等離子噴涂技術是繼火焰噴涂之后大力發展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法,它具有:①超高溫特性,便于進行高熔點材料的噴涂。②噴射粒子的速度高,涂層致密,粘結強度高。③由于使用惰性氣體作為工作氣體,所以噴涂材料不易氧化。

等離子的形成

(以N2為例):

0°k時,N2分子的兩個原子呈啞鈴形,僅在x,y,z方向上平動;

大于10°k時,開始旋轉運動;

大于10000°k時,原子間產生振動,分子與分子間碰撞,則分子會發生離解變為單原子:

N2+Ud——>N+N 其中 Ud為離解能

溫度再升高,原子會發生電離: N+Ui——>N++e 其中 Ui為電離能

氣體電離后,在空間不僅有原子,還有正離子和自由電子,這種狀態就叫等離子體。

等離子體可分為三大類:①高溫高壓等離子體,電離度100%,溫度可達幾億度,用于核聚變的研究;②低溫低壓等離子體,電離度不足1%,溫度僅為50~250度;③高溫低壓等離子體,約有1%以上的氣體被電離,具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的正是這類等離子體。

噴涂原理

等離子噴涂原理如圖5-9所示。

等粒子噴涂是利用等離子弧進行的,離子弧是壓縮電弧,與自由電弧相比較,其弧柱細,電流密度大,氣體電離度高,因此具有溫度高,能量集中,弧穩定性好等特點。

按接電方法不同,等離子弧有三種形式:

①非轉移弧:指在陰極和噴嘴之間所產生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上,工件不帶電,在陰極和噴嘴的內壁之間產生電弧,工作氣體通過陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱,造成全部或部分電離,然后由噴嘴噴出形成等離子火焰(或叫等離子射流)。

等粒子噴涂采用的就是這類等離子弧。

②轉移弧:電弧離開噴槍轉移到被加工零件上的等離子弧。這種情況噴嘴不接電源,工件接正極,電弧飛越噴槍的陰極和陽極(工件)之間,工作氣體圍繞著電弧送入,然后從噴嘴噴出。

等離子切割,等離子弧焊接,等離子弧冶煉使用的是這類等離子弧。

③聯合弧:非轉移弧引燃轉移弧并加熱金屬粉末,轉移弧加熱工件使其表面產生熔池。這種情況噴嘴,工件均接在正極。

等離子噴焊采用這種等離子弧。

進行等粒子噴涂時,首先在陰極和陽極(噴嘴)之間產生一直流電弧,該電弧把導入的工作氣體加熱電離成高溫等離子體,并從噴嘴噴出,形成等離子焰,等離子焰的溫度很高,其中心溫度可達30000°k,噴嘴出口的溫度可達; 15000~20000°k。焰流速度在噴嘴出口處

可達1000~2000m/s,但迅衰減。粉末由送

粉氣送入火焰中被熔化,并由焰流加速得到高于150m/s的速度,噴射到基體材料上形成膜。

圖5-10 等離子焰流溫度分布。等粒子噴涂設備:等離子噴涂設備主要包括:

①噴槍:實際上是一個非轉移弧等離子發生器,是最關鍵的部件,其上集中了整個系統的電,氣,粉,水等。

②電源:用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。

③送粉器:用來貯存噴涂粉末并按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。

④熱交換器:主要用以使噴槍獲得有效的冷卻,達到使噴嘴延壽的目的。

⑤供氣系統:包括工作氣和送粉氣的供給系統。

⑥控制框:用于對水,電、氣、粉的調節和控制。等粒子噴涂工藝:

①等離子氣體:氣體的選擇原則主要根據是可用性和經濟性,N2氣便宜,且離子焰熱焓高,傳熱快,利于粉末的加熱和熔化,但對于易發生氮化反應的粉末或基體則不可采用。Ar氣電離電位較低,等離子弧穩定且易于引燃,弧焰較短,適于小件或薄件的噴涂,此外Ar氣還有很好的保護作用,但Ar氣的熱焓低,價格昂貴。

氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速,從而影響噴涂效率,涂層氣孔率和結合力等。流量過高,則氣體會從等離子射流中帶走有用的熱,并使噴涂粒子的速度升高,減少了噴涂粒子在等離子火焰中的"滯留"時間,導致粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀態,結果是涂層粘接強度、密度和硬度都較差,沉積速率也會顯著降低;相反,則會使電弧電壓值不適當,并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下,會引起噴涂材料過熱,造成噴涂材料過度熔化或汽化,引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集,然后以較大球狀沉積到涂層中,形成大的空穴。

