等离子喷涂涂层研究进展.doc

等离子喷涂涂层研究进展 引言 等离子喷涂是热喷涂最常用的技术之一，它是将粉末原料送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。由于等离子喷涂具有等离子弧温度高，能量集中，焰流速度快，稳定性好、调节性好，形成涂层结合强度高，孔隙率低且喷涂效率高诸多优点；涂层可以对材料表面进行强化和修复，还可以赋予材料表面特殊的性能等，因此等离子喷涂技术已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到了广泛的应用【1-3】。 长期以来，模拟等离子喷涂过程中的涂层沉积都是一个非常困难的问题。这是因为涂层的形成过程实际上是不同种类、大小、形状、速度、熔化状态的颗粒高速沉积在基体表面并相互作用的堆叠过程。熔融颗粒在快速冷凝时可能因应力存在而发生翘曲现象；而液滴高速撞击在基体表面又可能导致飞溅等现象出现，同时，会产生微观缺陷。受基体温度、喷涂工艺、快速冷却及其它的因素的影响，涂层的性能会发生很大的变化。而涂层的性能由喷涂时所发生的动力学和热传输过程及凝固过程所决定，因此，研究喷涂过程对于优化工艺参数、如何对喷涂工艺的控制实现智能化，并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入研究的问题。 1 等离子喷涂涂层机理及过程分析 等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为电源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子喷涂的基本原理【4】：喷枪的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的负、正极，向喷枪供给工作气体（氮气、氩气或5%-10%氢气），通过高频火花引燃电弧，气体被加热到很高的温度（其中心温度可达15000K以上）而电离，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出，速度可高达1.5Km/s。喷涂粉末被送粉气流载入呈等离子焰流，很快形成熔融或半熔融状态并高速撞击到经预处理的基材表面产生塑性变形，粘附在零件表面，后来的熔融粒子又在先前凝固的粒子上层叠压，从而获得良好的层状致密涂层。 目前，等离子喷涂装置多采用侧面垂直注入，如图a所示。等离子体火焰的最高温度区位于阳极最外部，粉末仍然能够有效地被加热融化。 a 颗粒注入等离子体火焰机理 b 颗粒飞行过程中纵向温度变化 c 颗粒飞行过程中轴向温度变化 d 颗粒飞行过程中轴向速度变化 图1 粉末颗粒在热等离子中的变化【5】 粉末颗粒在等离子体中首先经理加热、加速阶段，然后是降温、减速，大小视粉末材料而变化。从图b可以看出粉末材料熔点越高，降温现象越严重。在等离子体火焰尾部，颗粒失去能量而降温。粉末颗粒在等离子体中的变化为首先加速如图d所示，颗粒越小，加速越快，从图C可以在等离子体火焰尾部，等离子体速度急剧降低，小颗粒粉末在粘性等离子体重开始减速，而大颗粒由于动量较大，减速不明显【6】。 单个粉末颗粒在集体上的变形行为非常重要，直接关系到涂层密度的高低。当单个粉末颗粒在热喷涂火焰中被融化和被加速后，以一定的动能撞击到基体，发生变形，并立刻凝固下来，变形的大小不仅与颗粒的温度、速度有关，而且还与基体表面温度、粗糙度有关。粉末颗粒的变形、摊平程度手机提表面温度和粗糙度影响。基体表面温度低，颗粒凝固速度快，变形度底，对于金属粉末而言尤为突出。基体表面粗糙同样不利于融化颗粒的变形、摊平，但有利于颗粒与集体之间的咬合，增强机械结合力，促进界面结合强度的提高。由于凝固速度极快，涂层材料的晶体结构与粉末相比会发生改变，非晶、准晶和一些亚稳相可能形成。 在喷涂层形成的过程中，由于喷涂粒子与周围环境的气体发生作用，会使喷涂材料出现氧化现象。所以，喷涂层中必然会夹杂有氧化物，又由于粒子的变形不充分和有未熔化的粒子冲击到表面，在喷涂粒子和粒子之间会出现孔隙或孔洞，造成涂层不致密。因此，喷涂层是由变形的喷涂粒子、氧化物和气孔组成的。如图2是喷涂层的结构示意图。涂层中氧化物和气孔的多少决定了涂层的质量的好坏，在提高涂层质量方面也是从如何提高涂层的致密性，减少杂质入手。 1-涂层；2-氧化物夹杂； 3-孔隙或孔洞； 4-颗粒间的粘结； 5-变形颗粒；6-基体 7-涂层与集体结合面 图 2 喷涂涂层结构示意图 热喷涂涂层中孔隙率的大小不但与颗粒的温度、变形程度有关，而且与克里