等離子噴涂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、 2007年 第 7 期總第1028 期 2007年10月技術(shù)前沿等離子噴涂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展陳麗梅，李 強(qiáng)（福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福州 ）摘 要：從等離子噴涂設(shè)備、等離子噴涂過(guò)程中的測(cè)量技術(shù)及等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用等幾個(gè)方面綜合分析了近年來(lái)等離子噴涂技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展概況，指出了等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：等離子噴涂設(shè)備；測(cè)量技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展等離子噴涂屬于熱噴涂技術(shù)，它是將粉末材料送入等離子體（射頻放電）中或等離子射流（直流電?。┲?，使粉末顆粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在沖擊力的作用下，在基底上鋪展并凝固形成層片，進(jìn)而通過(guò)層片疊層形成涂層的一類(lèi)加工工藝。它具有生產(chǎn)效率高，制備的涂

2、層質(zhì)量好，噴涂的材料范圍廣，成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年來(lái)，其技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展很快，己成為熱噴涂技術(shù)的最重要組成部分。表1列出了各種熱噴涂方法的應(yīng)用和發(fā)展情況。本文著重就近年來(lái)等離子噴涂技術(shù)在噴涂設(shè)備、噴涂測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用等方面的研究現(xiàn)狀與發(fā)展概況進(jìn)行深入探討。1 國(guó)內(nèi)外等離子噴涂設(shè)備的現(xiàn)狀噴涂裝置的研究始終是等離子噴涂技術(shù)的研究熱點(diǎn)。從上世紀(jì)80 年代起，隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、傳感器、激光等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，等離子噴涂設(shè)備的功能也得到了不斷的強(qiáng)化。目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的等離子噴涂設(shè)備正向軸向送粉技術(shù)、多功能集成技術(shù)、實(shí)時(shí)控制技術(shù)、噴涂功率兩極分化（小功率或大功率）的方向發(fā)展。加拿大Mettec

3、h 公司開(kāi)發(fā)出的Axial III 三陰極軸向送粉等離子噴涂系統(tǒng),是目前國(guó)際上獲得成功商業(yè)應(yīng)用的軸向送粉等離子噴涂設(shè)備。與傳統(tǒng)的槍外送粉等離子噴涂設(shè)備相比,Axial III 沉積效率高、送粉速率高、孔隙率低、獲得的涂層硬度高,且對(duì)粉末粒度分布要求不高。Sulzer Metco 公司的Multicoat 等離子噴涂系統(tǒng)第一次將PC 計(jì)算機(jī)的先進(jìn)性(過(guò)程再現(xiàn)、數(shù)據(jù)管理) 和PLC 的穩(wěn)固性結(jié)合起來(lái)。Multicoat等離子噴涂系統(tǒng)可以進(jìn)行大氣等離子噴涂(APS) 、真空等離子噴涂(VPS) 和超音速火焰噴涂(HVOF) 。噴涂的涂層質(zhì)量高、重現(xiàn)性好、能自動(dòng)記錄打印噴涂參數(shù)、自動(dòng)報(bào)警和處理操作事故

4、,是目前多功能集成等離子噴涂系統(tǒng)的代表。PRAXAIR - TAFA 公司開(kāi)發(fā)的5500 - 2000 等離子噴涂系統(tǒng)則是實(shí)時(shí)控制技術(shù)的代表,它采用專(zhuān)有軟件“實(shí)時(shí)”控制和監(jiān)測(cè)等離子弧的實(shí)際能量,使等離子噴涂系統(tǒng)的閉環(huán)控制提高到一個(gè)新的水平。此外,國(guó)外對(duì)小功率等離子噴涂設(shè)備的研究主要集中在槍內(nèi)送粉(包括軸向和徑向) 和層流等離子噴涂方面。俄羅斯航空工藝研究院對(duì)層流等離子射流及其噴涂工藝已進(jìn)行了多年研究,工藝已較成熟,并已在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。大功率等離子噴涂系統(tǒng)目前比較成功的是PRAXAIR - TAFA公司的PlazJet ,其噴槍功率可以達(dá)到200 kW。我國(guó)從上世紀(jì)70年代引進(jìn)美國(guó)Metco

