈脱碳;而双阳极喷枪的电弧相对要稳定得多,射流中的氧气混入量也大大 的减少,对碳化钨粉末的氧化脱碳起到了很好的保护作用。 .编制程序对于粉末颗粒在等离子焰流中的加速与加热历程进行了数值模 拟,探讨了颗粒材科,颗粒尺寸以及送粉速度对于颗粒速度与温度的影响。对不 同直径的氧化铝颗粒给出了最优的送粉速度。 关键词:等离子喷涂;阳极弧根;电弧电压;分流:量热探针;伏安 特性;轴向 送粉;沉积效率;碳化钨;脱碳;数值模拟英文摘要 . 薯. 咖,舔 懿,踟 锄弛%础,硒?谢 时? 州血吐 勰缸,四, 栩?.【跏 , 忸 删 黜 钺 ? 撕 够 锄 :黜 , 髂粕 .; 鲫、,哆 姗 加 , 邶 盯 矗钾 唱觚 订? 觚乱曲. ,? 舔. ?朗暑 吼?’ 洲阳恤趾 乜?街. ?哆 姗 出嘎炮 璐. 嘲 商 竹 . 曲甄曲劬打刮 趾 优, 觚 时鹞、,托 锄 鹊 , ,锄 丘讯缸触嵋邱.锄鲥 ? 衄. ? , 蛆 即 代也. ;、, 】. 【豳删 锄 仃一柚 陇捌 , 鹪眦誉眦, , 雕朔糟锄 够 勰丘 ? 舔觚 嬲? 一觚曲锄. 哦 加印 . ?,墙., ?咖. 任& 画 ?趾 :: :.’觚 瑚锄聪锄 撇 印此 衄 锄鹬锄锄锄.英文摘要 缸 衄伍 觚叩 曲 矧 呦?印 ??撕 柚 砌 妇胁. .翘 , 谳?础 托吐,恤 地. 璐砌谢 ??, .渊嚼 忙 蹴湖 舾,. 咖啪矧 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粉末粒子的温度以及射流中的氧化氛围都会促进碳化钨粉末的脱碳。本文首次提 出了通过控制阳极弧根波动来降低射流中的氧气含量,从而抑制碳化钨脱碳的新 思路; .本文首次采用实验方法对比了不同的送粉方式对于粉末熔化、涂层质量以 及粉末沉积效率的影响。实验结果表明,在相同输入功率的条件下,采用轴向送 粉方式喷涂可以更好的熔化粉末粒子,获得均匀致密的涂层,粉末的沉积效率高, 这要优于径向内送粉和径向外送粉条件下的等离子喷涂。高电压低电流等离子喷涂的特性研究 第章绪论 等离子喷涂是以压缩的刚性等离子弧为喷涂热源,进行粉末喷涂的一种表面 喷涂方法。由于等离子弧温度高、能量集中,可以熔化各种难熔材料;它采用氩 气、氮气等作为喷涂气体,熔融态粒子在飞行过程中得到了很好的保护,涂层中 氧化物等杂质含量相对较低,因而在生产中得到了广泛的应用。 . 热等离子喷涂原理及应用 ..等离子体的基本概念 等离子体是一个广义的概念,一般是指由大量的自由电子和粒子组成、且在 整体上表现为近似电中性的电离气体。它同固体、液体、气体一样,是物质存在 的又一种聚集态。所以等离子体又被称为物质的第四态,或等离子态。 气体原子中的外层电子吸收能量后摆脱原子核对它的束缚而成为自由电子, 这个过程叫做气体的电离,其表达式如下: 彳形彳 . 其中,彳为气体原子,形为电离能,彳表示正离子,表示自由电子。气体电离程 度的强弱用电离度来表示,通常将已经电离的气体粒子数与电离前的气体粒子总 数之比称为气体的电离度,其表示为: . :竺冬 ?』。 一般把电离度大于.%的气体称为等离子体,其与气体相比表现出 许多新的特性: 导电性:由于存在着大量自由电子和带正负电荷的离子,因此,等离子 体具有很强的导电性; 准电中性:等离子体内部虽然存在有很多的荷电粒子,但是在足够小的 空间尺度上,粒子的正电荷和负电荷的数量总是相等的,因为任何微小的空间正 负电荷密度的差异,都将会产生巨大的电场强度使其恢复原状而保持电中性,因 此等离子体中电荷分离的空间尺度和时间尺度都是很小的,这称为等离子体的准 电中性; 与磁场的可作用性:由于等离子体是由荷电粒子组成的导电体,因此可第章绪论 以用磁场控制它的位置、运动和形状;与此同时荷电粒子的集体运动又可以形成 电磁场。 等离子体的研究主要分成高温等离子体和低温等离子体两大方面。高温等离 子体主要应用于能源领域的可控核聚变,其粒子的温度高达,目的是为 了加剧粒子的热运动,使粒子有足够的能量相碰撞,达到核聚变反应。低温等离 子体则广泛的应用在科学技术和工业领域,其粒子的温度从室温至几万度的范围 内变化。低温等离子体按照其重粒子的温度水平还可以分为热等离子体和冷等离 子体。热等离子体的重粒子的温度高达到××,基本上达到热力学平衡 状态,所以具有统一的热力学温度。热等离子体根据其产生方式又可以分 为电弧等离子体、高频等离子体和燃烧等离子体。冷等离子体的重粒子的温度只 有室温左右,而电子的温度却高达上万度,所以远离热力学平衡状态,如辉光放 电就属于冷等离子体。 热等离子体由于温度高且容易控制,因此已经广泛的应用到现代工业的各个 领域“,具体可分为如下几个方面:热等离子体涂层技术:包括热等离子喷涂, 高速电弧喷涂以及等离子体化学气相沉积;热等离子体材料合成技 术,尤其是纳米材料的合成:熟等离子体废料处理技术,尤其是指 有毒废料 的处理;热等离子体粉末提纯技术;热等离子体冶金技术。 