（农业机械化工程专业论文）等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究.pdf

签字日期：为年月；日签字日期：廖卅f 年勿月上日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 压铸是现代制造业中非常重要的组成部分，它的应用范围广、发展速度快。在诸 多的热作模具钢种中，h 1 3 钢是目前世界范围内应用最为广泛的热作模具钢，被用于 热锻模、热挤压模和有色金属压铸模等方面。这类钢以c r 、m o 、v 为主要强化元素， 使其具有良好的强韧性，同时保持较高的疲劳抗力，能够满足多种模具所要求的使 用性能。不但能够承受高温拉、压冲击，还可以承受高温磨损、氧化及激冷激热周期 性温度变化等恶劣的工作环境。而铝合金压铸模主要的失效形式为热熔损失效和热疲 劳裂纹失效，因此，h 1 3 钢的寿命取决于两个因素：第一，是否发生粘模，第二，型 腔表面是否发生龟裂。由于模具失效通常是由表面开始，因此要求表面具有更高的硬 度、耐磨、抗粘连等性能。从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性 能和最大经济效益出发，对h 1 3 钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的 有效方法。 本文叙述了等离子喷涂技术的原理、方法及工艺流程。分析了涂层的质量、喷涂 的工艺以及工艺参数对涂层硬度、耐磨性、脱模性等方面影响。 为了改善模具钢表面性能，提高铝合金压铸模的使用寿命，采用等离子喷涂技术 在h 1 3 钢基体上制备了三氧化二铝和氧化铝钛两种涂层。在确定主要影响因素的情 况下，对三氧化二铝和氧化铝钛两种涂层进行了显微硬度的正交试验，确定了影响涂 层显微硬度的主次因素和显著因素，优化了涂层的工艺参数。并对最优参数进行了验 证试验。 利用扫描电子显微镜、硬度测量仪、摩擦磨损试验仪对涂层表面形貌、涂层性能 等进行了测量和研究，并对两种涂层进行了比较，试验显示三氧化二铝涂层的显微硬 度高，耐磨性好，摩擦系数低，磨损失重量少，它的熔点达到2 0 5 0 ，抗高温；同 时在生产现场对两种涂层与实际应用涂层的脱模剂进行了对比，三氧化二铝的平均粘 铝量最小为5 4 9 ，而其他两种都与前者有较大的差距，氧化铝钛的平均粘铝量为 3 0 4 5 9 ，水基脱模剂的平均粘铝量为5 1 2 5 9 。研究结果为提高铸铝压铸模表面性能提 出了重要依据。 关键词：h 1 3 钢；表面改性；等离子喷涂；三氧化二铝；脱模性 r e s e a r c ho np l a s m as p r a y i n gt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc a s ta l u m i n u m d i e - c a s t i n gm o l d a u t h o r ：l i uy a n g s u p e r v i s o r ：m ay u e j m m a j o r ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t c a s t i n gi sav e r yi m p o r t a n tp a r to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g 而li t sw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n ts p e e d a m o n gm a n y k i n d so fh o td i es t e e l ，h13s t e e li st h e w o r l d sm o s tw i d e l yu s e dw i t h i nt h eh o tw o r kd i es t e e lw h i c hi su s e dt of o r g i n gd i e , h o t e x t r u s i o nd i ea n dn o n f e r r o u sm e t a lc a s t i n gm o l da n ds oo n s u c hs t e e li sc r , m o ，va st h e m a i ns t r e n g t h e n i n ge l e m e n t s ，i th a sg o o ds t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，w h i l em a i n t a i n i n gh i g h f a t i g u er e s i s t a n c et om e e tav a r i e t yo fp e r f o r m a n c er e q u i r e db yt h em o l d n o to n l yt h i s k