等离子弧喷涂技术

    等离子弧喷涂是采用刚性非转型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。气体电离（电弧放电、辉光放电、高频放电、光致电离等）成为离子态（正、负离子）即成为等离子体。等离子体有很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。等离子弧的压缩效应来源于三个方面。

    ①机械压缩效应，等离子是通过等离子喷枪的喷嘴喷射出来，因此水冷紫铜喷嘴孔径的大小限制了等离子弧弧柱的直径大小，喷嘴孔径越小，孑L道越长，对弧柱的压缩越强。

    ②热压缩效应，由于水冷紫铜喷嘴孔道内壁温度很低，流经喷嘴内壁附近的气体受到冷却，形成薄层冷气膜，其电离度很低，导电性差，迫使等离子弧集中流过电离度高的中心部位。

③自磁压缩效应，电弧电流有一定的流向，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体。由于平行导体间电磁力的相互作用结果，使弧柱各部位都受到指向弧柱轴线的压缩力作用。由于这三种压缩效应，使得等离子弧具有温度高、能量集中、焰流速度高、稳定性好、可调节性好等优点。图3. 26是对400 A非转移型等离子弧温度的测量结果(氩气流量为10L/min)，表3.7为各种火焰、电弧和等离子弧的最高温度。表3.8为各种热源的能量密度j由图可见，在喷嘴出口处中心温度已达到了20 000 K。

图3. 26等离子弧温度分布

表3.7各种热源最高温度

表3.8各种热源的能量密度

    等离子弧温度高、能量集中的特点有很大的应用价值，在喷涂或焊接、堆焊时，它可以熔化任何金属或非金属；可以获得高的生产率，可以减少工件变形，减少热影晌区。

  3.5.1等离子弧喷涂原理及特点

  图3. 27是等离子弧喷涂原理示意图，图的右侧是等离子体发生器又叫等离子喷枪。根据工艺需要经进气管通人氮气或氩气，也可以再通入5%-10%的氢气。这些气体进入弧柱区后，将发生电离，成为等离子体。由于钨极与前枪体有一段距离，故在电源的空载电压加到喷枪上以后，并不能立即产生电弧，还需在前枪体与后枪体之间并联一个高频电源。高频电源接通使钨极端部与前枪体之间产生火花放电，于是电弧便被引燃。电弧引燃后，切断高频电路。引燃后的电弧在孑L道中受到三种压缩效应，温度升高，喷射速度加大，此时往前枪体的送粉管中输送粉状材料，粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷涂在零件表面上。当撞击零件表面时熔融状态的球形粉末发生塑性变形，黏附在零件表面，各粉粒之间也依靠塑性变形而互相连接起来，随着喷涂时间的增长，零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层。等离子弧喷涂技术有如下特点。

图3. 27等离子弧喷涂原理示意图

    ①等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中，能够熔化一切高熔点和高硬度的粉末材料，这是一般氧一乙炔火焰喷涂和金属电弧喷涂所不能达到的。

    ②零件无变形，不改变基体金属的热处理性质，对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件都可以使用。

    ③由于等离子喷涂时的焰流喷射速度高，粉末微粒能获得较高的动能，所以喷涂后的涂层致密度高，一般为88% ~99%，结合强度高达30 - 80 MPa。

    ④喷涂后涂层平整、光滑，并可精确地控制涂层厚度，因此切削加工涂层时，可直接采用精加工。

    ⑤等离子喷涂采用惰性气体作为工作气体时，能可靠地保护工件表面和粉末材料不受氧化，从而获得含氧化物少杂质少的涂层。

    ⑥在等离子喷涂过程中，工件表面不带电、不熔化，再加上粉末的喷射速度高，工件与喷枪的相对位移速度快，所以对工件表面的热影响区很小。

    ⑦由于等离子喷涂时的粉末具有高速度的特点，所以粉末的沉积率很高。在采用高能等离子弧喷涂时，每小时粉末的沉积量为8蝇，充分显示了等离子喷涂的高效性。

    ⑧喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作。

    但是等离子喷涂也存在一些缺点，如等离子喷涂设备投资大、成本较高（工作气体纯度要求高）；小孔径孔内表面难以喷涂（这是因为喷枪尺寸及喷距的限制）；高速等离子焰流产生的剧烈噪声、强光辐射、有害气体（如臭氧、氮氧化合物等）、金属蒸气、粉尘等对人体有害，需采取防护措施。

  3.5.2等离子弧喷涂设备

  等离子弧喷涂设备主要有：电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等，它们之间的相互配置如图3. 28所示。另外，筹离子喷涂需要的辅助设备有，空气压缩机、油水分离器和喷砂设备等。