其中,等离子喷涂技术是现代表面强化,零件保护以及修复的重要技术。其 从上世纪年代开始发展起来,如今在表面工程领域已经取得了广泛的应用,是 现代表面工程的最重要的手段之一【吲。 ..等离子赜涂简介 热喷涂中所使用的电弧热等离子体是指气体经过压缩电弧后出现高温而形成 的等离子体,属于稠密的热等离子体。等离子电弧在冷却喷嘴内会受到如下三方 面的压缩作用: 机械压缩效应:是指喷枪的喷嘴尺寸限制了电弧直径的扩张,从而对电 弧产生的压缩效用; 热压缩效应:是指在电弧和喷嘴内壁之间形成的冷却气膜,由于气体电 离度很低,导电性能差,电流很难通过,迫使电弧只能通过电离度高的中心部位, 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 从而对电弧产生的压缩效应; 自磁压缩效应:是指电弧内自由电子的定向移动而产生的指向电弧中心 的电磁力对电弧产生的压缩效应。 由于这三种压缩效应是同时存在,使等离子焰流的能量比较集中,等离子焰 流能够达到很高的温度与速度,从而适合热喷涂的需要。 图.等离子体喷涂原理示意图 .. 锄踟 图.显示了等离子喷涂的原理图。工作气体经过气通道进入等离子弧柱区 后,将发生电离成为等离子体。由于受到压缩作用,等离子体温度升高,体积急 剧膨胀,喷射速度加大。此时将粉末通过进粉通道送入非转移型等离子弧焰流中, 这些粉末被瞬时加热到熔融状态,并随同等离子焰流以高速喷射并沉积到预先处 理过工件表面上,形成一种具有特殊性能的涂层。等离子喷枪一般采用发射电子 和耐高温能力比较强的钨作为阴极,用导热性比较好的铜作为阳极。喷涂过程中, 先在阴阳极之间通入工作气体,然后在阴阳极之间通过高频电压使工作气体电离, 这个过程叫引弧,之后将高频电压换成直流电来维持等离子电弧的燃烧。第章绪论 墓体 非转移弧 转移弧 图.电弧热等离子体的产生 珀 彻 训. 等离子喷涂根据阳极位置的不同可以分为转移弧等离子喷涂和非转移弧等离 子喷涂 。转移弧等离子喷涂如图.所示,它是以喷涂的工件表面作为阳极, 也是不断移 喷涂时,随着喷枪在阳极表面上的移动,电弧的阳极弧根 动的,所以叫做转移弧等离子喷涂。非转移弧等离子喷涂如图.所示,它 是以喷嘴作为阳极,这样,在喷涂过程中,阳极弧根相对于喷嘴的位置是不变的, 听以叫非转移弧等离子喷涂。 ..等离子喷涂的系统组成 图.等离子喷涂的系统组成 黜 .晷.高电压低电流等离子喷涂的特性研究 等离子喷涂设备比较复杂,成套设备由电源、高频振荡器引弧装置、控制 系统、送粉装置、喷水冷却系统以及气路控制系统等部分组成。图.是等离子喷 涂设备组成示意图。辅助设备包括喷涂柜,通风除尘装置,带动喷枪及工件运动 的机械装置等。对于大功率或者超音速等离子喷涂应置于有隔声效果的喷涂室内。 喷涂室内还应有供给压缩空气的管道,在喷涂操作时作冷却气体。对于~些有毒 粉末的喷涂还应该置备防护头盔等保护装备】。 ..等离子喷涂的特性 高温特性。等离子喷涂最大的特点之一是其具有非常高的温度。等离子 弧中心最高温度可达 ,这样高的温度是其它热源无法达到的。例如氧一乙 炔火焰温度最高只有 左右,电焊电弧温度一般在. 之间,氩弧 焊电弧的最高温度也只有. 。由于等离子焰流有着极高的温度,可以 熔化任何粉末,因此被加热的材料不受其熔点高低的限制; ,.。 高速特性。等离子喷涂所具有的高速特性是极其引人注目的。在喷嘴附 近,焰流的喷射速度可达到亚音速甚至超音速。等离子焰流的高速特性是与其高 温特性不可分割的,当工作气体进入等离子电弧中被离解和电离后,被加热到很 高的温度,体积剧烈膨胀而出现热力加速现象。因此焰流自喷嘴喷出的速度就很 高,流量很大,同时具有很大的冲力。在等离子喷涂中,焰流速度高、冲力 大是很有必要的,这对提高涂层与基体的结合强度极为有利; 电特性。等离子弧的电特性主要看它的伏安特性,即等离子弧的电压与 电流的关系,这个关系称为等离子弧的静特性。等离子喷涂电弧具有下降的伏安 特性,即随着电流的增加,其电压就下降,这与电路中电压和电流之问的关系恰 恰相反。等离子电弧的伏安下降特性的原因如下:在电弧中,当电流增加时,电 弧的热电离加强,弧柱的直径增大,使电弧的电阻下降,且其下降的速度比电流 的增加的速度要快,这样其电压就随着电流的增加而下降。因此 对于下降的伏安 特性所用的电源设备来说,采用普通的直流电源是不能稳定工作的,要想使等离 子弧稳定的工作,必须采用具有陡降外特性的直流电源; 稳定性。气体的电离度越高,其导电性能也就越好。因此当外界因素造 成电弧长短变化时,其工作电压和电流的变换不大,这就说明电离后的导电气体 第章绪论 具有很好的稳定性。