i n do fs t e e lc a nw i t h s t a n dh i g ht e m p e r a t u r et e n s i o na n dc o m p r e s s i o ns h o c k ，b u ta l s oc a n w i t h s t a n dh i g ht e m p e r a t u r ea n dw e a r , o x i d a t i o na n dt h e r m a ls h o c ko fc o l ds h o c kc y c l i c a l t e m p e r a t u r ec h a n g e sa n do t h e rh a r s hw o r ke n v i r o n m e n t t h em a i nf a i l u r ei st h ea l u m i n u m a l l o yd i e - c a s t i n gm o l dd a m a g ei nt h ef o r mo fh o tm e l tt h e r m a lf a t i g u ea n de f f i c i e n c y , t h e r e f o r e ，t h el i f eo fh 13s t e e ld e p e n d so nt w of a c t o r s ：f i r s t ，d o s et h eo c c u r r e n c eo f m u c o s a lh a p p e n ? s e c o n d ，d o s et h e r et u r t l e sc a v i t ys u r f a c ec r a c kh a p p e n ? f a i l u r ei su s u a l l y c a u s e db yt h es u r f a c eo ft h em o l ds t a r t e d ，t h u sr e q u i r i n gah i g h e rs u r f a c eh a r d n e s s ，w e a r r e s i s t a n c e , a n t i a d h e s i o np r o p e r t i e s f r o ms a v i n ge n e r g ya n dr e s o u r c e si n t of u l lp l a yt h e p o t e n t i a lo fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n do b t a i nt h em a x i m u me c o n o m i cb e n e f i ts p e c i f i c p r o p e r t i e sa n ds t a r t i n gt h em o l do fh 13s t e e ls u r f a c em o d i f i c a t i o n ，ac o m p r e h e n s i v ea n d e f f e c t i v ew a yi su s e dt oi m p r o v et h ed i el i f e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fp l a s m as p r a yt h n o l o g y , m e t h o d sa n dp r o c e s s t h e q u a l i t yo ft h ec o a t i n g ，s p r a yc o a t i n gp r o c e s sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nh a r d n e s s ，w e a r r e s i s t a n c e ，m o l dr e l e a s ea n do t h e ra s p e c t sa r ea n a l y z e d i no r d e rt oi m p r o v et h es u r f a c ep r o p e r t i e so fd i es t e e la n dt h el i f eo fa l u m i n u ma l l o y d i e - c a s t i n gm o l d ，t h ep a p e ru s e st h ep l a s m as p r a yt e c h n o l o g yo nt h eh 13s t e e ls u b s t r a t et o f a b r i c a t ea l u m i n u ma n da l u m i n ao x i d ec o a t e dt i t a n i u m a f t e rt h em a i nf a c t o