等離子噴涂簡(jiǎn)介

等離子噴涂的基本原理：

等離子噴涂基本原理如下圖所示。它是將非金屬(或金屬)粉末送入剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧焰流中加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并伴隨等離子焰流高速噴射并沉積到預(yù)先經(jīng)過(guò)處理過(guò)的工件表面上，從而形成一種具有特殊性能的涂層。

等離子噴涂技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1、可以獲得各項(xiàng)性能的涂層。由于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，形成的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度較高、孔隙率低且噴涂效率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，故在航空、冶金、機(jī)械、機(jī)車車輛等方面得到廣泛的應(yīng)用，在熱噴涂技術(shù)中等離子噴涂占據(jù)著最重要的地位。

2、涂層平整光滑，可精確控制厚度。

3、涂層孔隙率低，結(jié)合度高，涂層孔隙率可控制在1%～10%，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)60～70MPa。

4、涂層氧化物和雜質(zhì)含量少，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。

5、噴涂過(guò)程對(duì)基體的熱影響小，基體組織不會(huì)發(fā)生變化。工件受熱溫度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂。

等離子噴涂的分類：

等離子噴涂的主要類型如下圖所示。

等離子噴涂技術(shù)發(fā)展概況

在過(guò)去的一段時(shí)間里，等離子體噴涂技術(shù)得到了很好的確立和廣泛的應(yīng)用，其范圍從耐腐蝕、耐熱、耐磨涂層到生產(chǎn)整體的近最終形狀金屬或陶瓷部件?！安ＡА苯饘俜勰┎槐馗淖兯鼈兊姆墙Y(jié)晶性能即可進(jìn)行等離子體噴涂，如近年來(lái)證實(shí)，超導(dǎo)材料可以通過(guò)等離子體噴涂過(guò)程進(jìn)行沉積。

除了最普遍的常壓空氣中等離子體噴涂過(guò)程(APS)外，其他等離子體噴涂過(guò)程也得到了發(fā)展。諸如低壓噴涂(LPPS)，超聲速噴涂，控制環(huán)境噴涂(如氬氣中)甚至水下等離子體噴涂。針對(duì)各種等離子體涂鍍過(guò)程的等離子體炬設(shè)計(jì)基本如下圖所示。其原理是在棒狀陰極和噴管狀陽(yáng)極之間通過(guò)直流電弧產(chǎn)生等離子體射流。

近年來(lái)對(duì)等離子體炬的研究涉及中央噴射微粒子、等離子體射流包套，并且結(jié)合等離子體周流與反旋周流以提高沉積的效率和涂層的質(zhì)量。一種新的等離子體噴涂方法是利用感應(yīng)耦合高頻(射頻)等離子體，由于其高效的熱噴涂過(guò)程而日益受到重視。在最近的革新中，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于等離子體噴涂過(guò)程可能是這一快速發(fā)展領(lǐng)域中最重要的新進(jìn)展。

等離子噴涂技術(shù)模型

盡管有以上這些重大進(jìn)展，但是人們對(duì)于等離子體噴涂過(guò)程的一些基本原理并沒(méi)有十分深刻的認(rèn)識(shí)，包括等離子體射流的特性，等離子體與粉末粒子的相互作用以及基材上涂層的形成機(jī)理等。

就直流等離子體噴涂(APS)而言，等離子體射流的流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程導(dǎo)致湍流產(chǎn)生，從而將周圍氣體卷挾進(jìn)等離子體射流之中，如下圖。下圖示意的等離子體射流的這種行為已通過(guò)陰影圖和CARS光譜測(cè)量、條件抽樣試驗(yàn)和等離子體射流取樣探測(cè)得到證實(shí)。