等离子弧中的气体是经过充分电离的,所以等离子弧的形状、 弧电流和弧电压就更为稳定,它不受外界因素的干扰。这就可以保证等离子喷涂 过程稳定可靠。 ..等离子喷涂的优点及存在的问题 由于等离子焰流的高温、高速以及高传热特性,等离子喷涂和其它热喷涂手段 相比具有很多的优点,叙述如下: 可以获得各种性能的涂层。热等离子体焰流温度高,热量集中,其可喷 涂的材料几乎不受限制。等离子喷涂可以根据工件表面性能的要求获得各种不同 特殊性能的涂层,因此应用非常广泛。 涂层结构致密、粘接强度高。由于等离子焰流的高速特性,粉末能获得 较大的动能,喷涂后的涂层致密度高,气孔率一般在.%之间,涂层与基体的粘 /。 接强度高达一 喷涂后涂层平整、光滑,并可精确控制涂层的厚度。因此,在切削加工 涂层时可直接采用精加工工序。 等离子喷涂可以获得氧化物含量少、杂质少、较纯洁的涂层。采用还原 性气体如氢气和惰性气体如氩气作为工作气体时,能可靠地保护工件表 面和粉末材料不受氧化。因此,等离子喷涂采用上述工作气体时,能适宜于喷涂 易氧化的活性粉末材料,同时能获得比较纯洁的涂层。 喷涂时工件的热变形影响很小,无组织变化。在等离子喷涂过程中,工 件表面不带电,不熔化,再加上粉末的喷射速度高,工件与喷枪的相对位移速度 快,所以对工件表面的热影响很小。经过对喷涂后的工件实际测 量结果表明,这 种热变形是微乎其微的。同时,经过喷涂后的表面不改变原有热处理性能,无组 织变化。 喷涂效率高。由于等离子喷涂的粉末具有高速特点,所以粉末的沉积率 很高。在采用高性能等离子喷涂设备时,每小时粉末的沉积量高达 ,在喷涂 工件批量比较大的情况下,就更能显示出等离子喷涂的高效率。 喷涂工艺规范稳定,调节性能好,容易操作。 等离子喷涂同样也存在一些问题: 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 涂层疲劳强度低。等离子喷涂的涂层疲劳强度比较低。因此,对承受疲 劳强度比较高的齿轮和滚动轴承的滚珠、滚柱等表面不适宜采用此法。 劳动保护要求高。在喷涂过程中,高温高速的等离子焰流必然带来高噪 声。因此,必须采用必要的隔音和消音装置。对少量的有害气体和粉末也必须采 取相应的措施。 ..等离子喷涂技术的应用 热等离子喷涂由于其自身的许多优点,在过去的年中已经被广泛的应用于 各种技术领域,比如说形成各种耐磨涂层,耐高温涂层和耐腐蚀涂层等。尤其是 使用性能优越却极其难熔的陶瓷粉末和硬质合金粉末的喷涂问题,在等离子喷涂 中得到了很好的解决【。其可以喷涂玻璃态金属粉末而不改变粉末的不定形态。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。 耐磨涂层和热障涂层 等离子喷涂涂层的典型应用是耐磨涂层和热障涂层。等离子喷涂耐磨涂层和 热障涂层可以提高工件的耐磨性、耐腐蚀性和热绝缘性,厚度可达以上。碳 化物如、和一些金属的氧化物如、、、等由于具有 较高的硬度而常用于制备耐磨涂层。’具有较低的弹性模量和剪 切强度,一般 加入到、、巾涂层中可以提高其耐磨性能。降低磨损的另一种途径 是减小摩擦系数。在难以采用液体润滑的条件下,作为减摩材料,为应 用广泛的固体润滑材料而受到人们的重视。和可直接作为喷涂涂层,如 涂层在汽车活塞环上的应用掣】;也可作为添加成分来降低磨损。在 锅基体上喷涂一层/涂层,因涂层具有很好的自润滑性而摩擦系数很低?】。 热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作条件下的热屏蔽涂层,其 厚度一般小于。涂层硬度高、化学稳定性好,可显著降低基材温度,从而提 高发动机效率、减少燃油消耗、延长使用寿命。典型的热障涂层由金属结合层和 陶瓷层组成,在金属层中加入陶瓷,形成多层的由金属底层逐渐向陶瓷工作层过 渡的阶梯式梯度涂层。金属层多采用为、或,主要作 第章绪论 用是在底层与面层之间提供一粘结层,同时保护基体不受氧化、 腐蚀。热障涂层 的陶瓷层经常以加入少量的加作为隔热涂层。它的热膨胀系数与金属基 体匹配性好。导热率很好。其涂层坚硬致密,抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异。 非晶、准晶涂层 非晶合金具有较高的强度、硬度和优良的耐磨、耐蚀及磁学性能。然而制备 一块三维的非晶合金在技术上难度很大。而用等离子喷涂技术将非晶粉末喷涂在 廉价的性能较差的金属表面上形成致密的、结合强度较高的非晶涂层,是一种材 料表面非晶化的好办法。等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达~州囔/,这种高 速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。