r sb e i n g d e t e r m i n e d ，t h ec i r c u m s t a n c e so fa l u m i n u mo x i d ea n da l u m i n u mo x i d ec o a t i n g st i t a n i u m m i c r o h a r d n e s sw e r et e s t e dt od e t e r m i n et h eh a r d n e s so fc o a t i n ga n das i g n i f i c a n tf a c t o ri n p r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o r sa n dt oo p t i m i z et h ec o a t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s a n d o p t i m a lp a r a m e t e r sw e r ev a l i d a t e d t e s t s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , h a r d n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t , f r i c t i o na n dw e a l t e s t e ra r eu s e dt om e a s u r ea n ds t u d yt h ec o a t i n gs u r f a c em o r p h o l o g ya n dc o a t i n g p e r f o r m a n c e ，e t c ，a n dt h et w oc o a t i n g sa r ec o m p a r e dt h a ta l u m i n u mo x i d ec o a t i n g sb y h i g hh a r d n e s s ，g o o dw e a rr e s i s t a n c e ，l o wc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n ，w e a rl e s sw e i g h tl o s s ，a n d h i l ea tt h ep r o d u c t i o ns i t e ，b o t ht h ec o a t i n g c o a t i n g sw e r ec o m p a r e d t h em i n i m u n l a v e r a g es t i c ko fa l u m i n u mo x i d ea l u m i n u mi s5 4 9 , w h i l ec o m p a r e dt ot h eo t h e rt w o ，i ti s w i t hal a r g e rg a pw i t ht h e m t h ea v e r a g ev i s c o s i t yo fa l u m i n at i t a n i u ma l u m i n u mc o n t e n t i s3 0 4 5 9 ；t h ea v e r a g ew a t e r - b a s e dr e l e a s ea g e n tf o rt h ea l u m i n u ms t i c ki s5 1 2 5 9 t h i si s n o to n l yaq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，b u ta l s om a d eaq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t ，w h i c hm a k e sa r e l i a b l eb a s i st oi m p r o v et h es u r f a c ep r o p e r t i e so fc a s ta l u m i n u md i ec a s t i n gm o l d k e y w o r d s ：h 13s t e e l ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，p l a s m as p r a y i n g ，a l u m i n a , m o l dr e l e a s e 目录 1 绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 热喷涂技术简介2 1 2 1 热喷涂技术原理2 1 2 2 热喷涂技术工艺方法3 1 2 3 热喷涂技术的发展3 1 3 等离子喷涂简介3 1 3 1 等离子喷涂原理4 1 3 2 等离子喷涂设备构成5 1 3 3 涂层和工艺技术特点7 1 3 4 主要工艺参数7 1 4 等离子喷涂发展现状9 1 5 模具表面改性发展现状1o 1 6 研究目标及研究内容1 l 1 6 1 研究目标：1 l 1 6 2 研究内容。