5、公司等離子噴涂裝置起，開(kāi)始了對(duì)等離子噴涂技術(shù)的研究與應(yīng)用，與國(guó)外的先進(jìn)水平相比，還有較大的差距。目前，從事等離子噴涂技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)有北京航空制造工程研究所（625所）、武漢材料保護(hù)研究所、華南理工大學(xué)、北京礦冶研究總院和廣州有色金屬研究院等。北京航空制造工程研究所（625所）研制的APS-2000 型等離子噴涂設(shè)備采用了許多新技術(shù)，總體性能達(dá)到國(guó)外二十世紀(jì)九十年代水準(zhǔn)，代表了目前國(guó)產(chǎn)等離子噴涂設(shè)備的最高水平。由航天科技集團(tuán)公司703所研制成功的HT-200 型超音速等離子噴涂設(shè)備額定使用功率為200 kW，填補(bǔ)了我國(guó)在研制生產(chǎn)大功率等離子噴涂設(shè)備方面的空白。目前，在小功率噴涂設(shè)備方面，北京航空

6、制造工程研究所（625所）也正在開(kāi)展層流等離子噴涂設(shè)備的研制。2 等離子噴涂過(guò)程測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀隨著等離子噴涂技術(shù)的深入發(fā)展，對(duì)涂層性能和質(zhì)量實(shí)時(shí)控制的要求愈加迫切。這就需要不斷研究新的測(cè)量技術(shù)，對(duì)等離子噴涂工藝過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)診斷，并對(duì)工藝參數(shù)與涂層性能之間的關(guān)系進(jìn)行有效的推測(cè)。2.1 等離子射流的表征 等離子射流溫度可通過(guò)發(fā)射光譜（8000T14000 K時(shí)，主要來(lái)自原子譜線(xiàn)），瑞利散射（Rayleigh scattering）（T10000或16000K時(shí)，取決于分辨率）和相干反斯托克斯喇曼干涉光譜（CARS）（T10000K時(shí)）來(lái)表征。與質(zhì)譜儀耦合的熱焓探針可以測(cè)量氣體的熱焓，進(jìn)而得到等

7、離子氣體的溫度，但這種方法是侵入式的，測(cè)得的溫度是Favre平均溫度，與光譜測(cè)得的時(shí)間平均溫度不同。在等離子核心，直流電弧等離子射流的速度可以使用光學(xué)方法測(cè)得，其依據(jù)是電弧根波動(dòng)導(dǎo)致光波動(dòng)傳播，而在等離子焰中,可以利用與質(zhì)譜儀耦合的熱焓探針測(cè)量。直流等離子射流的瞬態(tài)行為通常借助于快速攝影機(jī)來(lái)研究：攝影機(jī)可以是快門(mén)時(shí)間非常短（小于10-5s）并帶有運(yùn)動(dòng)分析器的簡(jiǎn)易數(shù)碼視頻攝影機(jī)、帶激光閃光燈的數(shù)碼或視頻攝影機(jī)。2.2 等離子體和粉末之間的相互作用 等離子噴涂涂層的特征直接取決于到達(dá)基底的粉末顆粒的參數(shù)。因此，幾年來(lái)，發(fā)展了許多不同的技術(shù)來(lái)測(cè)量顆粒尺寸、速度和溫度分布。一般，粉末顆粒溫度的確定基于