疊加在上述流體動(dòng)力效應(yīng)上的是涌動(dòng)和抖動(dòng)(surging and whipping motion)，它可從等離子體射流的時(shí)間分辨照片看出(下圖)。陽(yáng)極噴管內(nèi)，電弧根部的軸向和切向運(yùn)動(dòng)引起電弧不穩(wěn)定，使等離子體射流產(chǎn)生這些不定常運(yùn)動(dòng)。電弧不穩(wěn)定與電弧電壓、聲光發(fā)射脈動(dòng)之間的相互關(guān)聯(lián)可以證實(shí)這種可觀察到的等離子體射流的脈動(dòng)，在很大程度上是由于電弧的不穩(wěn)定引起的。

最近對(duì)工業(yè)噴炬的研究表明，無(wú)論是有旋還是無(wú)旋的等離子氣體流動(dòng)，在2kHz～6kHz的頻率范圍都有脈動(dòng)，并且電弧狀態(tài)對(duì)等離子氣體的組成成分(Ar/H2，Ar/He，Ar/N2混合物)具有很強(qiáng)的依賴關(guān)系這種脈動(dòng)影響炬的性能(陽(yáng)極壽命)和噴涂質(zhì)量。研究人員已設(shè)法用磁性探測(cè)器測(cè)量了陽(yáng)極噴管內(nèi)電弧根部的運(yùn)動(dòng)，并且利用Steenbeck最小原理計(jì)算了陽(yáng)極噴管內(nèi)陽(yáng)極電弧根部的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析預(yù)測(cè)比較吻合。

前面討論的等離子體射流的脈動(dòng)在極端情況下可能導(dǎo)致如下圖所示的情況，即噴入的粉末粒子并未射入絕大部分熱等離子體射流，于是涂層上未熔或部分熔化的粉末將使涂層質(zhì)量大大降低。

要建立等離子體噴涂過(guò)程的模型，首先要建立一個(gè)等離子體射流的完整模型。然而，等離子體射流的建模面臨著諸如實(shí)驗(yàn)觀察顯示的一系列障礙。利用激光散射發(fā)射譜(Rayleigh和會(huì)集的Thomsen散射)測(cè)量法、激光Doppler測(cè)風(fēng)速法、焓探測(cè)器法、質(zhì)譜測(cè)定法對(duì)等離子體射流進(jìn)行的診斷實(shí)驗(yàn)可以看出幾乎所有的等離子體射流都可能與局域熱力學(xué)平衡(LTE)有很大的偏差。這點(diǎn)以及前述的典型等離子體射流的脈動(dòng)都給建模的嘗試帶來(lái)了嚴(yán)重困難。

一個(gè)符合實(shí)際的模型還必須考慮到周圍氣體的大量卷入。慣用的湍流模型不能預(yù)計(jì)湍流的間歇和分離現(xiàn)象。這類模型忽視了實(shí)際湍流的“斑點(diǎn)特征(spottiness)”和“碎塊特征(fragmentariness)”，而這些特征在許多情況下都可觀察到。只有多相湍流模型才可能再現(xiàn)這些特征。

基于Spalding研究的模型把等離子體射流視作冷熱兩種流體的混合物，向外運(yùn)動(dòng)的部分為熱流體碎塊，向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的為冷流體碎塊。

支配方程包括兩種不同流體部分(向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的部分和向外運(yùn)動(dòng)的部分)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量輸運(yùn)方程。支配流體間質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換的物理現(xiàn)象的輔助關(guān)系及對(duì)控制碎塊大小的增減機(jī)理的描述同時(shí)運(yùn)用。其結(jié)果可通過(guò)條件和無(wú)條件平均形式給出并與利用焓探測(cè)器測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

由于等離子體噴涂涂層的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于粒子的性質(zhì)，包括速度、溫度、熔化程度及其統(tǒng)計(jì)分布。為發(fā)展預(yù)測(cè)等離子體中粒子行為的能力，人們已做出了很大的努力，從最初簡(jiǎn)單地將粒子作用與等離子體流動(dòng)分離開(kāi)來(lái)發(fā)展到今天的迭代技術(shù)，包括粒子云對(duì)等離子體流動(dòng)的作用，也發(fā)展出結(jié)合進(jìn)LAVA程序的隨機(jī)粒子噴涂模型。