1 2 1 7 技术路线1 2 2 实验设备、材料及实验方法1 3 2 1 实验设备13 2 2 实验材料的选择1 3 2 2 1 基材的选择及化学成份1 3 2 2 2 粉末的选择及化学成份。1 4 2 2 3 粉末材料的性能检测_ 1 5 2 3 实验方案l8 2 3 1 涂层的制备1 8 2 3 2a 1 2 0 3 粉末和a 1 2 0 3 t i 0 2 粉末喷涂试验l9 2 4 涂层质量的检测及分析2 0 2 4 1 涂层外观检查2 0 2 4 2 涂层硬度2 0 2 4 3 涂层的耐磨性2 1 2 4 4 涂层的脱模性试验2 2 3a 1 2 0 3 t i 0 2 涂层性能研究2 3 3 1 正交表设计2 3 3 2 涂层硬度实验2 3 3 2 1 测试结果2 3 3 2 2 正交试验结果分析2 4 3 2 3 参数优化2 6 3 2 4 验证实验2 6 3 3 涂层耐磨性实验2 6 3 3 1 涂层磨痕表面形貌2 6 3 3 2 涂层摩擦系数2 7 3 3 3 涂层磨损失重。2 8 4 砧2 0 3 涂层性能研究2 9 4 1 正交表设计2 9 4 2 涂层硬度实验2 9 4 2 1 测试结果2 9 4 2 2 正交试验结果分析3 0 4 2 3 参数优化3 2 4 2 4 验证实验3 2 4 3 涂层耐磨性实验一3 3 4 3 1 涂层磨痕表面形貌3 3 4 3 2 涂层摩擦系数3 4 4 3 3 涂层磨损失重3 4 5 氧化铝和氧化铝钛涂层的扫描电镜实验和脱模性实验3 6 5 1 扫描电镜观察涂层形貌及分析3 6 5 2 脱模实验3 7 5 2 1 实验设计3 7 5 2 2 数据分析3 9 6 结论4 0 参考文献4 l 在读期间发表的学术论文4 3 作者简介：4 4 致谢。4 5 等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究 1 1 课题的背景及意义 1 绪论 压力铸造简称压铸，是制造业中最重要组成部分之一，是先进的金属成型方法之 一，它是实现无切屑、少切屑的有效途径，应用范围广、发展速度快。据历年的统计资 料，铝合金、锌合金压铸占了压铸合金总产量的六成以上，是压铸工业中的一个重要方 面【l - 3 】。 在压铸工业中，模具是非常重要的环节。在现代生产中，模具是大批量生产各种 产品和日用生活品的重要工艺装备，它以其特定的形状通过一定的方式使原料成型， 由于模具成型具有优质、高产、省料和成本低等特点，现已在国民经济各个部门，特 别是汽车拖拉机、航空航天、仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工日用 品等部门得到及其广泛的应用。 然而，也正是因为模具在生产过程中经常受到磨损、冲蚀腐蚀及热疲劳等原因而 发生变形、破裂、粘着、龟裂等现象，压铸行业同时也成为了产品质量不易保证、废 品率比较高的产业。 h 1 3 钢是常用制造铝合金压铸模具的材料，铝合金压铸模具的使用条件比较恶 劣，熔液的浇注温度为7 0 0 左右，以5 0 1 6 0 m s 的速度压入模腔，压力大概为 0 0 8 m p a ，保压时间为5 1 5 s ，每次压射间隔时间大概为2 0 5 5 s 。模具型腔表面受到高 温高速铝液的反复冲刷，产生较大应力。鉴于模具失效大都由表面开始，从节省能源 和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对钢模具进行 表面强化处理，是综合改善模具寿命的关键。目前，我国压铸模的失效形式大多是热 疲劳裂纹所致。模具受液态铝合金的熔损粘蚀作用为模具失效的另一主要形式【铀】。 然而，在经过生产现场考察后发现，企业为克服该条件下铸件的顺利脱模，大多 采用水基脱模剂手工表面喷涂的方式。由于水基脱模剂的结合强度低和耐磨性差，每 压铸大概8 0 件产品，需局部补喷一次；而压铸8 0 0 件产品后，则需重新喷涂一遍， 降低了生产效率。同时，如果涂层的硬度不高，耐磨性能差，涂层与基体之间的结合 强度不高，那么保护性涂层在服役过程中就会出现涂层被氧化，被点蚀，涂层脱皮， 剥落等现象，从而影响涂层的使用寿命既模具的使用寿命【_ 7 】；其中，脱模剂是压铸生 产过程中不可缺少的辅料，脱模剂的使用和选择方法不当都有可能直接或间接地影响 压铸工件的质量和企业的生产效率，也会对生产环境造成较大的影响。因此，试验寻 找具有比目前的水基脱模剂有更好硬度、耐磨性、与基体结合强度以及脱模性的压铸 用粉末脱模剂，修复失效模具或以此替代水剂脱模剂，提高涂层寿命和工件的使用寿 命，对于节约生产成本提高生产效率都具有非常重要的意义。 等粒子喷涂技术是现代热喷涂技术中发展速度迅猛的一种新型多用途的精密喷 涂方法，它具有：超高温、喷射粒子速度高，涂层致密，粘结强度高、喷涂材料不易 氧化、生产效率高、喷涂材料范围广、成本低等优点。