8、測(cè)量粉末顆粒發(fā)射的雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)或色帶的熱輻射而獲得。粉末顆粒速度用激光多譜勒測(cè)速儀（laser Doppler velocimetry）或過(guò)境計(jì)時(shí)技術(shù)（transit timing technique）測(cè)得。在后一技術(shù)中，速度根據(jù)顆粒穿過(guò)兩個(gè)光欄或聚焦的激光斑點(diǎn)之間的時(shí)間推得。粉末顆粒尺寸根據(jù)經(jīng)絕對(duì)強(qiáng)度校核后的顆粒的熱輻射強(qiáng)度推導(dǎo)得出，或根據(jù)穿過(guò)一聚焦激光束的一個(gè)顆粒散射并在與原始激光束不同的角度收集的兩個(gè)或多個(gè)光信號(hào)之間的相位移推得。這些方法大部分是單顆粒法（single particle method），顆粒參數(shù)的分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差是通過(guò)對(duì)大量單個(gè)顆粒的觀察得到的。但是，有些方法可以認(rèn)為是“

9、顆粒群技術(shù)（ensemble techniques）”，因?yàn)檫@些技術(shù)同時(shí)測(cè)量大量顆粒的性能，并直接得到這些參數(shù)的平均值。到目前為止，這些顆粒群技術(shù)還只能提供粉末顆粒溫度的信息，但最近已開(kāi)發(fā)了一種可以測(cè)粉末顆粒速度的顆粒群技術(shù)。成像技術(shù)也可以用來(lái)探測(cè)粉末顆粒噴涂射流心跡線(xiàn)的形狀和位置，以及熾熱顆粒的密度，或者根據(jù)光信號(hào)的強(qiáng)度確定粉末顆粒溫度和尺寸，使用雙曝光技術(shù)確定速度。該測(cè)量設(shè)備中激光的引入能夠測(cè)定“冷”顆粒的數(shù)量以及尺寸和速度。一些商業(yè)化的技術(shù)現(xiàn)在可以用于生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)行噴涂工藝的在線(xiàn)控制。這些技術(shù)通常以顆粒的熱輻射測(cè)量為基礎(chǔ)，并不使用其他附加光源，可以測(cè)量顆粒的速度、溫度及尺寸分布。2.3

10、層片形成和涂層堆積為制備性能可嚴(yán)格控制并具有重現(xiàn)性的涂層，要求充分地了解粉末熔滴撞擊基底表面后發(fā)生的現(xiàn)象。在層片形成和涂層堆積的理解方面，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，出現(xiàn)了很多測(cè)量技術(shù)。得到有關(guān)層片形成信息的最簡(jiǎn)單方法是使用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡或原子力顯微鏡觀察基底上的孤立層片。層片的幾何形狀也可以用表面輪廓測(cè)定儀測(cè)量。透過(guò)這樣的觀察，能夠研究基底表面的具體準(zhǔn)備情況（化學(xué)成分和粗糙度）及其溫度對(duì)層片幾何形狀的影響。然而，這樣的研究并沒(méi)有全面理解層片形成過(guò)程中涉及的撞擊過(guò)程和凝固現(xiàn)象，而這些恰恰是控制涂層形成的關(guān)鍵。為此，就要求確定單個(gè)粉末顆粒在撞擊前的尺寸、溫度和速度，并跟蹤該熔滴在基底上的鋪展過(guò)程

11、和溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。近來(lái)，基于探測(cè)粉末發(fā)射的熱輻射開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù)。第一種是使用聚焦到基底上的高溫計(jì)來(lái)測(cè)量粉末顆粒撞擊前的參數(shù)，并測(cè)定粉末顆粒在基底上鋪展和冷卻過(guò)程中的溫度演化。第二種技術(shù)由聚焦于基底的高溫計(jì)和相陣多譜勒粉末顆粒分析儀組成。相陣多譜勒粉末顆粒分析儀能夠獨(dú)立于其溫度而測(cè)量粉末顆粒的速度、尺寸，而粉末顆粒在撞擊前和撞擊過(guò)程的溫度用雙波長(zhǎng)光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量。這些技術(shù)能夠估測(cè)撞擊粉末顆粒的鋪展時(shí)間、鋪展度（層片直徑與原始顆粒直徑之比）以及冷卻速率。熱噴涂粉末顆粒沖擊過(guò)程可視化的成像設(shè)備也在發(fā)展中。噴涂涂層除了經(jīng)典的表征方法：氣孔率、粘著力、楊氏模量、殘余應(yīng)力，已經(jīng)發(fā)展了在涂層形成過(guò)程中在

