等離子噴涂技術簡介及其應用前景

1等離子噴涂技術PlasmaSprayingTechnology2主要內容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術分類等離子噴涂技術特點等離子噴涂技術應用問題及展望3等離子噴涂技術介紹

熱噴涂技術是表面工程學的重要組成部分，它是一種材料表面強化和表面改性的技術，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

熱噴涂過程是采用氣體、液體燃料或電弧、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)，并以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。

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熱噴涂技術熱噴涂的工藝方法有很多種，根據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介紹5

等離子噴涂技術等離子噴涂是利用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：自然界物質的第四態(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技術介紹7

等離子噴涂設備組成等離子噴涂技術介紹8

等離子噴涂設備組成：（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、動特性及供電參數都應滿足噴槍產生等離子弧的要求。等離子噴涂介紹9

（2）控制柜控制柜的主要作用是控制向等離子噴槍供應冷卻水、工作氣、送粉氣、工作電流及調頻電流，能方便地調節(jié)水、氣和電參數等并加以顯示。等離子噴涂介紹10

等離子噴涂介紹

（3）噴槍

核心裝置。噴槍產生高溫、高速等離子火焰，粉末經送粉器被送入等離子焰中經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、絕緣體及槍體構成。11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要求是送粉量準確度高、送粉量調節(jié)方便，以及對粉末粒度的適應范圍廣等。12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

（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主要內容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術分類等離子噴涂技術特點等離子噴涂技術應用問題及展望15等離子噴涂技術分類

根據工作介質的不同，可分為：氣體穩(wěn)定等離子噴涂和液體穩(wěn)定等離子噴涂。16(1)大氣等離子噴涂大氣等離子噴涂是用Ar、N2、H2作為離子氣，經電離產生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂主要用于制備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。等離子噴涂技術分類PRAXAIR大氣等離子噴涂系統(tǒng)17(2)可控氣氛等離子噴涂等離子噴槍置于密封艙室內，可形成各種不同的氣氛。等離子焰流加長，粒子加熱更充分，氧化減少，涂層的質量可以得到明顯改善，并且擴大了熱噴涂在沉積金剛石膜、超導體氧化物涂層方面的應用。(3)反應等離子噴涂

在熱等離子源中，反應物(粉末狀顆粒)和反應氣體進入等離子焰流中，并在噴射向基體的過程中，顆粒表面形成化合物，到達工件表面和其它材料的顆粒產生化學反應形成涂層。

制造復合材料、陶瓷、金屬間化合物等材料涂層，如TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN、Mo-MoSi2等。等離子噴涂技術分類18(4)超音速等離子噴涂普通等離子噴涂粒子的飛行速度約200m/s，而超音速等離子噴涂粒子速度可達400～600m/s。

涂層更加致密，涂層的內聚強度和結合強度更高。(5)液穩(wěn)等離子噴涂工作介質為氣體時，等離子弧空腔溫度很高，內壁受溫度的限制，難于提供再高的溫度。

水穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)而形成的，能夠提供更高的溫度。目前，市場上可提供的水穩(wěn)等離子噴涂設備，其功率可達120～200kW，最高溫度可達50000℃。等離子噴涂技術分類哈爾濱焊材所向烏克蘭引進的設備19等離子噴涂應用比例：熱噴涂方法1960年1980年2000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？等離子噴涂技術特點20

（1）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）涂層氧化物和雜質含量少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特點21

（3）涂層性能好涂層平整光滑，可精確控制厚度。涂層孔隙率低，結合度高，涂層孔隙率低，可控制在1%～10%；與基體結合強度可達60～70MPa。

（4）對基體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。等離子噴涂技術特點22主要內容等離子噴涂介紹等離子噴涂技術分類等離子噴涂技術特點等離子噴涂技術應用問題及展望23等離子噴涂技術應用從上世紀50年代至今，等離子噴涂技術應用領域由航空、航天擴展到了鋼鐵工業(yè)、汽車制造、石油化工、紡織機械、船舶等。近年來，等離子噴涂技術開始運用于高新技術領域如納米涂層材料、梯度功能材料、超導涂層、生物功能涂層等。24

（1）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，而且涂層摩擦系數小。

噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末

Al2O3·40%TiO2涂層

Cr2O3·5SiO2·3TiO2涂層等離子噴涂陶瓷水壓元件實例等離子噴涂技術應用25（2）耐熱涂層耐熱涂層多應用于高溫工程，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。未經噴涂處理經噴涂處理1Cr18Ni9Ti鋼表面噴涂NiCrAl+(ZrO2+Y2O3)陶瓷涂層隔熱實驗等離子噴涂技術應用26

（3）防腐蝕涂層Cr2O3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，堵住腐蝕介質的滲透，防止電化學腐蝕。等離子噴涂技術應用27

（4）其它方面應用除了上述應用外，等離子噴涂還應用于：電絕緣與導電涂層、恢復尺寸涂層、間隙控制涂層等方面。除了傳統(tǒng)鄰域，近年來等離子噴涂在高新技術領域也有應用等離子噴涂技術應用28

（1）納米涂層等離子噴涂技術作為一個傳統(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，所得涂層硬度高、耐磨性好、與基體結合強度高。不同載荷下微米AT13涂層與納米13AT涂層的磨損體積損失比較圖等離子噴涂技術應用29

（2）梯度功能涂層（FGMs）陶瓷材料質脆、對應力集中和裂紋敏感、抗熱震性差且與金屬基體物理性能不匹配，使涂層產生較大的內應力，從而導致涂層的結合強度下降。在應用時常會發(fā)生涂層開裂或剝落等現象。

等離子焰流溫度高，特別適用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復合材料涂層，這就為功能梯度材料的發(fā)展提供了廣闊的空間。等離子噴涂技術應用(a)雙層涂層(DC)(b)梯度涂層（GC）30

（3）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。等離子噴涂技術應用31

（4）其它方面的應用除了上述應用外，等離子噴涂還應用于：超導涂層，非晶、準晶涂層等涂層的制備。等離子噴涂技術應用32

等離子噴涂存在問題：（1）工藝問題：a.預熱問題b.工件及涂層的溫度控制c.孔隙率高、易引入缺陷(2)參數多——十多個參數多達幾十個，相互影響噴涂過程實現在線反饋控制作出實時調整？（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33

等離子噴涂存在問題：（4）等離子?。涸肼暣?，對人皮膚、眼睛輻射較大等離子噴涂存在問題及展望34

發(fā)展趨勢及展望等離子噴涂技術作為一種先進的工業(yè)技術，在近代工業(yè)中地位越來越重要，應用范圍也在隨著高新技術的發(fā)展而不斷擴展，但有以下問題需要解決：等離子噴涂存在問