研究表明】,大气等离子喷涂基 非晶合金粉末含、、、等制各的高非晶含量的非晶合金涂层致密 度高、孔隙率低、氧化物含量少,其显微硬度在 ~,结合强度在 以上。准晶材料具有较好的隔热、抗氧化、阻燃、耐磨擦、高温塑性等特点。采 用低压等离子喷涂的方法在合金基体上制备了...准晶涂层,该准 晶涂层在下,大气环境中进行静态氧化实验表明涂层较好地提高了钛 合金基体的抗氧化性能【】。 生物活性涂层 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。目 前用等离子喷涂法制备金属.生物陶瓷复合人工骨材料具高效、涂层坚固、参数可 控、生物相容性好的特点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石涂层和钦涂层的 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,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。钦质植入体具有较好的化学稳定性,与组织结合良好,与体液 相容。我国目前也开展的金属.生物陶瓷复合人工骨材料的研究已经取得可喜的成 果【.涠,中国科学院上海硅酸盐研究所应用等离子喷涂技术制造了人工骨骼,现 己成功应用余例。 纳米涂层 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 当涂层的晶.粒尺寸达到纳米级时,涂层材料的力学、电学、热学、抗摩擦磨 损和抗腐蚀等性能将得到不同程度的提高。使用等离子喷涂的方法制备纳米结构 的陶瓷涂层成为当今热喷涂领域的研究热点。在等离子喷涂纳米涂层中有两个问 题需要解决【日即如何输送纳米粉末,因为纳米粉末太细小而易粘附于送粉系统内 壁上难以顺利到达喷枪的特定区域;另一个是如何在喷涂处理过程中保持纳米结 构,因为喷涂处理是一个高温过程,原始纳米粉末颗粒的增大是难以避免的。当 前解决问题的办法是将纳米粉体制备成能够直接热喷涂的纳米结构“喂料”,主要 采用液体分散喷雾法和机械研磨合成法获得【】。等离子喷涂技术作为一个传统的 涂层制备手段用于喷涂纳米涂层具有独特的优势。如低成本、高 效率,适于工业 化生产,所得涂层结合强度高。不仅可制备致密耐磨的纳米涂层,同时也可制备 多孔性纳米涂层。【等采用真空等离子喷涂制备了纳米/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。 氧化物燃料电池的电介质 固体氧化物燃料电池具有结构简单,能量密度高、成本低、集成性强 等特点,成为许多高级电源的首选,大气等离子喷涂技术制造管状固体氧化物燃 料电池工艺已有报道【。等离子喷涂的诸多优点使其在制造燃料电池组方方面有 潜在优点。但是等离子涂层的多孔特性降低了电介质的气密性和离子电导率,导 致电池效率的降低。对等离子喷涂制备的电介质采用适当的后处理工艺可以使其 性能得到显著的改善。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件无需粘贴,尤 其是适用于大面积压电传感元件和压电作动元件阵列的制作【硎。 总之,在过去的几十年中,等离子喷涂技术的应用一直在稳步的 发展,相信 随着这种技术的进一步成熟,其在未来的发展必将更加的迅速。 .热等离子喷涂研究的新进展 尽管等离子喷涂已经取得了令人瞩目的发展,许多等离子喷涂的基本机理仍 然需要进一步的了解,现在通过对湍流等离子射流的模型分析后认为,射流是由 相互作用着的运动方向相反的冷热两部分流体组成的双流体系统。电极烧蚀以及 由流体动力性能和电弧性能引起的等离子射流不稳定性,导致与等离子喷涂工艺 相关大量参数的控制较为复杂,目前,喷涂工艺参数的选择主要靠经验性的办法, 第章绪论 这成为等离子喷涂获得优质涂层的主要障碍。为了了解工艺参数与喷涂质量之间 的规律,需对等离子体喷涂工艺过程进行更深入的研究。在研究等离子焰流的特 性方面,各种测量仪器的开发和使用已经成为备受关注的问题。这些测量仪器一 方面要求能够经受住恶劣的等离子环境,另一方面,其价格也应该比较便宜,从 而才能获得广泛的应用【】;控制粉末在等离子焰流中的速度,从而提高粉末的沉积 效率也是当前热等离子体研究的热门问题,尤其对于比较昂贵的粉末更是如此, 此外,控制粉末在等离子焰流中的速度还可以改善粉末的熔化状态,提高涂层的 质量:目前研究的另一方向是研究涂层形成的过程,包括涂层闯的结合、涂层与 基体的结合、气孔率及未熔粒子的控制等。这些研究的最终目标是为等离子喷涂 的全过程控制及自动化奠定基础。 .. 等离子喷涂过程的测量技术 等离子体的温度和速度决定着粉末粒子的熔化和速度,进而影响涂层与基体 的结合强度以及涂层自身质量。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。 等离子体的参数测量 目前,对喷嘴内部等离子体参数的测量尚没有比较好的办法,绝大部分的实验 专注于等离子体射流参数的测量。等离子射流温度可通过发射光谱,瑞利散射 甜和相干反斯托克斯喇曼干涉光谱来表征。量热探针可以测量 气体的热焓,进而得到等离子气体的温度,但这种方法是侵入式的,测得的温度 是平均温度,与光谱测得的时间平均温度不同。【捌等人用量热探针测 , 量了氩.氢等离子体射流的温度与速度分布,其测量的温度最高值可达到, 对应的速度为,/,硫等人【】结合量热探针和质量分光仪分析舡混 合等离子体特性,其测量的轴线等离子体温度范围是,.,,对应的速度 范围是.,/,研究表明,在,.,温度范围内,采用焙探针测量 的结果是准确可靠的。在等离子核心,直流电弧等离子射流的速度可以使用光学 方法测得?】,其依据是电弧根波动导致光波动传播。直流等离子射流的瞬态行为 通常借助于快速摄影机来研究,由于阳极弧根的波动周期较短大 约,要 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 求摄影机的快门时间更短小于。 等离子体和粉末之间的相互作用 近几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。对等 离子体射流中粉粒速度的测量技术包括一次闪光或多次闪光照像、高速照像、高 速条纹照像、激光多普勒测速法等。其中,激光多普勒测速法的应用最为广泛, 其主要优点在于测量精度高,被测粉粒的直径和速度范围较大。飞行中粉粒的表 面温度通常采用辐射测量方法进行测定,例如采用双色高温计 四 或绝对辐射强度法等。等人硎采用激光多普勒速度分析仪和双色湿度分析 仪测量了氧化铝粉粒在等离子体射流轴线处的温度分布分布范围,?, 和速度分布分布范围./。杨晖等‘采用型高速运动分析 仪对喷涂粉粒的运动状态进行拍摄,并用计算机进行图像处理分析,获得粉粒速 度及分布。 涂层形成机理的研究 为制备性能可严格控制并具有重现性的涂层,要求充分地了解粉末熔滴撞击 基底表面后发生的现象。得到有关层片形成信息的最简单方法是使用光学显微镜、 扫描电镜或原子力显微镜观察基底上的孤立层片。层片的几何形状也可以用表面 轮廓测定仪测量闲。理解层片形成过程中涉及的撞击过程和凝固现象是控制涂层 形成的关键,为此,要求确定单个粉末颗粒在撞击前的尺寸、温度和速度,并跟 踪该熔滴在基底上的铺展过程和温度随时间的变化关系近来,探测粉末发射的热 辐射通常使用聚焦到基底上的高温计来测量粉末颗粒撞击前的参数,并测定粉末 颗粒在基底上铺展和冷却过程中的温度演化叨。喷涂涂层除了经典的表征方法, 气孔率、粘着力、杨氏模量、残余应力,已经发展了在涂层形成过程中在线跟踪 某些参数的几种方法,比如:利用红外高温计可以监测涂层和基底的表面温度; 利用声发射分析对喷枪位置关系的信号进行详细分析能够很容 易确定喷涂 一道厚度的开始和结束,甚至对诸如微裂纹形成,反弹或剥落产生的能量释放进 行跟踪;使用力学传感器或带有摄像机的激光束,基于在喷涂过程中连续测 量矩形条状试样的曲率弯曲度和位移,可以对喷涂涂层形成过程中的应力演 化进行测定。第章绪论 ..等离子喷涂过程的模拟研究 采用实验测量的方法来研究等离子喷涂特性具有一定的局限性。其一,测量 仪器以及实验成本耗费较大;其二,测量的范围有限,通常对喷枪内部温度和速 度的测量非常困难。因此,采用数学模型对喷涂工艺进行描述和模拟是研究等离 子喷涂的重要手段。对等离子喷涂过程的模拟可以分三种:等离子体的发生过程、 等离子体与粉粒之间的相互作用以及涂层的沉积过程。 等离子体流场特性的模拟 电弧等离子体可分为三个截然不同的区域,郎阳极区域、阴极区域和电弧柱 区域,在热等离子体条件下的传热与流动具有一系列普通气体条 件下所没有的特 点。计算中要考虑到等离子气体传热与流动过程中的大幅度的热物性变化,弧柱 区电流引起的焦耳热,导电气体在磁场中会受到的罗伦兹力。电子的定向运动会 参与能量输运,阴极和阳极附近形成的非线性区域鞘层对电弧电压分布特性 有显著的影响】。此外,如何确定等离子流动的湍流度以及等离子射流中空气的 ’ 卷吸率也缺乏实验数据的支撑。 目前描述此类等离子体的数学模型中,通常采用轴对称层流方 程描述流体的流动,通过方法求解连续方程,动量方程,能量方程以及 湍流方程,对于电弧区域要求解电场方程,对于射流区域一般要求解组分方程。 