12、線(xiàn)跟蹤某些參數(shù)的幾種方法，如：利用紅外高溫計(jì)可以監(jiān)測(cè)涂層和基底的表面溫度；利用聲發(fā)射分析（AES）對(duì)噴槍位置關(guān)系的信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析能夠很容易確定噴涂一道的開(kāi)始和結(jié)束，甚至對(duì)諸如微裂紋形成，反彈或剝落產(chǎn)生的能量釋放進(jìn)行跟蹤；使用力學(xué)傳感器或帶有CCD攝象機(jī)的激光束，基于在噴涂過(guò)程中連續(xù)測(cè)量矩形條狀試樣的曲率（彎曲度）和位移，可以對(duì)噴涂涂層形成過(guò)程中的應(yīng)力演化進(jìn)行測(cè)定。3 等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用 等離子噴涂技術(shù)在耐磨涂層、耐蝕涂層等傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，從上世紀(jì)50 年代至今，其應(yīng)用領(lǐng)域由航空、航天擴(kuò)展到了鋼鐵工業(yè)、汽車(chē)制造、石油化工、紡織機(jī)械、船舶等領(lǐng)域。近年來(lái)等離子噴涂技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域如

13、納米涂層材料、梯度功能材料、超導(dǎo)涂層、生物功能涂層等方面的應(yīng)用研究漸漸受到人們的重視。3.1 納米涂層材料Zhu 等采用真空等離子噴涂制備了納米WC/Co 涂層。發(fā)現(xiàn)涂層硬度、韌性和耐磨性較常規(guī)涂層都有較大的改善，在4060 N 載荷下，納米WC/ Co涂層磨損率僅為常規(guī)涂層的1/ 6。Connecticut 大學(xué)等對(duì)等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2 系涂層進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括納米粉末噴霧干燥團(tuán)聚重構(gòu)、等離子噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化、工藝診斷、模擬以及涂層結(jié)構(gòu)與性能的分析，表明涂層具有雙態(tài)顯微結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)異性能。與對(duì)應(yīng)的常規(guī)涂層相比，結(jié)合強(qiáng)度增強(qiáng)100 %，磨粒磨損抗力提高300 %，

14、壓痕開(kāi)裂抗力、彎曲和杯突試驗(yàn)表現(xiàn)的剝落抗力要高得多。中國(guó)上海硅酸鹽研究所祝迎春等人研究了等離子噴涂過(guò)程中納米TiO2 的結(jié)構(gòu)變化和粒子注入特性。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2 納米顆粒由無(wú)定型轉(zhuǎn)化為銳鈦礦結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)。涂層表現(xiàn)出良好的Li + 注入電流和電化學(xué)穩(wěn)定性。陳煌等利用大氣等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼基體上制備了氧化鋯納米涂層。獲得的涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率約為7%，涂層和基體間的結(jié)合強(qiáng)度為45 MPa，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氧化鋯涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。3.2 梯度功能材料（FGMs）等離子噴涂制備梯度功能材料是目前材料學(xué)中倍受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一，其研究范圍主要為梯度功能材料的設(shè)計(jì)、制備和性能評(píng)價(jià)三個(gè)方面。由于等

15、離子焰流溫度高，特別適用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復(fù)合材料涂層，這就為功能梯度材料的發(fā)展提供了更廣闊的空間。目前以NiCrAlY作為中間層向金屬上涂覆ZrO2 涂層成為大多數(shù)等離子噴涂FGMs 結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，已建立起很好的制備工藝。另外，已被研究的其他它體系還包括：Cu/W 和Cu/B4C、與Al2O3-Cr2O3 結(jié)合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂層的Ni-20 %Cr、Ni/Al2O3、WC/Co 等。K. A. Khor 等人對(duì)YSZ/ NiCoCrAlY體系的研究表明，與傳統(tǒng)的雙層材料相比，功能梯度涂層具有更優(yōu)異的性