因此，其技术进步和上产应用 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 发展很快，已成为热喷涂技术的重要组成部分。 所以，用等离子喷涂设备将所选的具有脱模性能的粉末喷到模具表面，从而达到 提高涂层的结合强度，减小空隙率等性能，提高模具的使用寿命，提高生产效率，降 低生产成本有着及其广阔的研究前景。本文希望在利用前人的研究成果的基础上，采 用常规实验方法，通过大量的实验，为等离子喷涂在模具表面改性的研究方向上做一 点有意义的工作。 1 2 热喷涂技术简介 随着高新科学技术的应用，工业生产技术水平不断的提高，高速、高效、高质的 运行模式已成为人们日益追求的目标，对机械零部件的综合性能要求越来越高。提高 材料的综合应用、改善材料表面性能已成为广大科技工作者密切关注的课题。热喷涂 技术是表面工程领域内表面改性最有效的技术之一。热喷涂技术是利用热源将喷涂材 料加热至溶化或者半熔融状态，并以一定的速度喷砂沉积到经过预处理的基体表面形 成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。 热喷涂技术应用十分广泛，选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备 减磨耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障功能、催化功能、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、 远红外辐射等功能涂层。涂层材料几何涉及到所有固态工程材料，包括金属、金属合 金、陶瓷、金属陶瓷、塑料、金属塑料及它们的符合材料和其他非金属无机材料，广 泛应用与航空航天、冶金、能源、国防、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、 生物工程国民等经济各个领域。 1 2 1 热喷涂技术原理 热喷涂技术工艺方法很多，各有特点。无论何种工艺方法，喷涂过程中形成涂层 的原理基本一致。热喷涂形成涂层的过程一般经历四个阶段：喷涂材料加热溶化阶段、 雾化阶段、飞行阶段、碰撞沉积阶段。 1 加热溶化阶段。当喷涂材料为线( 棒) 材时，喷涂过程中，线材的端部连续不 断地进入热源高温区被加热溶化，形成液滴状；当喷涂材料为粉末时，粉末材料直接 进入热源高温区，在前进的过程中呗加热至溶化或办溶化状态。 2 雾化阶段。线( 棒) 材在喷涂过程中被加热溶化形成溶滴，在外加压缩气流或 热源自身气流动力的作用下，将线( 棒) 材端部溶滴雾化成微细溶粒并加速粒子的飞 行速度；当喷涂材料为粉末时，粉末材料呗加热到足够高温度，超过材料的熔点形成 液滴时，在高速气流的作用下，雾化破碎成更细微粒并加速飞行速度。 3 飞行阶段。加热溶化或半溶化状态的粒子在外加压缩气流或热源自身气流动力 的作用下被加速飞行。粒子飞行过程中喷涂粒子首先被加速，随着飞行距离的增加而 减速。 4 碰撞沉积阶段。具有一定温度和速度的喷涂粒子在接触基体材料的瞬间，以一 2 等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究 定的动能冲击基体材料表面，产生强烈的碰撞。在碰撞基体材料的瞬间喷涂粒子的动 能转化为热能并传递给基体材料，在凹凸不平的基体表面上产生形变。由于热传递的 作用，变形粒子迅速冷凝并伴随着体积收缩，其中大部分粒子呈扁平状牢固地粘结在 基体材料表面上，而另一小部分碰撞后经基体反弹而离开基体表面。随着喷涂粒子束 不断地冲击碰撞基体表面，碰撞一变形一冷凝收缩一填充连续进行。变形粒子在基体材 料表面上，以颗粒与颗粒之间相互交错叠加地粘结在一起，而最终沉积形成涂层。 1 2 2 热喷涂技术工艺方法 热喷涂技术根据所使用热源的不同，主要分为燃烧法和电加热法两大类；再依据 使用的涂层材料形状、喷涂操作的气氛环境等特点，可进一步细分。 l 燃烧法分两种：一是爆炸喷涂，二是火焰喷涂；火焰喷涂分为：线材火焰喷涂、 陶瓷棒火焰喷涂、粉末火焰喷涂、高速火焰喷涂、粉末火焰喷焊。 2 电加热法分五种：电弧喷涂、等离子喷焊、激光喷涂、线爆喷涂、等离子喷涂； 等离子喷涂分为：大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、液稳等离子喷涂、溶液等 离子喷涂。 1 2 3 热喷涂技术的发展 热喷涂技术经过进一个世纪的发展，从简单的工艺技术发展成为完整的工业体 系，已成为先进制造技术的重要组成部分。在成长和发展过程中，由于专业和学科间 的不断渗透、交叉、融合，技术日趋系统化、集成化，即发展成为集机械学、材料科 学、热动力科学、高新技术和生物工程等专业为一体的新兴交叉学科，在制造业领域 成为完整的工业体系。热喷涂技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性，达到赋 予基体材料表面特殊功能的目的。技术的发展主要是新技术的发现、材料的创新、涂 层质量控制软件体系、涂层制各基础理论研究和检测技术等方面。 