等离子流动数值模拟的一个难点是阳极弧根位置的确定,通常有三种手段确定其 位置:经验方法,弧压最小方法【”卅以及求解麦克斯维方程的方法。最 早的模拟一般采用二维定常模型,随着计算机技术的发展,越来越多的研究开始 专注于三维定常甚至三维非定常的研究【】。 近些年来,有关流体计算方面的商业软件也不断的涌现,比如通用的流体计 算软件,和?,以及专用等离子喷涂分析软件。许多研究 者应用商用软件进行等离子流场的计算【阀,由于软件功能的限制,在其研究中 大都对模型进行简化,例如忽略电场、磁场的作用。但是商用软件操作方便,不 需要复杂的编程工作,收敛性也比较好,对等离子流场的模拟结果是令人满意的。 流场中粉粒特性的模拟 提高涂层质量关键因素是粉粒能得到适当的加热到完全熔化但不过多的蒸发 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 与获得一定的速度,这取决于等离子体速度和温度的分布特性以及粉粒的注入条 件。因此研究和控制粉粒的运动轨迹与加热历程,对获得性能良好的涂层有着十 分重要的意义。对流场中粉粒特性的模拟除了要知道流场参数的分布外,还要知 道粒子在流场中的轨迹以及粒子与等离子体之间的传热传质,因此,粉粒的数值 模拟可以分为粉粒的运动和加热模拟两部分。绝大部分的模拟要假设粒子是球形 的,粒子运动的模拟通常只考虑流体力学阻力,对于粒径比较小的粉粒有时要考 虑热泳力的影响;粉粒加热过程涉及到其内部的温度分布,对于毕奥数较小的粉 粒,采用集总热容量法,对于毕奥数较大的粉粒,需要考虑粉粒内部的温度分布。 等离子条件下流体力学阻力系数以及对流换热系数的确定迄今还缺乏全面的 实验支撑,此外,连续介质区至自由流区间内二者的确定也存在巨大差异。目 前,对粉粒特性进行了各种模拟研究,包括喷枪湍流工作条件下,粉粒载气和粉 粒直径对沉积偏移现象的影响【】;等离子喷涂中粉粒加热加速特性以及分布统计 特性闻;送粉气体和热泳力对粉末特性的影响【】;以及金属粒子在稀薄等离子体 中的非定常加热过程【】。 一般情况下,对于流场中粉粒特性的模拟结果能够比较准确描述粉粒的加速 和加热历程。尽管如此,对等离子体和粉粒相互作用的模拟研究 还存在以下问题 需要解决:湍流对粉粒运动的影响往往被忽略,而这有时是很重要的;粉粒与等 离子体边界层的状态比较复杂,换热系数的选取必然受到不同气体环境以及温度 的影响,在这方面的研究还有待深入;对粉末在加热过程中相变和变性是需要解 决的问题;如何考虑粉粒之间以及粉粒对等离子体的影响,还需要进一步探讨。 粉末与基体相互作用的模拟 粉末从开始碰撞到完全冷却凝固的整个过程只有几微秒到几十微秒,很难直 接进行观察,因此,数值模拟方法成为这类研究的主要手段。许多实验结果表明, 熔滴碰撞基体前、后的状态和行为决定了涂层的结构和性能及涂层与基体的结合 强度,而熔滴在喷涂过程中的扁平化和冷却凝固过程可以认为是独立的【】,因此, 单一熔滴与基体的相互作用的阐明就成为等离子喷涂的主要课题。经行过理论处 理,得出了扁平粒子的最终直径与雷诺数的关系,但其预测值和实验结果存在较 大的差距;最近,对熔滴的扁平过程的研究主要通过直接求解“方程第章绪论 来完成。李长久【帅采用流体动力学计算软件,结合. 技术,模拟研究了等离子喷涂熔滴碰撞基体后的扁平过程。王鲁等【】数值方法研 究了熔化状态颗粒在不同粗糙度的基体表面的冲击平化变形过程。 随着模拟技术的不断进步,目前研究的一个方向是对等离子喷涂工艺的全过 程进行模拟,即把电弧模拟、等离子体和粉粒相互作用模拟、粉粒和基体相互作 用的模拟完整的结合在一起,找出最佳的喷涂工艺配置。 .等离子喷涂设备的新进展 科技的飞速发展对等离子喷涂技术提出了更高的要求,然而迄今为止,大气 等离子喷涂仍存在许多不足之处:首先,阳极弧根的剧烈波动导致等离子气体的 流动是紊乱的,射流的刚性差,随着距离的增加,等离子射流会卷入大量的空气, 因此过程的高温会使一些材料发生相变、分解或、等元素的损失,影响涂层 性能,从而使一些重要涂层的喷涂受到限制,比如.和涂层, 又如喷涂难熔金属时,金属会与氧反应生成金属氧化物,导致涂层密度、强度和 塑性显著下降;其次,通常使用的等离子喷枪产生的等离子焰流通常都是亚音速 的,对粉末粒子的加速能力差,粒子的速度一般在/之间,因此涂层与 基体间的结合强度低,涂层的致密度差。因此,对一些容易变性粉末的喷涂,超 音速火焰喷涂正在成为最佳的选取对象;涉及到一些涂层的重要性能方 面,如涂层的结合强度、内聚强度和致密度等,等离子喷涂已渐渐让位于工 艺,表.显示了各种热喷涂方法在近几十年来的应用比例。 