16、能。得到的FGM涂層的結(jié)合強(qiáng)度為18 MPa，雙層涂層僅為9 MPa，而涂層的抗熱循環(huán)壽命FGM涂層是雙層涂層的6倍。Sudarshan Rangaraj 等設(shè)計(jì)了五種不同成分的YSZ 梯度涂層，研究了涂層設(shè)計(jì)對(duì)YSZ 涂層性能的影響，結(jié)果表明莫來(lái)石（mullite）成分的添加會(huì)降低涂層表面裂紋生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力。3.3 超導(dǎo)涂層等離子噴涂弧溫很高，特別適用于噴涂復(fù)合氧化物陶瓷，不需要保護(hù)氣氛，能夠噴涂具有復(fù)雜形狀的超導(dǎo)制件，沉積效率高，容易制備厚膜涂層和大面積涂層。適于等離子噴涂的超導(dǎo)陶瓷涂層材料主要有YBa2Cu3O7- x (YBCO) 和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一種典型的超導(dǎo)材料，

17、臨界溫度為94 K。等離子噴涂的YBCO 涂層由于噴涂過(guò)程中材料的氧損失，涂層結(jié)構(gòu)中的孔隙、裂紋和粒子間的不均勻接觸等不均勻性，使涂層并不具有超導(dǎo)特性。只有對(duì)涂層在氧氣或空氣氣氛中進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使涂層形成致密、均勻且較穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，才能獲得超導(dǎo)性。YBCO 涂層的熱處理?xiàng)l件為9201 h，降至400再保溫1h。當(dāng)將Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷從高溫急冷或淬冷后，它會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)。這一特性對(duì)等離子噴涂具有特別的意義，因?yàn)榈入x子噴涂能使涂層材料獲得高達(dá)106/ s的急冷冷卻速率，只要調(diào)整好等離子噴涂條件和工藝參數(shù)，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的噴涂態(tài)涂層具有超導(dǎo)特性。3.4 生物功

18、能涂層等離子噴涂技術(shù)是制備醫(yī)用生物涂層材料的有效方法。將特定組分的粉末材料經(jīng)高溫熔化后沉積于金屬人工骨植入物表面，形成以韌性金屬為骨架，表面有陶瓷涂層的人工骨與人工關(guān)節(jié)，此方法充分發(fā)揮了金屬和陶瓷兩類(lèi)材料的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子噴涂羥基磷灰石（HA）涂層和鈦涂層的研究報(bào)導(dǎo)較多，并成功地應(yīng)用于臨床試驗(yàn)。羥基磷灰石涂層對(duì)生物體無(wú)毒，耐體液腐蝕，且對(duì)生物體組織有良好的適應(yīng)性和親和性，耐長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磨損，有足夠的力學(xué)性能。鈦質(zhì)植入體具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且與組織結(jié)合良好，與體液相容。用真空等離子噴涂在不銹鋼牙根和接骨板上噴涂鈦涂層在臨床上已有成功的應(yīng)用，這些涂層既利用了不銹鋼的強(qiáng)度，又利用了鈦涂層的生物相容性，防止不銹鋼中有毒元素的釋放。我國(guó)的上海硅酸鹽研究所在生物涂層材料的研究方面也取得了較好的進(jìn)展。3.5 其它應(yīng)用等離子噴涂時(shí)熔粒的冷卻速度可達(dá)105106 K/s，這種高速冷卻可在涂層中產(chǎn)生非晶態(tài)相的組織結(jié)構(gòu)。大氣等離子噴涂Fe基非晶合金粉末（含Si、B、Cr、Ni 等）制備的高非晶含量的Fe基非晶合金涂層致密度