等離子噴涂技術(shù)簡介及其應(yīng)用前景

1、1 等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂技術(shù) Plasma Spraying TechnologyPlasma Spraying Technology 2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 v等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 v等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 v等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 v等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 v問題及展望問題及展望 3 等離子噴涂技術(shù)介紹等離子噴涂技術(shù)介紹 熱噴涂技術(shù)是表面工程學(xué)的重要組成部分，它是一種材 料表面強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。 熱噴涂技術(shù)熱噴涂技術(shù) 熱噴涂過程是采用氣體、液體燃料或

2、電弧、等離子弧作 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)過預(yù)處理的工件表面而形成附 著牢固的表面層的方法。 4 熱熱噴涂技術(shù)噴涂技術(shù) 熱噴涂的工藝方法有很多種，根據(jù)加熱源的不同可分為： 火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂( APS) 、爆炸噴涂 等離子噴涂技術(shù)介紹等離子噴涂技術(shù)介紹 5 等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂技術(shù) 等離子噴涂是利用等離子火焰等離子火焰來加熱熔化噴涂粉末使之 形成涂層的熱噴涂方法。 等離子體：等離子體：自然界物質(zhì)的第四態(tài)等離子體。當氣體 電離度大于0.1%時，正離子和電子數(shù)量增多且相等，其 空間電荷為零，呈中性狀態(tài)，處于這種狀態(tài)下的氣體稱 為等離子

3、體 等離子噴涂工作氣體常用Ar 或N2，再加入5% 10% 的 H2，氣體進入電極腔的弧狀區(qū)后，被電弧加熱離解形成等 離子體，其溫度可達15000 以上。 等離子噴涂技術(shù)介紹等離子噴涂技術(shù)介紹 6 等離子噴涂原理示意圖等離子噴涂原理示意圖 等離子噴涂原理示意圖等離子噴涂原理示意圖 等離子噴涂技術(shù)介紹等離子噴涂技術(shù)介紹 7 等離子噴涂設(shè)備組成等離子噴涂設(shè)備組成 等離子噴涂技術(shù)介紹等離子噴涂技術(shù)介紹 8 等離子噴涂設(shè)備組成：等離子噴涂設(shè)備組成： （1）整流主電源 噴涂用的整流電源是向噴 槍供給電能的裝置，其外 特性、動特性及供電參數(shù) 都應(yīng)滿足噴槍產(chǎn)生等離子 弧的要求。 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹

4、 9 （2）控制柜 控制柜的主要作用是控制向等 離子噴槍供應(yīng)冷卻水、工作氣、 送粉氣、工作電流及調(diào)頻電流， 能方便地調(diào)節(jié)水、氣和電參數(shù) 等并加以顯示。 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 10 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 （3）噴槍 核心裝置。噴槍產(chǎn)生高溫、高 速等離子火焰，粉末經(jīng)送粉器 被送入等離子焰中經(jīng)過熔化加 速過程最終噴射到東奔基材表 面。由陰極、噴嘴（陽極）、 朝氣道與氣室、送粉器、水冷 密封、絕緣體及槍體構(gòu)成。 11 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 （4）送粉器 貯存和向噴槍供給粉末的裝置。 送粉器的是向等離子噴槍均勻、 定量地輸送噴涂粉末。對送粉 器的主要技術(shù)要求是送粉量準 確度高、送

5、粉量調(diào)節(jié)方便，以 及對粉末粒度的適應(yīng)范圍廣等。 12 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 （5）水冷系統(tǒng) 水冷系統(tǒng)是向噴槍供給一定壓 力和足夠流量冷卻水的裝置， 供水裝置包括增壓水泵和熱交 換器。 13 等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 （6）氣體供給系統(tǒng) 供氣系統(tǒng)包括工作氣和送粉器的供氣系統(tǒng)，主要由氣瓶、 減壓閥、儲氣筒、流量計等 組成。 儲氣瓶減壓閥流量計 14 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 v等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 v等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 v等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 v等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 v問題及展望問題及展望 15 等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 根

6、據(jù)工作介質(zhì)的不同，可分為：根據(jù)工作介質(zhì)的不同，可分為：氣體穩(wěn)定等離子噴涂氣體穩(wěn)定等離子噴涂和和 液體穩(wěn)定等離子噴涂液體穩(wěn)定等離子噴涂。 16 (1)大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂 大氣大氣等離子噴涂是用等離子噴涂是用Ar、N2、H2作為作為離子氣，經(jīng)離子氣，經(jīng)電離電離 產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射噴射到到 工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂主要用于主要用于制制 備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。 等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 PRAXAIR 大氣等離子噴涂系統(tǒng)大氣等