表 主要热喷涂方法的应用比例% 坐::堕盟丛塑篮壁幽塑幽墅型墅 热喷涂方法 年 年 年 然而等离子喷涂依然有其自身的优势:首先,等离子喷涂的发展历史长,技 术水平和喷涂工艺都比较成熟;其次,在各种热喷涂的热源中,等离子焰流的温 度是最高的,通常在,以上,而超音速火焰喷涂的焰流温度仅为 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 ,.,,因此等离子喷涂对粉末的熔化也最好;再次,等离子喷涂通常采用 氩气、氢气、氮气甚至空气作为工作气体,喷涂成本比使用氧.丙烷的超音速火焰 喷涂来得更低。因此,开发新型的等离子喷枪以适应新的工业要求是很有意义的。 此外,在传统的等离子喷涂领域,如何更加充分的熔化粉末,提高粉末的沉积效 率也是人们普遍关心的问题。基于以上原因,在现有的基础上,开发新型的等离 子喷枪以适应不同的喷涂要求是等离子喷涂发展的重要方向。当前国际上先进等 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很大的进展。 大功率超音速等离子喷涂 等离子喷涂的大功率化是等离子喷涂的发展趋势之一,日本研制的风洞式超 高能等离子喷涂装置,其功率一级加速为,二级加速为,如果多级连 接,功率可达数兆瓦【】。李长峰‘】等设计的大功率等离子喷枪 使用了拉法尔喷嘴, 射流的速度可以达到超音速。超音速等离子喷涂综合了等离子喷涂和超音速火焰 喷涂的优点,‘大功率扩展的等离子弧有效地加热主气体和次气体,从喷嘴射出稳 定、集聚的超音速等离子射流,喷涂粉末经送粉嘴加入超音速等离子流,获得很 高的温度和动能,撞击在工件表面形成涂层。与传统的等离子喷涂相比,超音速 等离子喷涂由于提高了颗粒的飞行速度可以得到更为致密的涂层,而且涂层结合 强度高、没有分层现象。 低压等离子喷涂 低压等离子喷涂方法又称真空等离子喷涂方法,是在一个低 真空的密闭空间被进行的等离子喷涂。等离子喷枪、工件及其机械运转装置全部 置于密闭室内,在室外对喷涂过程进行控制。在大气等离子喷涂过程中,当 喷涂距离为 时,卷入到等离子体中的大气量约占%,易导致喷涂材料的 氧化。低压等离子喷涂是在密闭的惰性气氛里喷涂,喷涂粒子以及工作工件表面 完全避免了氧化,工件温度也比在大气气氛里高。同时等离子电弧在低压环境中, 其射流变租拉长,高温区域宽,射流密度变小,射流速度高。压力越低,射流温 度越高,从而使等离子射流的温度场和速度场都发生很大变化。进入等离子射流 中的粉末在高温区滞留的时间增加,粉粒受热更加均匀,同时熔粒的飞行速度也第章绪论 显著提高。 层流等离子喷涂 目前,等离子喷涂所用的等离子射流多为湍流,由于湍流本身的特点,造成 耗能较大、?,粉末沉积效率较低,容易造成零件过熟,涂层结合强度降低, 噪声大等弊端。而若实现等离子射流的层流化,则上述弊端可明显改善, 在喷涂中会带来许多优点:可以通过改变喷涂参数来改变层流等离子射流长度最 长可达,以此来控制粉末的加热和加速时间;避免了湍流射流对周围空 气的吸卷,降低了粉末的氧化程度;降低了喷涂功率,可以用较小的功率喷涂各 种高熔点粉末;噪声低,降低了对周围环境的影响。然而层流等离子喷 涂的有一个重要缺陷,那就是为了保持等离子的层流状态,电弧电流非常高,同 时工作气体的流量必须控制得很小四,因此等离子对粉末的加速性很差,迄今, 层流等离子喷涂还未在工业上取得实际的应用。 液料等离子喷涂 液料等离子喷涂就是在传统的等离子喷涂的基础上增加液体进料系统。在喷 涂过程中,液料由双流体型雾化喷嘴雾化成细小液滴后送入等离子射流中,液滴 受热发生蒸发、分解等物理化学反应形成细小颗粒并沉积在基体上形成涂层。液 体进料降低了对粉末粒径和流动性的要求,扩展了可喷材料的范围。 轴向送粉等离子喷涂 采用轴向送粉的等离子喷涂可以更有效的加热粉末粒子,实验结果表明: 轴向送粉式等离子喷涂枪的功率明显低于普通等离子喷涂枪,其喷涂的陶瓷涂层 的性能优于普通等离子喷涂。加拿大怕公司开发出的?型三阴极 送粉 等离子喷涂系统可真正实现轴向送粉,它在降低对粉末粒度要求的同时提高了粉 末的沉积效率,而且能得到高质量的涂层。三阴极等离子喷枪由三个阴极和几个 被绝缘的环体串连构成的喷嘴组成,只有离阴极最远的环体作为阳极工作,这样 从三个阴极到同一个阳极产生的等离子弧稳定不变,从而产生稳定的等离子焰流。 大连海事大学高阳教授嗣提出并研制的一套低功率、高效率等离子喷涂系统 如.,与传统等粒子喷涂比较,将粉粒直接用轴向送粉方式添加到阴极电 弧附近,携带气体能够被电弧加热为热等离子体,喷涂消耗的能量低, 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 粉末沉积效率高%。 实时控制技术 由于等离子电弧的不稳定性,涂层质量很难精确控制,实时控制技术的引入大 大提高了等离子喷涂工艺的稳定性和再现性。美国&渔瓜.公司开发 .