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等离子喷涂简介

更新时间  2020-04-21 13:50:51 阅读

  等离子喷涂简介

  等离子喷涂的基本原理:

  等离子喷涂基本原理如下图所示。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。

  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6070MPa

  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250℃,因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。

  等离子喷涂的分类:

  等离子喷涂技术发展概况

  在过去的一段时间里,等离子体喷涂技术得到了很好的确立和广泛的应用,其范围从耐腐蚀、耐热、耐磨涂层到生产整体的近最终形状金属或陶瓷部件。“玻璃”金属粉末不必改变它们的非结晶性能即可进行等离子体喷涂,如近年来证实,超导材料可以通过等离子体喷涂过程进行沉积。

  除了最普遍的常压空气中等离子体喷涂过程(APS)外,其他等离子体喷涂过程也得到了发展。诸如低压喷涂(LPPS),超声速喷涂,控制环境喷涂(如氩气中)甚至水下等离子体喷涂。针对各种等离子体涂镀过程的等离子体炬设计基本如下图所示。其原理是在棒状阴极和喷管状阳极之间通过直流电弧产生等离子体射流。  近年来对等离子体炬的研究涉及中央喷射微粒子、等离子体射流包套,并且结合等离子体周流与反旋周流以提高沉积的效率和涂层的质量。一种新的等离子体喷涂方法是利用感应耦合高频(射频)等离子体,由于其高效的热喷涂过程而日益受到重视。在最近的革新中,自动化和机器人技术应用于等离子体喷涂过程可能是这一快速发展领域中最重要的新进展。

等离子喷涂

  等离子喷涂技术模型

  尽管有以上这些重大进展,但是人们对于等离子体喷涂过程的一些基本原理并没有十分深刻的认识,包括等离子体射流的特性,等离子体与粉末粒子的相互作用以及基材上涂层的形成机理等。

  就直流等离子体喷涂(APS)而言,等离子体射流的流体动力学过程导致湍流产生,从而将周围气体卷挟进等离子体射流之中,如下图。下图示意的等离子体射流的这种行为已通过阴影图和CARS光谱测量、条件抽样试验和等离子体射流取样探测得到证实。

  叠加在上述流体动力效应上的是涌动和抖动(surging and whipping motion),它可从等离子体射流的时间分辨照片看出(下图)。阳极喷管内,电弧根部的轴向和切向运动引起电弧不稳定,使等离子体射流产生这些不定常运动。电弧不稳定与电弧电压、声光发射脉动之间的相互关联可以证实这种可观察到的等离子体射流的脉动,在很大程度上是由于电弧的不稳定引起的。

  最近对工业喷炬的研究表明,无论是有旋还是无旋的等离子气体流动,在2kHz~6kHz的频率范围都有脉动,并且电弧状态对等离子气体的组成成分(Ar/H2Ar/HeAr/N2混合物)具有很强的依赖关系这种脉动影响炬的性能(阳极寿命)和喷涂质量。研究人员已设法用磁性探测器测量了阳极喷管内电弧根部的运动,并且利用Steenbeck最小原理计算了阳极喷管内阳极电弧根部的位置。实验结果与分析预测比较吻合。

  前面讨论的等离子体射流的脉动在极端情况下可能导致如下图所示的情况,即喷入的粉末粒子并未射入绝大部分热等离子体射流,于是涂层上未熔或部分熔化的粉末将使涂层质量大大降低。

  要建立等离子体喷涂过程的模型,首先要建立一个等离子体射流的完整模型。然而,等离子体射流的建模面临着诸如实验观察显示的一系列障碍。利用激光散射发射谱(Rayleigh和会集的Thomsen散射)测量法、激光Doppler测风速法、焓探测器法、质谱测定法对等离子体射流进行的诊断实验可以看出几乎所有的等离子体射流都可能与局域热力学平衡(LTE)有很大的偏差。这点以及前述的典型等离子体射流的脉动都给建模的尝试带来了严重困难。

  一个符合实际的模型还必须考虑到周围气体的大量卷入。惯用的湍流模型不能预计湍流的间歇和分离现象。这类模型忽视了实际湍流的“斑点特征(spottiness)”和“碎块特征(fragmentariness)”,而这些特征在许多情况下都可观察到。只有多相湍流模型才可能再现这些特征。

  基于Spalding研究的模型把等离子体射流视作冷热两种流体的混合物,向外运动的部分为热流体碎块,向内运动的为冷流体碎块。

  支配方程包括两种不同流体部分(向内运动的部分和向外运动的部分)的质量、动量和能量输运方程。支配流体间质量、动量和能量交换的物理现象的辅助关系及对控制碎块大小的增减机理的描述同时运用。其结果可通过条件和无条件平均形式给出并与利用焓探测器测量的实验结果对比。

  由于等离子体喷涂涂层的质量严重依赖于粒子的性质,包括速度、温度、熔化程度及其统计分布。为发展预测等离子体中粒子行为的能力,人们已做出了很大的努力,从最初简单地将粒子作用与等离子体流动分离开来发展到今天的迭代技术,包括粒子云对等离子体流动的作用,也发展出结合进LAVA程序的随机粒子喷涂模型。

  LAVA程序可以预计粒子轨迹和热过程,包括自洽地计算与气体运动同时发生的熔化和粒子的湍流扩散。与暂态的多组分非局域热力学平衡性能相结合,随机粒子喷涂模型视LAVA为一个独特的综合计算模型。