    图3. 28等离子弧喷涂设备示意图

    1．等离子喷枪

    根据用途的不同可将等离子喷枪分为外圆喷枪和内孔喷枪两大类。外圆喷枪主要用于零件外圆表面的喷涂，也可用于直径较大的浅内孔表面的喷涂；内孔喷枪用于较深内孔表面的喷涂。

等离子喷枪的结构一般由前枪体、后枪体及绝缘体三部分组成。前、后枪体均由黄铜制造，绝缘体由玻璃纤维、绝缘棒等绝缘材料制成。前枪体中密封固定着由紫铜制成的喷嘴，接电源的正极；后枪体固定着由铈钨合金制成的钨极，接电源的负极。其结构如图3. 29所示。

图3. 29等离子弧喷枪结构示意图

    1一拼帽；2一调节螺母；3-阴极杆；4-出水管；5-离子气管；6-隔热环；7一绝缘体；8-O形密封圈；9-喷嘴；10-进水管；11-喷嘴压盖；12-前枪体；13-阴极；14-后枪体

等离子喷枪中最关键的部件是喷嘴，其次是钨极（阴极）。喷嘴是非转移型等离子弧的阳极，温度很高的弧柱通过喷嘴内壁喷出，因此喷嘴内壁将要接受大量的热量。为了不使喷嘴过热及熔化，需要用高导热率的紫铜制造，并要用水流直接强迫冷却。阴极应考虑材料的选择、形状和尺寸、冷却方式等。阴极材料的选择与工作气体有关，当用氩、氮、氢等工作气体时，多用铈钨极（含氧化铈20-/0~3%）代替钍钨极。

    2．电源

    等离子弧喷涂对电源的要求是，具有正常实施喷涂的电功率，并能进行调节，目前我国生产的等离子弧喷涂电源，其额定功率有40、50和80 kW三种主要规格；具有一定的空载电压使起弧方便，当用氮气起弧时，空载电压不低于190 V，具有陡降的外特性。

  3。控制柜

  等离子弧喷涂控制柜的主要作用是向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及高频电流，能方便地调节水、气和电，并加以显示。控制柜中还备有各种保护装置，保证全套设备正常安全地工作。该装置还带有误操作保护环节，可有效地防止由于误操作而可熊引起的事故。为了提高生产效率和保证涂层质量稳定，该装置在自动操作时，能保证喷枪在最好条件下起弧和灭弧，参数稳定，重复性好，能很好地满足喷涂工艺要求，并为实现全自动化喷涂提供有利条件。

    4．送粉器

    送粉器是储存喷涂粉末并能按工艺要求连续而均匀地向喷枪输送粉末的装置，等离子喷涂过程能否顺利进行与送粉器的性能有密切关系。常用的送粉器有刮板式送粉器、转盘汽动式送粉器、电磁振动式送粉器和鼓轮式送粉器。

    刮板式送粉器适于粒度为200一350目的各种球形粉末。送粉量通过更换不同孔径的漏嘴或调整漏嘴与粉盘距离，以及改变粉盘转速来控制。有三个储粉筒可同时装两种不同的粉末，在喷涂过程中，根据工艺需要随时选用其中任何一种，更换方便。

    转盘汽动式送粉器是为输送非流态微细粉末而设计的，如MU35型、Plasmadyne公司设计的1250型、咸阳纺织机械厂设计九江等离子喷涂厂生产的B5同步锤击式都属于这一类型。

    电磁振动式送粉器是一种较新型的送粉器，如图3. 30所示。在储粉料斗的壁上设有螺旋槽。当电磁振动器振动时，料斗中粉末沿螺旋槽向上源源不断地运动，并从位于料斗上部的出口流出，再由送粉器将粉末送入喷枪。送粉量决定于电磁振动器的输入电压，调节振动电压能非常精确和平滑地连续改变送粉量，这样就容易对送粉进行程序控制。其不足之处是不适用于密度不同和颗粒度相异的混合物。

    鼓轮式送粉器是粉末由储存粉斗经漏孔流至鼓轮上，如图3. 31所示。调整好漏孔的直径和距离鼓轮的间隙，使得在鼓轮不转动时，粉末不会自动流下。而当鼓轮一转动，粉末便随着鼓轮的转动方向流至出粉口。送粉量决定了豉轮的转速，只要调节鼓轮的转速就能精确控制送粉量，而且送粉比较均匀。鼓轮式送粉器最大的优点是适用于混合粉的输送，不会造成或增加不同密度和颗粒度粉末的分层，减少涂层成分的偏析。

    图3. 30电磁振动式送粉器

1-粉斗；2-粉末；3-振动器；4-弹簧片

    图3. 31鼓轮式送粉器

1-粉筒；2-粉末；3-鼓轮；4-漏斗

  3.5.3等离子弧喷涂材料

  1．等离子弧喷涂用粉末

  按粉末成分、特性可将喷涂用粉末分为纯金属粉末、合金粉末、自熔性合金粉末、陶瓷粉末、复合粉末、塑料粉末等。涂层材料虽有几百种，但常用的只有几十种。涂层材料分类见图3. 32。

