等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。 等離子涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。 

等粒子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后大力發(fā)展起來(lái)的一種新型多用途的精密噴涂方法，它具有:①超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂,②噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高。③由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。

等離子的形成(以n2為例)：

0°k時(shí)，n2分子的兩個(gè)原子程啞鈴形，僅在x，y，z方向上平動(dòng):大于10°k時(shí)，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);

大于10000°k時(shí)，原子間產(chǎn)生振動(dòng)，分子與分子間碰撞，則分子會(huì)發(fā)生離解變?yōu)閱卧樱?/p>

n2+ud--&gtn+n 其中 ud為離解能

溫度再升高，原子會(huì)發(fā)生電離:n+ui--&gtn++e 其中 ui為電離能

氣體電離后，在空間不僅有原子，還有正離子和自由電子，這種狀態(tài)就叫等離子體。

等離子體可分為三大類：①高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達(dá)幾億度，用于核聚變的研究；②低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫度僅為50~250度；③高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬(wàn)度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動(dòng)能接近于熱平衡，熱噴涂所利用的正是這類等離子體。

噴涂原理:

等粒子噴涂原理如下圖所示。

等粒子噴涂是利用等離子弧進(jìn)行的，離子弧是壓縮電弧，與自由電弧項(xiàng)比較，其弧柱細(xì)，電流密度大，氣體電離度高，因此具有溫度能量集中，弧穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

按接電方法不同，等離子弧有三種形式：

①非轉(zhuǎn)移弧:指在陰極和噴嘴之間所產(chǎn)生的等離子弧，這種情況正極接在噴嘴上，工件不帶電，在陰極和噴嘴的內(nèi)壁之間產(chǎn)生電弧，工作氣體通過(guò)陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱，造成全部或部分電離，然后由噴嘴噴出形成等離子火焰(或叫等離子射流)。

等粒子噴涂采用的就是這類等離子弧。

②轉(zhuǎn)移弧:電弧離開(kāi)噴槍轉(zhuǎn)移到被加工零件上的等離子弧，這種情況噴嘴不接電源，工件接正極，電弧飛越噴槍的陰極和陽(yáng)極(工件)之間，工作氣體圍繞著電弧送入，然后從噴出。

等離子切割，等離子弧焊接，等離子弧冶煉使用的是這類等離子弧。

③聯(lián)合弧:非轉(zhuǎn)移弧引燃轉(zhuǎn)移弧并加熱金屬粉末，轉(zhuǎn)移弧加熱工件使其表面產(chǎn)生熔池。這種情況噴嘴，工件均接在正極

等離子噴焊采用這種等離子弧。

進(jìn)行等粒子噴涂時(shí)，首先在陰極和陽(yáng)極(噴嘴)之間產(chǎn)生一直流電弧，該電弧把導(dǎo)入的工作氣體加熱電離成高溫等離子體，并從噴嘴噴H形成等離子焰，等離子焰的溫度很高，其中心溫度可達(dá)30000*k，噴嘴出口的溫度可達(dá)15000-20000K，焰流速度在出口處可達(dá)1000~2000m/s，但迅衰減。粉末由送粉氣送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，噴射到基體材料上形成膜。

下圖為等離子焰流溫度分布

等粒子噴涂設(shè)備:等離子噴涂設(shè)備主要包括:

①噴槍:實(shí)際上是一個(gè)非轉(zhuǎn)移弧等離子發(fā)生器，是最關(guān)鍵的部件，其上集中了整個(gè)系統(tǒng)的電，氣，粉，水等②電源:用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。③送粉器:用來(lái)貯存噴涂粉未并按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。
④熱交換器:主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達(dá)到使噴延壽的目的。
⑤供氣系統(tǒng):包括工作氣和送粉氣的供給系統(tǒng)。
⑥控制框:用于對(duì)水，電、氣、粉的調(diào)節(jié)和控制。

等粒子噴涂工藝:

在等粒子噴涂過(guò)程中，影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，主要有

①等離子氣體：

氣體的選擇原則主要根據(jù)是可用性和經(jīng)濟(jì)性，n2氣便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利于粉未的加熱和熔化，但對(duì)于易發(fā)生氟化反應(yīng)的粉未或基體則不可采用，ar氣電離電位較低，等離子弧穩(wěn)定目易于引燃，弧焰較短，適于小件或薄件的噴涂，此外ar氣還有很好的保護(hù)作用，但ar氣的熱焓低，價(jià)格昂貴。

氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴涂效率，涂層氣孔率和結(jié)合力等。流量過(guò)高，則氣體會(huì)從等離子射流中苦走有用的熱，并使噴涂粒子的速度升高，減少了噴涂粒子在等離子火焰中的"滯留"時(shí)間，導(dǎo)致粒子達(dá)不到變形所必要的半熔化或塑性狀態(tài),結(jié)果是涂層粘接強(qiáng)度、密度和硬度都較差，沉積速率也會(huì)顯著降低;相反，則會(huì)使電弧電壓值不適當(dāng)，并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會(huì)引起噴涂材料過(guò)熱，造成噴涂材料過(guò)度熔化或汽化，引起熔融的粉未粒子在噴嘴或粉未噴口聚集，然后以較大球狀沉積到涂層中形成大的空穴。

②電弧的功率：

電弧功率太高，電弧溫度升高，更多的氣體將轉(zhuǎn)變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘攘Ｗ恿?，等粒子火焰溫度也很高，這可能使一些噴涂材料氣化并引起涂層成分改變，噴涂材料的蒸汽在基體與涂層之間或涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴和電極燒蝕。

而電弧功率太低，則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰，又會(huì)引起粒子加熱不足，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度，硬度和沉積效率較低

③供粉

供粉速度必須與輸入功率相適應(yīng)，過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)生粉(未熔化)，導(dǎo)致噴涂效率降低;過(guò)低，粉未氧化嚴(yán)重，并造成基體過(guò)熱。送料位置也會(huì)影響涂層結(jié)構(gòu)和噴涂效率，一般來(lái)說(shuō)，粉末必須送至焰心才能使粉未獲得最好的加熱和最高的速度。

④噴涂距離和噴涂角

噴槍到工件的距離影響噴涂粒子和基體撞擊時(shí)的速度和溫度，涂層的特征和噴涂材料對(duì)噴涂距離很敏感,噴涂距離過(guò)大，粉粒的溫度和速度均將下降，結(jié)合力、氣孔、噴涂效率都會(huì)明顯下降，過(guò)小，會(huì)使基體溫升過(guò)高，基體和涂層氧化，影響涂層的結(jié)合。在機(jī)體溫升允許的情況下，距適當(dāng)小些為好。
噴涂角:指的是焰流軸線與被噴涂工件表面之間的角度。該角小于45度時(shí)，由于"陰影效應(yīng)”的影響，涂層結(jié)構(gòu)會(huì)惡化形成空穴，導(dǎo)致涂層疏松。

⑤噴槍與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

噴槍的移動(dòng)速度應(yīng)保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡，也就是說(shuō)，每個(gè)行程的寬度之間應(yīng)充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴涂操作時(shí)，一般采用較高的噴槍移動(dòng)速度，這樣可防止產(chǎn)生局部熱點(diǎn)和表面氧化。

⑥基體溫度控制

較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預(yù)熱到噴涂過(guò)程要達(dá)到的溫度，然后在噴涂過(guò)程中對(duì)工件采用噴氣冷卻的措施，使其保持原來(lái)的溫度

近幾年來(lái)，在等離子噴涂的基礎(chǔ)上又發(fā)展了幾種新的等離子噴涂技術(shù)，如：

3.真空等離子噴涂(又叫低壓等離子噴涂)

真空等離子噴涂是在氣氛可控的，4~40kpa的密封室內(nèi)進(jìn)行噴涂的技術(shù)。因?yàn)楣ぷ鳉怏w等離子化后，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合于對(duì)氧化高度敏感的材料

4.水穩(wěn)等離子噴涂

前面說(shuō)的等離子噴涂的工作介質(zhì)都是氣體，而這種方法的工作介質(zhì)不是氣而是水，它是一種高功率或高速等離子噴涂的方法，其工作原理是：

噴槍內(nèi)通入高壓水流，并在槍筒內(nèi)壁形成渦流，這時(shí)，在槍體后部的陰極和槍體前部的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極間產(chǎn)生直流電弧，使槍筒內(nèi)壁表面的-部分蒸發(fā)、分解，變成等離子態(tài)，產(chǎn)生連續(xù)的等離子弧。由于旋轉(zhuǎn)渦流水的聚束作用，其能量密度提高，燃燒穩(wěn)定，因此，可噴涂高熔點(diǎn)材料，特別是氧化物陶瓷，噴涂效率非常高。

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