1 3 等离子喷涂简介 表面技术是材料学领域中的关键技术之一。热喷涂技术又是表面工程学的重要组 成部分，它是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、 耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于对缺 损部件的修复、高温、耐磨等部件的预保护、功能涂层的制备等。热喷涂技术是随着 现代航空、航天的技术的出现而发展起来的。热喷涂的工艺方法有很多种。其中应用 较广泛的方法有火焰喷涂，电弧喷涂，爆炸喷涂，等离子喷涂，近年来又发展了超音 速喷涂技术。 等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体( 射频放电) 中或等 离子射流( 直流电弧) 中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。 而等离子体是一个广义的概念。自然界除了固、液、气3 种物质形态外，还存在物质 的第四态等离子体。当气体电离度大于o 1 1 时，正离子和电子数量增多且相等， 其空间电荷为零，呈中性状态。处于这种状态下的气体称为等离子体。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。 1 3 1 等离子喷涂原理 ， 等离子喷涂是目前热喷涂技术的主要方法，它是采用非转移型等离子弧为热源， 喷涂材料为粉末的热喷涂方法。不仅具备一般热喷涂的特点还有自己独特的优势。等 离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层。等离子喷涂工作气体 常用心或n 2 再加入5 1 0 的h 2 进入电极腔的弧状区后，被电弧加热离解形成等离 子体，其中心温度高达1 5 0 0 0 k 以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出喷涂 粉末被送粉气载入等离子焰流，很快呈熔化或半熔化状态，并高速喷打在经过粗化的 洁净零件表面产生塑性变形，粘附在零件表面各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接， 从而获得结合良好的层状致密涂层。 近十几年来等离子喷涂技术发展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气 氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂等喷涂技术，等离子喷涂已成为热喷涂技术中最重 要的一项工艺方法。目前，国内外最常用的是大气等离子喷涂。 大气等离子喷涂简称等离子喷涂，喷涂原理如图1 1 所示。等离子喷涂通过等离 子喷枪来实现，喷枪的喷嘴( 阳极) 和电极( 阴极) ，分别接电源的正、负极，喷嘴 等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究 1 3 2 等离子喷涂设备构成 等离子喷涂设备由喷枪、整流电源、控制系统、热交换系统、送粉器、水电转接 箱六部分构成，如图1 2 所示。辅助设备包括：压缩气体供给系统、工作用气( 氩、 氢、氮) 供给系统等。 等凌子和气体控溯 图i 2 等离子喷涂设备构成示意图 f i g 1 2p l a s m as p r a y i n ge q u i p m e n tc o n s t i t u t e ss c h e m e s 1 喷枪。等离子喷枪是集水、电、气于一体的等离子电弧发生器，是整套系统 的关键，喷枪的设计和加工质量直接影响喷涂系统能否正常工作和喷涂涂层质量的优 劣。喷枪主要由枪体、喷嘴、电极、电极杆、绝缘体、水道头等组成。 ( 1 ) 喷嘴。喷嘴是喷枪的关键部件，也是易损件，材料为紫铜。9 m 喷枪常用 的喷嘴有四种型号，其中氮气两种：g 和g e ；氩气两种：g h 和g p 。g 和g h 是 低速喷嘴，开口角度和孔径都较大，焰流束粗，适于喷涂高熔点材料，如z 她、灿2 0 3 、 c r 2 0 3 、w 等。g e 和g h 是高速喷嘴，开口角度和孔径都较小，焰流束细，适于喷 涂较低熔点材料。 ( 2 ) 电极。电极也是喷枪的关键部件和易损件，头部材料为钨钍或钨铈合金， 基座材料为紫铜。使用过程中，电极头部温度高达2 0 0 0 0 k 以上，局部热负荷相当 高，容易烧损。为提高电极寿命，必须加强冷却水对电极的冷却效果。 ( 3 ) 绝缘体。一方面在喷嘴和电极之间起绝缘作用，另一方面也起着气路和水 路通道的作用。材料选用耐热性好的工程塑料，如聚砜和聚甲醛等，绝缘体端部气体 分配环材料为聚酰亚胺。 ( 4 ) 水道头。既是喷枪水路的导通体，又是喷嘴、电极和绝缘体的安装定位套。 材料为黄铜或青铜。内孔加工精度高，其加工质量的好坏，直接影响喷嘴、电极的同 心度和冷却效果。 2 整流电源。