    2．等离子弧喷涂用气体及其选择

    等离子弧喷涂的工作气体和送粉气体应根据所用的粉末材料，选择费用最低，传给粉末的热量最大，与粉末材料有害反应最小的气体。最常用的气体有氮、氩气，有时为了提高等离子弧焰流的焓值，在氮气或氩气中可分别加入5%一10%的氢气。喷涂所用的气体要求具有一定的纯度，否则钨极很容易烧损，氮和氢要求纯度不低于99.9%，氩气不低于99. 99%。

    图3. 32常用涂层材料分类

    空气等离子弧喷涂装置已达到成熟阶段，只要在喷涂材料上解决氧化问题，则可使喷涂成本大大降低。此外，近年来用水对等离子弧压缩的水稳等离子弧喷涂装置也有较快的发展，如捷克的水稳等离子弧喷涂装置送粉量可比气体等离子弧喷涂提高10~15倍，而成本只是气体等离子弧喷涂的十分之一。

  3.5.4等离子弧喷涂工艺

  等离子弧喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料，更重要的是取决于所采用的喷涂工艺。合理地选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的关键环节之一。

    1．喷涂前的表面处理

    在制备热喷涂涂层前，对基体表面进行清理、粗化、预热、喷涂结合底层等，可提高基体表面的活性和表面积，增加热喷涂层与基体的结合强度，改善涂层的内应力分布。

    2．结合底层

    结合底层材料能与基体产生良好的结合，具有“自粘结性能”。结合底层材料一般选用钼、镍包铝复合材料。镍一铬合金虽不是自粘结材料，也常用做如高温陶瓷涂层的粘结底层。

    3．喷涂粉末

    根据被喷涂基体表面的工作条件和技术要求，选择与其要求相适应的具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、导电、绝缘、绝热和抗辐射等不同性能的粉末材料。所选择粉末的热膨胀系数要尽可能与基体相近，熔点要低，流劫性要好，球形好，粒度分布均匀。

    4．工艺参数

    等离子喷涂工艺的可变参数很多，这些参数都会影响到涂层质量。工艺参数包括工件的温度、应力控制、冷却速度；涂层性质、厚度等；粉粒形状和粒度分布、成分均匀性；在等离子焰流中停留时间、送粉位置、送粉气流；喷枪与工件相对运动、喷枪至工件距离；等离子体的气体成分、热焓、温度、速度、环境等。

    ①工作气体一般选用高纯氮或高纯氮加5%一100-/0的氢，不仅便宜、热焓高、传热快，而且传给喷涂粉末的热量和动能都较大。对于碳化物，如碳化铬、碳化钨、碳化钛、碳化锆等，为了防止脱碳，选用氩气是适宜的；氩弧较短，也适用于小件和薄件的喷涂。

    ②合理选择工作气体流量，在电弧功率一定的情况下，如果工作气体流量过大，则降低了等离子射流的焓值，导致粉末颗粒熔化不均匀、不充分，涂层组织疏松，气孔率增加。

工作气体流量过小，不仅降低熔粒的动能，甚至不能维持等离子弧的稳定工作，且容易烧坏喷嘴和阴极。一般工作气流量为30―50 L/min，在实际中根据需要进行调整。

    ③送粉气体一般选择价格便宜的氮气。送粉气体流量要与工作气体流量相适应，避免相互干扰，若两者匹配不当，会堵塞喷嘴，严重时将烧坏喷嘴和阴极。一般送粉气体流量为6一14 L/min。

    ④电参数很重要，功率一般为30 ~60 kW。选择高电压和低电流可以减小喷嘴与阴极的烧损，同时提高热效率；但是在喷涂高熔点材料和粗粒度粉末时，电流应选高一些，以利于粉末的充分加热熔化。在喷枪结构一定、工作气体流量一定的情况下，可通过电流调节器、氢气流量和两极间的距离调节。

    ⑤喷涂距离对涂层质量和沉积效率有明显影响，喷涂一般自熔性合金粉末时，喷涂距离为100~ 160 mm；喷涂陶瓷粉末时，其距离为50一100 mm。

    ⑥喷涂角度的选择一般在450一900内选择，最佳角度为900。

    ⑦喷枪移动速度一般选用5一15 m/min。

    ⑧工件温度和涂层应力控制，在喷涂过程中，必须控制工件的温升以减少涂层和工件的氧化，防止工件变形，控制涂层应力。

    综上所述，要获得高质量的涂层，则必须考虑上述工艺参数的最佳配合，表3.9为几种材料的等离子喷涂工艺参数。

    表3.9几种材料的等离予喷涂工艺参数