  等离子喷涂技术在传统领域的应用

  1、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,而且涂层摩擦系数小,能耗低,在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用Al2O3、Cr2O3TiO2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,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,并且在相同的工况下,摩擦系数从原来的0.11下降到0.089,显示出喷铝涂层在润滑条件下,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。

  2、耐热涂层

  耐热涂层多应用于高温工程,它包括抗高温氧化、高温隔热等,一般采用氧化铝作为耐热涂层,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)和冷却技术都难以满足设计要求,解决这一问题的办法就是在承受高温的零部件上喷涂热障涂层,以起到阻止热的传递,防止基体金属温度升高或降低基体的受热温度等作用。

  3、防腐蚀涂层

  选择这类涂层比较复杂,因为零件的服役状态、环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求,一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料,通过提高涂层的致密性,堵住腐蚀介质的渗透,合理匹配涂层材料与零件基材的氧化/还原电位,防止电化学腐蚀,常应用于耐化学腐蚀的液体泵等。

  4、电绝缘与导电涂层

  这类涂层具有一定的特性,按其性质可分为:导电涂层、电气绝缘涂层和电磁波屏蔽涂层。一般采用氧化铝陶瓷等作为介电涂层,常用于加热器管道,烙铁焊头等;采用铝、铜作为导电涂层,常用于电容器、避雷器等。

  5、恢复尺寸涂层

  这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求,常用于轴类、盘类等。

  6、间隙控制涂层

  气体压力驱动的机械效率取决于机器的密封能力,因而要求转动与静止零件之间具有非常紧密的配合间隙,常用于压缩机和涡轮机部件。

  等离子喷涂在高新技术领域的应用

  1、纳米涂层

  目前采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co涂层,涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善,在4060N载荷下,纳米WC/Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/6

  美国康涅狄格州大学等对等离子喷涂纳米结构Al2O3-TiO2系涂层进行了系统的研究,包括纳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,研究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45MPa,明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。

  2、梯度功能涂层(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设计、制备和性能评价3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,已被研究的其它体系还包括:Cu/WCu/B4C、与Al2O3-Cr2O3结合的Ni基合金、具有CoCrAlYNiCoCrAlYZrO2、具有MoTiC、具有YSZ涂层的Ni-20%CrNi/Al2O3WC/Co等。

  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FGMs的结合强度为18MPa,双层涂层仅为9MPa,而FGMs的抗热循环寿命是双层涂层的6倍。

  Sudarshan Rangaraj等设计了5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、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94K。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920℃×1h,降至400℃再保温1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy陶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,因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达106/s的急冷冷却速率,只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数,很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy的喷涂态涂层具有超导特性。

      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2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。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。

  5、其它应用

  等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105~106/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(SiBCrNi)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,其显微硬度大于850HV,结合强度在27MPa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做功元件阵列的制作。另外大气等离子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。

  等离子体喷涂技术研究方向

  目前的研究方向主要集中在诊断实验和建模两方面。其目的是:

  1、改进和优化等离子体炬的性能。包括研究由于流体动力学过程和典型的等离子体炬中的相关电弧行为引起的等离子体射流的不稳定性。与电弧的状态密切相关的问题是电极侵蚀。

  最新的等离子体湍流模型提出了用两种流体描述等离子体及其周围环境的方法。由于模型中迄今未能包括等离子体流脉动的影响,模拟结果尚不能与实验数据进行比较。最近,已有尝试在这类模型中引入脉动的报道。

  2、目前研究的另一个重要目的是粒子喷涂型式的控制和与之相联的沉积效率的优化。这在喷涂贵重粉末物质时受到特别关注。除了沉积效率之外,涂层质量也会受到喷涂型式的严重影响。

  3、最近的一些研究集中在基材上涂层的形成,包括摊片(splat)形成,摊片的固化,摊片微结构,相邻摊片粘聚力,基材上涂层的附着力、涂层中孔隙率及未熔量的控制等。研究发现,基材温度是涂层附着力的决定参量。喷涂过程中固有的残余应力是涂层是否完整或失效的决定因素。

  由于对等离子体喷涂过程的全面控制是这一领域研究和开发的最终目的,所以,完整的数据库的建立和基本控制参数的选择在过去几年受到特别的关注。它不仅应用于常压等离子体喷涂(APS),而且还应用于其他等离子体喷涂过程。

  最新的开发工作基本上有如下几个方面:

  1、传感器的研制。这种传感器必须在等离子体喷涂的不利环境下耐用,同时其造价又不能太贵(值得花费)

  2、在各种控制对策中,等离子体射流状态(焓水平和等离子体射流的脉动)的反馈控制是一种可行的选择。

  3、喷入等离子体中的粉末粒子温度、速度控制是具有挑战性的问题。世界各国的许多等离子体喷涂的一流实验室都在致力于解决这一难题。

  4、对涂层厚度的现场控制是另一个难题,且还没有得到解决。

  5、已有重大进展的机器人技术已经在涂镀过程中喷雾炬运动和基材运动两方面得到了成功的应用。

  在过去的时间里,等离子体喷涂的应用经历了一个缓慢但却是稳步成长的过程。缺乏有效的控制手段是这一领域进步的基本障碍。因此,随着整体的自动化控制水平的更加提高,等离子体喷涂技术有望得到更快的发展。

 

 



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