LAVA程序可以預(yù)計(jì)粒子軌跡和熱過(guò)程，包括自洽地計(jì)算與氣體運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生的熔化和粒子的湍流擴(kuò)散。與暫態(tài)的多組分非局域熱力學(xué)平衡性能相結(jié)合，隨機(jī)粒子噴涂模型視LAVA為一個(gè)獨(dú)特的綜合計(jì)算模型。

等離子噴涂技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、耐磨涂層

等離子噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層，不僅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，能耗低，在機(jī)械、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。減小磨損的另一個(gè)途徑是減小相互接觸表面的摩擦系數(shù)。

等離子噴涂鋁及鋁合金復(fù)合材料涂層，有優(yōu)異的抗粘著磨損能力。同時(shí)，由于噴涂工藝的要求，可使涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，質(zhì)量?jī)?yōu)異且穩(wěn)定，并且在相同的工況下，摩擦系數(shù)從原來(lái)的0.11下降到0.089，顯示出噴鋁涂層在潤(rùn)滑條件下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬時(shí)的摩擦高溫，是目前理想的活塞環(huán)涂層。

2、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(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫工作下零部件的表面，起隔熱作用?，F(xiàn)有的高溫合金(如高溫鎳合金使用的極限溫度為1075℃)和冷卻技術(shù)都難以滿足設(shè)計(jì)要求，解決這一問(wèn)題的辦法就是在承受高溫的零部件上噴涂熱障涂層，以起到阻止熱的傳遞，防止基體金屬溫度升高或降低基體的受熱溫度等作用。

3、防腐蝕涂層

選擇這類涂層比較復(fù)雜，因?yàn)榱慵姆蹱顟B(tài)、環(huán)境溫度和各種介質(zhì)對(duì)涂層材料都有一定的要求，一般采用鈷基合金、鎳基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過(guò)提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質(zhì)的滲透，合理匹配涂層材料與零件基材的氧化/還原電位，防止電化學(xué)腐蝕，常應(yīng)用于耐化學(xué)腐蝕的液體泵等。

4、電絕緣與導(dǎo)電涂層

這類涂層具有一定的特性，按其性質(zhì)可分為:導(dǎo)電涂層、電氣絕緣涂層和電磁波屏蔽涂層。一般采用氧化鋁陶瓷等作為介電涂層，常用于加熱器管道，烙鐵焊頭等;采用鋁、銅作為導(dǎo)電涂層，常用于電容器、避雷器等。

5、恢復(fù)尺寸涂層

這類涂層主要用于修補(bǔ)因磨損或加工超差的零件。對(duì)涂層材料的選擇主要取決于零件的使用要求，常用于軸類、盤類等。

6、間隙控制涂層

氣體壓力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械效率取決于機(jī)器的密封能力，因而要求轉(zhuǎn)動(dòng)與靜止零件之間具有非常緊密的配合間隙，常用于壓縮機(jī)和渦輪機(jī)部件。

等離子噴涂在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、納米涂層

目前采用真空等離子噴涂制備了納米WC/Co涂層，涂層硬度、韌性和耐磨性較常規(guī)涂層都有較大的改善，在40～60N載荷下，納米WC/Co涂層磨損率僅為常規(guī)涂層的1/6。

美國(guó)康涅狄格州大學(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，研究表明涂層具有雙態(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%，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45MPa，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氧化鋯涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

2、梯度功能涂層(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)3個(gè)方面。由于等離子焰流溫度高，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。

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)異的性能，得到的FGMs的結(jié)合強(qiáng)度為18MPa，雙層涂層僅為9MPa，而FGMs的抗熱循環(huán)壽命是雙層涂層的6倍。

Sudarshan Rangaraj等設(shè)計(jì)了5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、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，臨界溫度為94K。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920℃×1h，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。

