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1 等离子喷涂技术 2 第一章等离子喷涂技术基础 第一节等离子体基本概念 3 1什么是等离子体 1 等离子体是由被剥夺部分电子的原子及电子组成的离子化气体状物质 在等离子喷涂技术中所叙述的等离子体 不是这种广义的等离子体 而是指气体经过压缩电弧后由于出现高温而形成的等离子体 一般称为热等离子体 4 2 等离子体是物质第四态 00C 1000C 100000C 5 图1 1氮原子电离过程 1 电离现象 7 电子 原子核 7 正离子 电子 6 2 电离度和电离能 气体电离程度的强弱可用电离度来表示 通常把已电离气体的粒子数与未电离前的粒子总数之比称为电离度 其表示公式如下 7 温度随着温度的升高 气体离子运动的动能也就增加 具有高动能的粒子在热运动中互相碰撞 就可以有更多机会发生电离 所以温度对电离度的影响是比较大的 温度越高 电离度越大 影响电离度的因素 8 压力根据热力学中的沙哈方程 推导得出电离度与压力的关系式如下 式中 X 电离度 K T 电离过程中平衡常数 P 压力值 由上式可以明显地看出 当气体压力越低 即气体及其稀薄 时 电离度越高 即使在不高的温度下 也可以出现很高的电离度 因此在很宽的温度范围内都可以存在着电离现象 在宇宙空间中 由于气体极其稀薄 所以电离现象在宇宙中是普遍存在的 9 电离能气体原子中的外层电子摆脱原子核对它的束缚 而成为自由电子时所需的能量称为电离能 可用下式表示 一个电子所需的电离能为 W qe Ui 10 表1 1几种气体在常温常压下的电离电位 气体的电离电位可以理解为使电子从原子中摆脱出来所需要的外加电场的电位差 电离电位的单位为伏特 表1 1中为几种常用气体在常温常压下的电离电位值 11 根据表1 1可以算出各种不同气体电离时所需的电离能W 现以氮气为例 氮气的电离电位 Ui 15 8伏电子电量 qe 1 6 10 19库 12 氮气的电离能为 W qe Ui 1 6 10 19库 15 8伏 2 528 10 18焦 13 供给气体的电离能可以通过各种不同的方法来获得 若电离能是通过热能来获得而产生的电离现象称为热电离 电离能是由光获得而产生的电离现象称为光电离 此外还有碰撞电离和微波电离 在工业中经常遇到的是热电离和碰撞电离 例如 闪电 焊接电弧 等离子电弧均属于热电离 普通的日光灯和霓虹灯都属于碰撞电离 14 1 按等离子体温度分 1 高温等离子体 温度相当于108 109K完全电离的等离子体 如太阳 受控热核聚变等离子体 2 低温等离子体 热等离子体 稠密高压 1大气压以上 温度103 105K 如电弧 高频和燃烧等离子体 冷等离子体 电子温度高 103 104K 如稀薄低压辉光放电等离子体 电晕放电等离子体 DBD介质阻挡放电等离子体等 2等离子体的分类 15 2 按等离子体所处的状态 1 平衡等离子体 气体压力较高 电子温度与气体温度大致相等的等离子体 如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体 2 非平衡等离子体 低气压下或常压下 电子温度远远大于气体温度的等离子体 如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电 大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体 16 3主要应用 1 等离子体冶炼 用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料 例如高熔点的锆 Zr 钛 Ti 铌 Nb 钒 V 钨 W 等金属 还用于简化工艺过程 例如直接从ZrCl4 MoS2和TiCl4中分别获得Zr Mo和Ti 用等离子体技术还可开发高硬高熔点的合金粉末 如WC Co Mo Co Mo Ti Zr C等粉末 等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好 可免除容器材料的污染 2 等离子体喷涂 