7、離子噴涂系統(tǒng) 17 (2)可控氣氛等離子噴涂可控氣氛等離子噴涂 等離子等離子噴槍置于噴槍置于密封艙室內(nèi)密封艙室內(nèi)，可形成各種，可形成各種不同的不同的氣氛氣氛。 等離子等離子焰流加長，粒子焰流加長，粒子加熱更加熱更充分，氧化減少，涂層的充分，氧化減少，涂層的 質(zhì)量可以得到明顯改善，質(zhì)量可以得到明顯改善，并且并且擴大了熱噴涂在沉積金剛擴大了熱噴涂在沉積金剛 石膜、超導(dǎo)體氧化物石膜、超導(dǎo)體氧化物涂層方面涂層方面的的應(yīng)用。應(yīng)用。 (3)反應(yīng)等離子噴涂反應(yīng)等離子噴涂 在在熱等離子源中，反應(yīng)物熱等離子源中，反應(yīng)物( 粉末狀粉末狀顆粒顆粒) 和反應(yīng)和反應(yīng)氣體進氣體進 入等離子入等離子焰流中，并在焰流中，并在

8、噴射向噴射向基體的過程中，顆粒表面基體的過程中，顆粒表面 形成化合物，到達工件形成化合物，到達工件表面和表面和其它材料的顆粒產(chǎn)生化學(xué)其它材料的顆粒產(chǎn)生化學(xué) 反應(yīng)形成反應(yīng)形成涂層。涂層。 制造制造復(fù)合材料、陶瓷、金屬間化合物等復(fù)合材料、陶瓷、金屬間化合物等材料涂層，材料涂層，如如 TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN、Mo-MoSi2等等。 等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 18 (4)超音速等離子噴涂超音速等離子噴涂 普通普通等離子噴涂粒子的飛行速度約等離子噴涂粒子的飛行速度約200 m/s，而，而超音速超音速等等 離子噴涂粒子速度可達離子噴涂粒子速度可達400 600 m/s。 涂層涂層

9、更加致密，涂層的內(nèi)聚強度和更加致密，涂層的內(nèi)聚強度和結(jié)合強度結(jié)合強度更更高。高。 (5)液穩(wěn)等離子噴涂液穩(wěn)等離子噴涂 工作介質(zhì)為氣體時，等離子弧工作介質(zhì)為氣體時，等離子弧空空腔溫度很高，內(nèi)壁受溫腔溫度很高，內(nèi)壁受溫 度的限制，難于提供度的限制，難于提供再高的再高的溫度。溫度。 水水穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)而形成而形成的的，能夠，能夠提供更高的提供更高的 溫度。目前，溫度。目前，市場上市場上可提供的水穩(wěn)等離子噴涂設(shè)備，其可提供的水穩(wěn)等離子噴涂設(shè)備，其 功率可達功率可達120 200 kW，最高溫度可達，最高溫度可達50 000 。 等離子噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 哈爾濱

10、焊材所向烏克蘭引進的設(shè)備 19 等離子噴涂應(yīng)用比例：等離子噴涂應(yīng)用比例： 熱噴涂方法熱噴涂方法1960年年1980年年2000年年 絲材火焰噴35114 粉末火焰噴35288 絲材電弧噴15615 等離子噴155548 高速火焰噴涂-25 等離子噴涂具有哪些優(yōu)異的特性呢？等離子噴涂具有哪些優(yōu)異的特性呢？ 等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 20 （1 1）可以獲得各項性能的涂層）可以獲得各項性能的涂層 等離子噴涂火焰溫度極高、速度極快，幾乎可以熔化并 噴涂任何材料。且形成的涂層具有結(jié)合強度較高、孔隙 率低且噴涂效率高、使用范圍廣等優(yōu)點。 （2）涂層氧化物和雜質(zhì)含量少）涂層氧化物和雜質(zhì)含量少

11、由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧 化。與電鍍、電刷、滲碳、滲氮相比，等離子噴涂層更 厚、更硬、更具防腐效果 等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 21 （3）涂層性能好）涂層性能好 涂層平整光滑，可精確控制厚度。涂層孔隙率低，結(jié)合 度高，涂層孔隙率低，可控制在1% 10%；與基體結(jié) 合強度可達60 70 MPa。 （4）對基體熱影響?。w熱影響小 工件受熱溫度可控制低于250 ，噴涂基體組織不易發(fā) 生變化；可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料 上噴涂，可噴涂范圍廣泛。 等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 22 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 v等離子噴涂介紹等離子噴涂介紹 v等離子

12、噴涂技術(shù)分類等離子噴涂技術(shù)分類 v等離子噴涂技術(shù)特點等離子噴涂技術(shù)特點 v等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 v問題及展望問題及展望 23 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 從從上世紀上世紀50 年代至今年代至今，等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域由航由航 空、航天擴展到了鋼鐵工業(yè)、汽車制造、空、航天擴展到了鋼鐵工業(yè)、汽車制造、石油化工石油化工、紡、紡 織機械、船舶等織機械、船舶等。 近年來，等離子近年來，等離子噴涂噴涂技術(shù)開始運用于高新技術(shù)技術(shù)開始運用于高新技術(shù)領(lǐng)域如領(lǐng)域如 納米涂層材料、梯度功能材料、超導(dǎo)涂層納米涂層材料、梯度功能材料、超導(dǎo)涂層、生物、生物功能涂功能涂 層