4、生物功能涂層

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2類材料的優(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。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。

5、其它應(yīng)用

等離子噴涂時(shí)熔粒的冷卻速度可達(dá)105～106℃/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高、孔隙率低、氧化物含量少，其顯微硬度大于850HV，結(jié)合強(qiáng)度在27MPa以上。

等離子噴涂壓電陶瓷涂層用于制作壓電元件，無(wú)需粘貼，尤其適用于大面積壓電傳感元件和壓電做功元件陣列的制作。另外大氣等離子噴涂技術(shù)在制備固體氧化物燃料電池(SOFC)方面也有相關(guān)的研究和報(bào)道。

等離子體噴涂技術(shù)研究方向

目前的研究方向主要集中在診斷實(shí)驗(yàn)和建模兩方面。其目的是：

1、改進(jìn)和優(yōu)化等離子體炬的性能。包括研究由于流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程和典型的等離子體炬中的相關(guān)電弧行為引起的等離子體射流的不穩(wěn)定性。與電弧的狀態(tài)密切相關(guān)的問(wèn)題是電極侵蝕。

最新的等離子體湍流模型提出了用兩種流體描述等離子體及其周圍環(huán)境的方法。由于模型中迄今未能包括等離子體流脈動(dòng)的影響，模擬結(jié)果尚不能與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。最近，已有嘗試在這類模型中引入脈動(dòng)的報(bào)道。

2、目前研究的另一個(gè)重要目的是粒子噴涂型式的控制和與之相聯(lián)的沉積效率的優(yōu)化。這在噴涂貴重粉末物質(zhì)時(shí)受到特別關(guān)注。除了沉積效率之外，涂層質(zhì)量也會(huì)受到噴涂型式的嚴(yán)重影響。

3、最近的一些研究集中在基材上涂層的形成，包括攤片(splat)形成，攤片的固化，攤片微結(jié)構(gòu)，相鄰攤片粘聚力，基材上涂層的附著力、涂層中孔隙率及未熔量的控制等。研究發(fā)現(xiàn)，基材溫度是涂層附著力的決定參量。噴涂過(guò)程中固有的殘余應(yīng)力是涂層是否完整或失效的決定因素。

由于對(duì)等離子體噴涂過(guò)程的全面控制是這一領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的最終目的，所以，完整的數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和基本控制參數(shù)的選擇在過(guò)去幾年受到特別的關(guān)注。它不僅應(yīng)用于常壓等離子體噴涂(APS)，而且還應(yīng)用于其他等離子體噴涂過(guò)程。

最新的開(kāi)發(fā)工作基本上有如下幾個(gè)方面：

1、傳感器的研制。這種傳感器必須在等離子體噴涂的不利環(huán)境下耐用，同時(shí)其造價(jià)又不能太貴(值得花費(fèi))。

2、在各種控制對(duì)策中，等離子體射流狀態(tài)(焓水平和等離子體射流的脈動(dòng))的反饋控制是一種可行的選擇。

3、噴入等離子體中的粉末粒子溫度、速度控制是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。世界各國(guó)的許多等離子體噴涂的一流實(shí)驗(yàn)室都在致力于解決這一難題。

4、對(duì)涂層厚度的現(xiàn)場(chǎng)控制是另一個(gè)難題，且還沒(méi)有得到解決。

5、已有重大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在涂鍍過(guò)程中噴霧炬運(yùn)動(dòng)和基材運(yùn)動(dòng)兩方面得到了成功的應(yīng)用。

在過(guò)去的時(shí)間里，等離子體噴涂的應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)緩慢但卻是穩(wěn)步成長(zhǎng)的過(guò)程。缺乏有效的控制手段是這一領(lǐng)域進(jìn)步的基本障礙。因此，隨著整體的自動(dòng)化控制水平的更加提高，等離子體噴涂技術(shù)有望得到更快的發(fā)展。