许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀 抗高温 为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料 用等离子体技术可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化 并喷涂到基体 部件 上 使之迅速冷却 固化 形成接近网状结构的表层 这可大大提高喷涂质量 17 3 等离子体焊接 可用以焊接钢 合金钢 铝 铜 钛及其合金 特点是焊缝平整 可以再加工 没有氧化物杂质 焊接速度快 还用于切割钢 铝及其合金 切割厚度大 4 等离子体刻蚀 在半导体制造技术中 等离子体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法 等离子体产生的高能粒子 轰击的正离子 在强电场下 朝硅片表面加速 这些粒子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料 从而完成一部分的硅刻蚀 5 等离子体隐身 在军事应用于飞行器的隐身 6 等离子体核聚变 托克马克及ITER装置 都是研究核聚变应用发电的实例 18 第二节等离子弧的物理基础 1自由电弧1 自由电孤现象在通常情况下 气体具有良好的电绝缘性能 但是在某些情况下 电流却可以从气体中通过 电流通过气体的现象称为气体放电现象 例如闪电现象和使用电器开关时产生的电弧现象均为气体放电现象 闪电能够照亮大地 小小的电弧会烧坏开关电器 这些现象表明电弧能释放出大量的能量 19 2 自由电弧产生的原理 自由电弧产生的原理如图1 2所示 当开关K关闭时 两极间存在一定的电压 在正负两电极间的间隙里产生一个较强的电场 两极间隙距离越小 电场越强 当间隙小到一定程度时 电场力就足以将阴极电子拉出电极而飞向阳极 随着电场力的增加 电子获得很高的动能 足以对气体粒子进行撞击而产生电离现象 电离后的气体又会出现更多的电子 这些电子在电场中又会加速去撞击新的气体粒子 这样 在两极间的电子浓度不断增加 气体就就被电流击穿 同时出现了很强的光和热 即发生了气体燃烧现象 由于热能的作用 气体又进一步被电离 这种在两极之间的气体介质中出现的持续强烈的电离现象称为电弧现象 上述电弧现象不受任何约束 气体发生自由燃烧 故称为自由电弧 20 自由电弧在不受约束的条件下 弧柱较粗 热量分散 电离度较低 一般温度在5000 60000K 因此 自由电弧在应用上就受到了一定的限制 图1 2自由电弧原理图S 直流电源 R 电阻 K 开关 21 2等离子弧 又称压缩电弧 1 产生原理 图1 3 当自由电弧通过带小孔的冷却喷嘴和在喷嘴内通入气体时 电弧性能有了很大的变化 弧柱变细 热量集中 温度升高 一般把受到压缩作用的电弧称为压缩电弧或等离子弧 图1 3等离子弧产生的原理1 喷嘴 2 冷却水 3 阴极 4 进气孔 5 等离子弧 6 工件 7 直流电源 22 2 等离子弧的压缩效应 等离子弧与自由电弧的最大区别就在于等离子弧在冷却喷嘴内受到如下三个方面的压缩作用 23 1 机械压缩效应 喷嘴孔径越小和孔道越长 对弧柱的压缩愈强 弧柱直径越细 这种对弧柱的压缩现象称为机械压缩效应 24 2 热压缩效应 在喷嘴处于循环水的冷却条件下 由于喷嘴孔道内壁的温度温低 通过喷嘴内壁附近的气体必然受到冷却 形成一股依附在喷嘴孔道内壁上的冷却气膜 电弧将受到冷却气膜的压缩 我们把这种现象称为热压缩放应 25 3 自磁压缩效应 由电磁原理可知 当一根导线中通过电流时 在导线周围垂直于导线的平面上便形成了磁场 磁场的方向可按右手定则来确定 若两根电流方向相同的平行导线 在磁场的作用下 根据左手定则可知 两根导线将产生相互吸引的电磁力 如图1 4所示 图1 4两根平行导线流过相同方向电流时受力示意图 26 如果是一束电流方向相同的平行导线 则在电磁力的作用下 每根导线将受到指向其中心方向的电磁力 如图1 5所示 对于等离子弧来说 可以把它看作是由无数根相互靠近的 电流方向相同的平行导线所组成的 