②電弧的功率:

電弧功率太高,電弧溫度升高,更多的氣體將轉變成為等離子體,在大功率、低工作氣體流量的情況下,幾乎全部工作氣體都轉變為活性等粒子流,等粒子火焰溫度也很高,這可能使一些噴涂材料氣化并引起涂層成分改變,噴涂材料的蒸汽在基體與涂層之間或涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。

而電弧功率太低,則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰,又會引起粒子加熱不足,涂層的粘結強度,硬度和沉積效率較低。

③供粉

供粉速度必須與輸入功率相適應,過大,會出現生粉(未熔化),導致噴涂效率降低;過低,粉末氧化嚴重,并造成基體過熱。

送料位置也會影響涂層結構和噴涂效率,一般來說,粉末必須送至焰心才能使粉末獲得最好的加熱和最高的速度。

④噴涂距離和噴涂角

噴槍到工件的距離影響噴涂粒子和基體撞擊時的速度和溫度,涂層的特征和噴涂材料對噴涂距離很敏感。

噴涂距離過大,粉粒的溫度和速度均將下降,結合力、氣孔、噴涂效率都會明顯下降;過小,會使基體溫升過高,基體和涂層氧化,影響涂層的結合。在機體溫升允許的情況下,噴距適當小些為好。

噴涂角:指的是焰流軸線與被噴涂工件表面之間的角度。該角小于45度時,由于"陰影效應"的影響,涂層結構會惡化形成空穴,導致涂層疏松。

⑤噴槍與工件的相對運動速度

噴槍的移動速度應保證涂層平坦,不出線噴涂脊背的痕跡。也就是說,每個行程的寬度之間應充分搭疊,在滿足上述要求前提下,噴涂操作時,一般采用較高的噴槍移動速度,這樣可防止產生局部熱點和表面氧化。

⑥基體溫度控制

較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預熱到噴涂過程要達到的溫度,然后在噴涂過程中對工件采用噴氣冷卻的措施,使其保持原來的溫度。

②由于噴涂粒子的飛行速度可高達200-500 m/s,所以得到的涂層平整光滑、致密度高,而且粉末沉積率很高。

③噴涂過程中基體不帶電、不熔化,基體與噴槍相對移動速度快,使得基體組織不發生變化。不會因為受熱而對基體的形狀和性能造成影響。

④工作氣體為惰性氣體,保護了基體和粉末不會受到氧化,涂層內雜質少。

⑤操作簡單,設備維護成本低,調節性能好。

近幾年來,在等離子噴涂的基礎上又發展了幾種新的等離子噴涂技術,如:

1、真空等離子噴涂(又叫低壓等離子噴涂)

真空等離子噴涂是在氣氛可控的,4~40Kpa的密封室內進行噴涂的技術。

因為工作氣體等離子化后,是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的,所以噴流速度是超音速的,而且非常適合于對氧化高度敏感的材料。

2、水穩等離子噴涂

前面說的等離子噴涂的工作介質都是氣體,而這種方法的工作介質不是氣而是水,它是一種高功率或高速等離子噴涂的方法,其工作原理是:

噴槍內通入高壓水流,并在槍筒內壁形成渦流,這時,在槍體后部的陰極和槍體前部的旋轉陽極間產生直流電弧,使槍筒內壁表面的一部分蒸發、分解,變成等離子態,產生連續的等離子弧。由于旋轉渦流水的聚束作用,其能量密度提高,燃燒穩定,因此,可噴涂高熔點材料,特別是氧化物陶瓷,噴涂效率非常高

3、氣穩等離子噴涂

氣穩等離子噴涂的原理是由等離子噴槍(等離子弧發生器)產生等離子射流(電弧焰流)。噴槍的電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接整流電源的正、負極,向噴槍供給工作氣體(Ar、N2等),通過高頻火花引燃電弧。電弧將氣體加熱到很高的溫度,使氣體電離,在熱收縮效應、自磁收縮效應和機械效應的作用下,電弧被壓縮,產生非轉移性等離子弧。高溫等離子氣體從噴嘴噴出后,體積迅速膨脹,形成高溫高速等離子射流。送分氣流推動粉末進入等離子射流后,被迅速加熱到熔融或半熔融狀態,并將等離子射流加速,形成飛翔基材的噴涂離子束,陸續撞擊到經預處理的基材表面,形成涂層。大氣等離子噴涂用氬氣、氮氣、氫氣作為等離子氣。