型等离子喷涂系统采用专有软件实时控制和监测等离子弧的净能量。采 用净能量算法使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。操作者键入优 化参数后,控制模块控制整个工艺过程,监测和实时显示喷枪效率,使系统参数 根据喷枪条件而反应,并作出相应调节以维护目标等离子体能量,提供稳定的能 量输出水平。 .本文研究的目标和研究内容 综合以上的论述可以发现,如何更充分有效的加热粉末,提高涂层质量和粉 末沉积效率是大气等离子喷涂发展的重要闯题。这一闯题与喷涂功率,送耪方式, 以及等离子焰流和粉末之间的相互作用密切相关。电弧功率等于电弧电流和电弧 电压的乘积,因此,可以通过提高电弧电流和提高电弧电压两种手段提高喷涂功 率。传统的方法是通过增加电流强度来提高喷涂的功率,对于径向外送粉的等离 子喷涂,其屯弧电流可以达到。过高的电流强度会降低喷枪的热效率,并 导致喷嘴的烧损,因此通过提高电弧电压来增加喷涂功率就应该成为更好的方法。 本文选题确定为“高电压低电流等离子喷涂的特性研究”,研究重点是对比高 电压低电流的等离子喷涂与传统低电压高电流等离子喷涂的特性差异,本文的研 究主要分为以下几个部分: 设计新型的双阳极等离子喷枪,通过第二阳极拉伸电弧长度,从而达到 提高电弧电压和电弧功率的目的; 通过实验方法对双阳极喷枪的电特性与热特性进行测量,主要研究内容 包括:量热探针诊断系统的开发,等离子射流的温度和速度分布,喷枪的热效率, 不同气体成分下电弧的伏安特性,以及气体流量对电弧电压的影响; 通过实际的喷涂研究双阳等离子喷枪的喷涂特性,其重点是比较其与传 统喷枪喷涂特性的差异。喷涂特性的研究包括两个方面,其一是通过氧化铝粉末 过冷凝固中的相变来研究喷涂对于粉末的传热能力,其二是通过碳化钨粉末的脱 第章绪论 碳来研究喷涂对于粉末的保护能力; 通过三种不同送粉位置条件下,粉末熔化率,涂层质量以及粉末沉积效 率对比,来研究送粉方式对喷涂特性的影响,从而证明轴向送粉方式的优越性; 此外还对气体成分对于喷涂特性的影响作了研究; 通过数值方法研究粉末与等离子焰流之间的相互作用,从而达到优化喷 涂参数的目的,并对喷枪的设计提出可行性建议。 通过本文的研究可以期望加深对等离子基本特性的理解,为新型喷枪的设计 提供思路。本文研究是国家自然科学基金资助项目?.的一部分。 高电压低电流等离子喷涂的特性研究 第章双阳极等离子喷枪的原理及开发 本章介绍了等离子电压的组成和电弧分流的原理,结合具体实验探讨了电弧 电压的影响因素,从而提出双阳极等离子喷枪的设计思路,阐述其提高电弧电压 的原理,并探讨了双阳极喷枪的一些基本特性。 .电弧电压及其影响因素 ..电弧电压的组成 阳援位降区 图.熟喷涂等离子电弧的组成 .. ? 典型的热喷涂等离子电弧如图.所示。电弧由阴极的端部阴极弧根出发, 此时,电弧的直径是很小的。当电弧向下游发展时,随着冷气体不断地卷入电弧, 电弧的直径逐渐膨胀,冷气层的厚度相应变薄。最终,在下游的某点冷气层会被 击穿。从而在阳极喷嘴的表面形成阳极弧根。通常来说,可以把热喷涂等离子电 弧划分成四个区域,即阴极区,轴向弧柱区,径向弧柱区,和阳极区。相应的, 电弧电压也由四部分组成: . ‰%?? 其中:%为阴极区位降,攻为轴向弧柱区位降,硌为径向弧柱区位降,%为阳极 区位降。 所谓阴极区和阳极区是指靠近阴极以及阳极表面的薄的鞘层,它们的空间尺 度很小,通常在大气压的条件下,厚度仅为量级。然而,电极 区的电 场强度很高,物理过程也很复杂。在这个区域内不满足电准中性条件,一般也不 第章双阳极等离子喷枪的原理及开发 存在热力学平衡。在阴极区,由于阴极较强的发射电子能力,在该区域自由电荷 高度聚集,电场强度的变化非常的剧烈,高达矿、,,,比弧柱区的电场强度高 出几个数量级。阴极区的电压位降值与电极材料,电极冷却,气体压力以及电弧 特性有关。阳极区的物理过程和阴极区有着本质的不同。阳极仅是接受弧柱射入 的电子流,其本身并未参加电弧放电的基本过程。阳极本身没有发射正离子的显 著能力,因此,阳极区的电压位降要比阴极区小。而且一般说来,电流越大,阳 极位降就越小。轴向弧柱区的电压取决于弧柱区的电场强度以及电弧的长度,它 可以用下面的公式表示: . 矿协 其中为电场强度,为轴向坐标。可以看到,增加电场强度和电弧长 度都可以提 高轴向弧柱区的电压,这也是等离子喷枪设计中普遍使用的提高总的电弧电压的 方法。径向弧柱区的电压则与轴向弧柱的边缘和阳极喷嘴之间的厚度有关,随着 电弧向喷嘴下游方向发展,冷气层的厚度越薄,径向弧柱区的电压随之减小。 .. 最小值原理 在对电弧观察和分析的基础上,提出了使电弧处于稳定状态的弧压 最小值原理,可以简单表述如下一在给定电流和边界条件的情况下。稳定状态下