13、層等。等。 24 （1）耐磨涂層）耐磨涂層 陶瓷和金屬陶瓷涂層，可以使零部件具有高的硬度，優(yōu) 異的耐磨性，而且涂層摩擦系數(shù)小。 噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末 Al2O340%T iO2涂層 Cr2O35SiO23T iO2涂層 等離子噴涂陶瓷水壓元件實例等離子噴涂陶瓷水壓元件實例 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 25 （2 2）耐熱涂層）耐熱涂層 耐熱涂層多應(yīng)用于高溫工程，它包括抗高溫氧化、高溫隔 熱等。一般采用氧化鋁作為耐熱涂層，廣泛用于航空發(fā)動 機、燃氣輪機等高溫工作下零部件的表面。 未經(jīng)噴涂處理未經(jīng)噴涂處理 經(jīng)噴涂處理經(jīng)噴涂處理 1Cr18Ni9 Ti

14、鋼表面噴涂鋼表面噴涂NiCrAl + (ZrO2 + Y2O3 ) 陶瓷涂層隔熱實驗陶瓷涂層隔熱實驗 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 26 （3）防腐蝕涂層）防腐蝕涂層 Cr2O3碳鋼涂層極化曲線碳鋼涂層極化曲線 Co基合金、Ni基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過 提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質(zhì)的滲透，防止電化學(xué)腐 蝕。 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 27 （4）其它方面應(yīng)用）其它方面應(yīng)用 除了上述應(yīng)用外，等離子噴涂還應(yīng)用于：電絕緣與導(dǎo)電涂 層、恢復(fù)尺寸涂層、間隙控制涂層等方面。 除了傳統(tǒng)鄰域，近年來等離子除了傳統(tǒng)鄰域，近年來等離子 噴涂在噴涂在高新技術(shù)領(lǐng)域高新技術(shù)領(lǐng)域也有應(yīng)

15、用也有應(yīng)用 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 28 （1）納米涂層）納米涂層 等離子噴涂技術(shù)作為一個傳統(tǒng)的涂層制備手段用于噴涂納 米涂層具有獨特的優(yōu)勢。如低成本、高效率，適于工業(yè)化 生產(chǎn)，所得涂層硬度高、耐磨性好、與基體結(jié)合強度高。 不同載荷下微米不同載荷下微米AT13涂層與納米涂層與納米13AT涂層的磨損體積損失比較圖涂層的磨損體積損失比較圖 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 29 （2）梯度功能涂層（）梯度功能涂層（FGMs） 陶瓷材料質(zhì)脆、對應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震性差且 與金屬基體物理性能不匹配，使涂層產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力， 從而導(dǎo)致涂層的結(jié)合強度下降。在應(yīng)用時常會發(fā)生涂層開 裂

16、或剝落等現(xiàn)象。 等離子焰流溫度高，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)展提供了廣闊的 空間。 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 (a)雙層涂層(DC) (b)梯度涂層（GC） 30 （3）生物功能涂層）生物功能涂層 將等離子噴涂HAP（生物羥基活性石灰石）粉末在金屬基 體上（一般為Ti基金屬）形成生物涂層既突出了HAP良好 的生物活性又利用了金屬材料優(yōu)秀的力學(xué)性能，避免了 HAP的脆性和疲勞敏感性的問題。 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 31 （4）其它方面的應(yīng)用）其它方面的應(yīng)用 除了上述應(yīng)用外，等離子噴涂還應(yīng)用于：超導(dǎo)涂層，非晶 、準晶涂層等涂層的制

17、備。 等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用 32 等離子噴涂存在問題：等離子噴涂存在問題： （1）工藝問題： a.預(yù)熱問題 b.工件及涂層的溫度控制 c.孔隙率高、易引入缺陷 (2)參數(shù)多十多個 參數(shù)多達幾十個，相互影響 噴涂過程實現(xiàn)在線反饋 控制作出實時調(diào)整？ （3）涂層硬度高 保證涂層薄、近終成型減少加工 等離子噴涂存在問題及展望等離子噴涂存在問題及展望 33 等離子噴涂存在問題：等離子噴涂存在問題： （4）等離子?。涸肼暣螅瑢θ似つw、眼睛輻射較大 等離子噴涂存在問題及展望等離子噴涂存在問題及展望 34 發(fā)展趨勢及展望發(fā)展趨勢及展望 等離子噴涂技術(shù)作為一種先進的工業(yè)技術(shù)，在近代工業(yè)中 地位越來越重要