喷涂用的整流电源是向喷枪提供电能的装置，其外特性和动特性 及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前电源多采用可控硅整流，电源主 要由变压器、电抗器、整流器、接触器等组成。 3 控制系统。控制系统是整套设备的控制中心，一般是由三部分组成：电气控 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 制系统、气路控制系统和工作状态监视系统( 或称为安全报警系统) 。控制系统与水 电转接箱联合作用实现对整个喷涂过程的动作程序和工艺参数的控制、调节及监视 ( 故障显示) 。电气控制系统包括：操作动作程序控制电路、电源电流触发控制电路、 信号显示电路等。操作动作程序控制电路是将各输入的条件信号经过逻辑组合( 编 程) j 输出控制信号来控制执行机构( 电气元件) ，使其按工艺要求的顺序动作，并具 有在非正常的工作状态时自行停机的保护功能。目前国产设备程序控制电路的形式 有三种： ( 1 ) 固定程序继电器控制电路是通过继电器接点的串并联来实现程序控制。目 前部分国产设备仍采用这种方式。 ( 2 ) p l c 可编程控制器程序控制电路。利用p l c 可编程控制器组成程序控制 电路。目前部分国产和进口设备采用此方式。 ( 3 ) 计算机控制系统。采用微型计算机对整个喷涂系统的操作程序和工艺参数 自动控制和数据存储，通过显示器来显示工作状态和工艺参数。部分进口设备采用此 方式【引。 4 送粉器。送粉器是在喷涂过程中定量向喷枪提供粉末的装置，一般要求：可 送粉末粒度范围为：5 - 2 0 0 1 t m ；送粉量连续可调：5 1 5 0 9 m i n ；送粉精度：士1 。目 前常用的有流化床式送粉器和容积式送粉器。该送粉器工作时的参数变量是载气流量 和粉筒工作压力( 简称反压) 以及送粉拾取轴的型号，一般固定拾取轴和载气两个变 量，通过调节反压来改变送粉量的大小。某种粉末单位时间内的送粉量需要进行标定 才能确定，标定工作不是一劳永逸的，粉末粒度差异、气体压力波动、拾取轴的磨损 等都会带来送粉量的变化，所以要根据实际情况决定是否重新标定。一般情况下，造 成送粉器出现故障的原因是“气密性 问题。载气管路老化、接头o 型圈破损等都 可能导致“气密性”问题。现在国产的送粉器为容积式送粉，其送粉原理类似于刮板送 粉，粉末由粉斗底部的小孔漏到转盘粉道上，转盘转动将粉末输送至出粉口，粉末在 送粉载气带动下沿送粉管送至喷枪上的送粉咀，它操作简便、工作稳定，其送粉速率 基本不受载气压力和流量的变化的影响，可送粉末粒度范围2 2 0 0 岬；送粉重复误差 小于士1 。送粉速率在2 0 - - 1 5 0 9 m i n 。 8 1 5 热交换系统。热交换系统有两种类型，一是水泵式制冷，另一种是氟利昂制 冷即制冷机组。 1 ) 水泵制冷式换热器。热交换过程分内外两路循环。内循环的流体是蒸馏水， 其循环路径是：贮水罐_ 水泵一喷枪_ 换热器_ 贮水罐。外循环的流体是蓄水池水， 其循环路径是：蓄水池水- 水泵_ 换热器_ 蓄水池水。其基本原理是：用蒸馏水冷却 喷枪，再用蓄水池水冷却蒸馏水。此种形式的热交换系统主要用于我国北方地区，因 北方夏季蓄水池水经冷却水塔散热降温后水温可在2 5 以下，而南方则不具备这个 条件。 2 ) 氟利昂制冷式换热器。热交换过程也分内外两路循环。内循环的流体是蒸馏 水；外循环则利用氟利昂制冷剂通过换热器冷却内循环的蒸馏水。【8 】 6 等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究 1 3 3 涂层和工艺技术特点 ( 1 ) 涂层结构特性。等离子喷涂涂层组织细密，氧化物含量和孔隙率较低，如氧 化铬涂层孔隙率可控制到3 以下。涂层与基体间的结合以及涂层粒子间的结合形式 除以机械结合为主外，还可以产生微区冶金结合和物理结合，涂层结合强度较高，最 高可达5 0 m p a 。 ( 2 ) 工艺技术特点。等离子喷涂与其它喷涂方法相比，有如下特点： 1 1 涂层种类非常多。等离子喷涂的焰流温度较高，热量集中，可以将多种喷涂 材料加热到熔融或半熔融状态，因此，等离子喷涂的材料范围非常广泛，从而可以得 到各种功能的喷涂涂层，如耐磨涂层、隔热涂层、抗高温氧化涂层、绝缘涂层等。 2 ) 由于等离子喷涂的焰流喷射温度高速度快，粉末微粒获得的动能非常大，熔融 状态下粒子的飞行速度可达到1 8 0 - - - 一4 8 0 m s 。熔融颗粒在和基体发生碰撞时充分变形， 涂层致密度高。 3 ) 喷涂后涂层光滑、平整，可以精确控制涂层的厚度，因此切削加工涂层时可 直接采用精加工工序。 4 涂层结合强度高，孔隙率低、氧化物夹杂少。 5 ) 零件没有变形，不会改变基体金属的热处理性质。由于喷涂时零件不带电， 基体金属不熔化，所以尽管等离子焰流的温度较高，但只要工艺合适，控制零件的温 升不超过2 0 0 ，零件不会发生变形，这对于薄壁件、细长杆以及一些精密零件的修 复是十分有利的。 6 ) 设备控制精度高，可以制备精细涂层。 7 ) 喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作【9 , 1 0 1 。 