等离子喷涂技术简介及其应用前景

1等离子喷涂技术PlasmaSprayingTechnology2主要内容等离子喷涂介绍等离子喷涂技术分类等离子喷涂技术特点等离子喷涂技术应用问题及展望3等离子喷涂技术介绍热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分，它是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。热喷涂技术热喷涂过程是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。4热喷涂技术热喷涂的工艺方法有很多种，根据加热源的不同可分为：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂(APS)、爆炸喷涂等离子喷涂技术介绍5等离子喷涂技术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的热喷涂方法。等离子体：自然界物质的第四态——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，其温度可达15000℃以上。等离子喷涂技术介绍6等离子喷涂原理示意图等离子喷涂原理示意图等离子喷涂技术介绍7等离子喷涂设备组成等离子喷涂技术介绍8等离子喷涂设备组成：（1）整流主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。等离子喷涂介绍9（2）控制柜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、工作电流及调频电流，能方便地调节水、气和电参数等并加以显示。等离子喷涂介绍10等离子喷涂介绍（3）喷枪核心装置。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中经过熔化加速过程最终喷射到东奔基材表面。由阴极、喷嘴（阳极）、朝气道与气室、送粉器、水冷密封、绝缘体及枪体构成。11等离子喷涂介绍（4）送粉器贮存和向喷枪供给粉末的装置。送粉器的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。12等离子喷涂介绍（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。13等离子喷涂介绍（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。储气瓶减压阀流量计14主要内容等离子喷涂介绍等离子喷涂技术分类等离子喷涂技术特点等离子喷涂技术应用问题及展望15等离子喷涂技术分类根据工作介质的不同，可分为：气体稳定等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂。16(1)大气等离子喷涂大气等离子喷涂是用Ar、N2、H2作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层的方法。大气等离子喷涂主要用于制备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。等离子喷涂技术分类PRAXAIR大气等离子喷涂系统17(2)可控气氛等离子喷涂等离子喷枪置于密封舱室内，可形成各种不同的气氛。等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量可以得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。(3)反应等离子喷涂在热等离子源中，反应物(粉末状颗粒)和反应气体进入等离子焰流中，并在喷射向基体的过程中，颗粒表面形成化合物，到达工件表面和其它材料的颗粒产生化学反应形成涂层。制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料涂层，如TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN、Mo-MoSi2等。等离子喷涂技术分类18(4)超音速等离子喷涂普通等离子喷涂粒子的飞行速度约200m/s，而超音速等离子喷涂粒子速度可达400～600m/s。涂层更加致密，涂层的内聚强度和结合强度更高。(5)液稳等离子喷涂工作介质为气体时，等离子弧空腔温度很高，内壁受温度的限制，难于提供再高的温度。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，能够提供更高的温度。目前，市场上可提供的水稳等离子喷涂设备，其功率可达120～200kW，最高温度可达50000℃。等离子喷涂技术分类哈尔滨焊材所向乌克兰引进的设备19等离子喷涂应用比例：热喷涂方法1960年1980年2000年丝材火焰喷35114粉末火焰喷35288丝材电弧喷15615等离子喷155548高速火焰喷涂--25等离子喷涂具有哪些优异的特性呢？等离子喷涂技术特点20（1）可以获得各项性能的涂层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。且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。（2）涂层氧化物和杂质含量少由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果等离子喷涂技术特点21（3）涂层性能好涂层平整光滑，可精确控制厚度。涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率低，可控制在1%～10%；与基体结合强度可达60～70MPa。（4）对基体热影响小工件受热温度可控制低于250℃，喷涂基体组织不易发生变化；可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂，可喷涂范围广泛。等离子喷涂技术特点22主要内容等离子喷涂介绍等离子喷涂技术分类等离子喷涂技术特点等离子喷涂技术应用问题及展望23等离子喷涂技术应用从上世纪50年代至今，等离子喷涂技术应用领域由航空、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。近年来，等离子喷涂技术开始运用于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。24（1）耐磨涂层陶瓷和金属陶瓷涂层，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。喷涂材料一般选用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末Al2O3·40%TiO2涂层Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂层等离子喷涂陶瓷水压元件实例等离子喷涂技术应用25（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。未经喷涂处理经喷涂处理1Cr18Ni9Ti钢表面喷涂NiCrAl+(ZrO2+Y2O3)陶瓷涂层隔热实验等离子喷涂技术应用26（3）防腐蚀涂层Cr2O3碳钢涂层极化曲线Co基合金、Ni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，防止电化学腐蚀。等离子喷涂技术应用27（4）其它方面应用除了上述应用外，等离子喷涂还应用于：电绝缘与导电涂层、恢复尺寸涂层、间隙控制涂层等方面。除了传统邻域，近年来等离子喷涂在高新技术领域也有应用等离子喷涂技术应用28（1）纳米涂层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，所得涂层硬度高、耐磨性好、与基体结合强度高。不同载荷下微米AT13涂层与纳米13AT涂层的磨损体积损失比较图等离子喷涂技术应用29（2）梯度功能涂层（FGMs）陶瓷材料质脆、对应力集中和裂纹敏感、抗热震性差且与金属基体物理性能不匹配，使涂层产生较大的内应力，从而导致涂层的结合强度下降。在应用时常会发生涂层开裂或剥落等现象。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广阔的空间。等离子喷涂技术应用(a)双层涂层(DC)(b)梯度涂层（GC）30（3）生物功能涂层将等离子喷涂HAP（生物羟基活性石灰石）粉末在金属基体上（一般为Ti基金属）形成生物涂层既突出了HAP良好的生物活性又利用了金属材料优秀的力学性能，避免了HAP的脆性和疲劳敏感性的问题。等离子喷涂技术应用31（4）其它方面的应用除了上述应用外，等离子喷涂还应用于：超导涂层，非晶、准晶涂层等涂层的制备。等离子喷涂技术应用32等离子喷涂存在问题：（1）工艺问题：a.预热问题b.工件及涂层的温度控制c.孔隙率高、易引入缺陷(2)参数多——十多个参数多达几十个，相互影响喷涂过程实现在线反馈控制作出实时调整？（3）涂层硬度高保证涂层薄、近终成型减少加工等离子喷涂存在问题及展望33等离子喷涂存在问题：（4）等离子弧：噪声大，对人皮肤、眼睛辐射较大等离子喷涂存在问题及展望34发展趋势及展望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，但有以下问题需要解决：等离子喷涂存在问题及展望35发展趋势及展望（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（2）合理选择喷涂工艺,优化工艺参数（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（4）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等离子喷涂存在问题及展望36ThankYou！2014年5月22日