1 3 4 主要工艺参数 掌握喷涂工艺，是解决涂层质量的关键，在等离子喷涂过程中，除了制定正确的 工艺流程外，还必须控制好喷涂工艺参数【1 1 , 1 2 。 首先功率要适中，要防止功率过大导致粉末烧损；另外还要确保粉末能够熔化完 全，并且还要避免出现生粉；送粉气( 氩气) 流量一般为等离子气体流量的l 5 左右， 送粉气流量应与主气流量相匹配，这样可以保证没有熔化或者没有完全熔化物的减 少，同时也可以确保喷涂效率，供粉速率必须与输入功率相适应；喷涂距离和喷涂角 度：喷涂距离的选择需要保证粉末在焰流中能受到充分的加热熔化，喷涂角度应大于 4 5 。，以免造成“遮蔽效应1 1 3 , 1 4 。 ( 1 ) 基体表面预处理 为了提高涂层与基体表面的结合强度，在喷涂之前必须对基体表面进行清洁、预 热、粗化等处理。首先应进行基体表面除油、机械或者化学方法去除基体表面的氧化 膜。由于涂层与基体结合的方式包括物理、机械、冶金一化学结合。而一般以机械结 合为主，所以应尽可能的增大涂层与基体的接触面积。常用喷砂处理来粗化基体表面。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 预热能去掉表面的水汽，并降低基体与涂层的相对热膨胀。但是基体预热温度不宜过 高，否则基体表面将会被氧化，且可能产生形变等问题，不利于涂层与基体的结合， 一般情况下预热温度为2 0 0 3 5 0 。 ( 2 ) 等离子气体的选择和流量 等离子气体是用来产生等离子弧的工作气体，也称为主气。气体选择的原则主要 是经济性和可用性。经济性是指在满足工作要求的前提条件下，尽可能使价格便宜； 可用性是指不与工件和喷涂材料发生有害反应并且能满足喷涂的基本要求。最常用的 气体有氩气、氮气，有时为了提高等离子焰流的焓值，也可在氩气或氮气中分别加入 5 1 0 ( 体积分数) 的氢气。 等离子气流量将直接影响到等离子焰流的温度、热焓和流速。流量过大，等离子 浓度降低，并且过量的气体冷却了等离子焰流，使热焓、温度下降，粉末熔化不均匀、 不完全，喷涂效率降低，气孔增加。反之，如果气流量太小，等离子焰流能量小、弧 长短、温度下降，且容易烧坏喷嘴、阴极等部件，沉积率下降。 ( 3 ) 送粉量与喷涂功率 送粉量与喷涂功率是两个相互联系并且需要经常变动的参数。在确定这两个工艺 参数的同时，必须保证这两者的适当匹配。送粉量一定，若喷涂功率过小，则粉末熔 化会不完全，涂层中夹杂的未熔化粉末过多，粉末不能在基体表面充分的铺展，将会 有较多的粉末弹跳损失。导致沉积效率降低且与基体结合不牢固。反之，如果喷涂功 率过大，虽然粉末熔化会完全并且可以充分铺展，但是粉末受烧损、氧化太多将使涂 层中夹杂着太多的烟尘，同样也会使沉积效率降低，结合强度不高。一般来说，功率 一定时，应改尽可能的选用高电压、低电流以减轻喷嘴的烧损，延长喷枪的使用寿命。 但对于粗颗粒和高熔点的粉末喷涂时，应该选用较大电流从而使使粉末充分加热熔 化。 ( 4 ) 喷涂距离与喷涂角度 喷涂距离对喷涂质量和喷涂效率有着比较显著的影响。若喷涂距离较小，则喷涂 效率会较高。但如果喷距过小，粉末在焰流中不能受到充分的加速和加热，会导致涂 层疏松和性能降低，而且容易使工件局部温度过高，使工件发生热变形，涂层的应力 变大。喷涂距离过大将会使熔粒与基材和涂层撞击时的速度和温度都降低，会导致熔 粒变形不充分，涂层气孔率较高，涂层结合强度降低。根据经验，喷涂金属粉末时， 喷涂距离常为1 0 0 1 3 0 m m ；喷涂陶瓷粉末时，喷涂距离常取5 0 - 1 0 0 m m 。喷涂时，等离 子焰流轴线和被喷涂工件表面之间的角度( 即喷涂角度) 不应小于4 5 0 ，即应以9 0 0 4 5 0 的角度对工件表面进行喷涂，角度太小或太大均会产生“遮蔽效应 ，导致涂层气孔 率增大，涂层疏松。 ( 5 ) 喷枪移动速度 调节喷枪的移动速度实际是控制每次喷涂的涂层厚度，每次喷涂的厚度不应太 厚。一般情况下不能超过0 2 5 m m ，而对于要求喷涂厚度较大的涂层，应以两次或者多 次喷涂为宜【1 5 , 1 6 。 8 等离子喷涂提高铸铝压铸模性能的研究 1 4 等离子喷涂发展现状 自上个世纪六十年代以来等，等离子喷涂在热喷涂领域得到了迅猛的发展，尤其 是七十年代初期后，发展速度可以说是突飞猛进。从空气等离子喷涂和水稳等离子喷 涂发展到真空等离子喷涂以及后来的超音速等离子喷涂和反应等离子喷涂、微束等离 子喷涂等。从喷涂的材料上来看，经历了喷涂纯金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末和复 合材料粉末的发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧化、防腐蚀方面已经有了 广泛的应用，近年来正试图在生物、超导和航空航天等高科技领域发挥特长，而且取 得了一定的应用。喷涂耐高温陶瓷材料是目前发展的热点，而复合材料和金属间化合 物的喷涂也有增大的趋势。在一系列的技术领域里，等离子涂层所显示的独特优越性 己经引起越来越多的工业部门的重视，故在航空、冶金、机械、机车车辆等部门得到 广泛的应用。特