在弧拄内 各部位由于电磁力的作用 都存在指向其中心部位的压缩力 这种现象是由于电弧本身的磁场产生的 称为自磁压缩效应 图1 5一束平行导线流过相同方向电流时受力示意图 27 上述三种压缩效应对电弧作用的结果 使电弧受到强烈压缩而产生等离子弧 这三种压缩效应是同时存在的 机械压缩效应取决于喷嘴的结构和尺寸 热压缩效应取决于气体的进气方式 流量大小和喷嘴内壁的冷却效果 这两种压缩效应是可以控制的 自磁压缩效应是由于电弧本身而引起的 它的压缩效果完全取决于上述两种压缩效果的结果 因此 分析影响各种压缩效果的主要因素 为设计等离子喷枪提供了主要的依据 28 3等离子弧的组成 等离子弧的组成和自由电弧一样 都是由阴极和阴极区 弧柱 阳极和阳极区等三部分组成 下面以等离子喷涂所采用的非转移型等离子弧 图1 6 为例来说明 图1 6等离子弧组成部分1 阴极 2 阴极区 3 弧柱 4 阳极区 5阳极 6 焰流 29 1 阴极和阴极区 等离子弧放电的绝大多数电子是由阴极发出的 阴极表面放电部分的总和称为阴极斑点 它的电流密度高达103 106安 厘米2 阴极区是指靠阴极附近 距阴极约10 4厘米 电场强度很强的区域 由于大量电子从阴极逸出 造成阴极区内正离子大于负离子数 使它具有空间正电荷 形成了阴极电位降 阴极区的电位梯度 单位长度上的电位降 很大 具有105 106伏 厘米的量级 30 2 弧柱区 弧柱区是由电弧长度上均匀分布的导电气体组成的 在弧拄区内 气体产生强烈的电离现象 正负离子浓度几乎相等 在它的每一个宏观区域内的电离气体都呈现中性 所谓等离子体就是指的弧柱部分 31 3 阳极和阳极区 阳极基本上仅接受弧柱区流来的电子 电子流入阳极也集中在阳极表面不大的面积上 这就称为阳极区 阳极区在水冷喷嘴的内壁上 进入阳极区的电子带来大量的热量 其中包括电子从阴极逸出时所得到的能量以及它通过弧柱区受到电场加速所获得的动能 这些能量转变成热能 并使阳极温度升高 所以充分冷却喷嘴是确保喷嘴正常工作的必要条件 32 第三节等离子弧的形式 图1 7等离子弧的形式非转移型等离子弧 b 转移型等离子弧 c 联合型等离子弧 等离子弧的形式分如下三种 如图1 7所示 33 1非转移型等离子弧 简称非转移弧 在阴极和喷嘴之间形成的等离于弧称为非转移弧 如图1 7 a 所示 当连续送入的工作气体穿过电弧后 便成为从喷嘴喷出的高温等离子焰流 若在等离子焰流中送入喷涂粉末 则就可进行等离子喷涂 34 2转移型等离子弧 简称转移弧 在阴极和工件之间形成的等离子弧称为转移弧 如图1 7 b 所示 其温度比非转移弧高 能量集中 可用于金属的切割 焊接和熔炼等方面 35 3联合型等离子弧 简称联合弧 当采用非转移弧和转移弧联合使用时称为联合型等离子弧 如图1 7 c 所示 它应用在等离子喷焊时 非转移弧起着引燃转移弧及加热金属粉末的作用 转移弧主要用来加热工件 使喷出的粉末迅速进入熔池与工件熔 36 第四节等离子弧特性 1高温特性2高速特性3电特性4稳定性5可控性 37 1高温特性 等离子弧最大特点是具有非常高的温度 图1 8为等离子弧温度分布情况 在等离子弧中心最高温度达32000K 这样高的温度是其它热源无法达到的 例如氧乙炔温度最高只有3200K左右 电焊电弧温度一般在5000 6000K之间 氩弧焊的最高温度也只有9000 10000K 由于等离子孤具有极高的温度 被加热的材料一般不受其熔点高低的限制 因此 它可作为一种特殊的热源应用到各个方面 图1 8等离子弧温度分布图 38 2高速特性 等离子弧焰流所具有的高速特性是极其引人注目的 在喷嘴附近 焰流的喷射速度可达亚音速或超音速 美国Metco和Plasmadyne公司所研制的高焓高速等离子喷枪 其最大功率为80千瓦 焰流速M 3 M是表示速度马赫的符号 1马赫等于1倍音速 其中Metco公司研制的7MB高焓高速喷枪的焰流速度最高达3050米 秒 粉末粒子喷射时的最高速度达610米 秒 等离子焰流的高速特性是与高温特性不可分割的 当工作气体进入喷枪的等离子弧中被分解和电离后 加热到很高的温度 体积剧烈膨胀而出现热力加速现象 因此焰流自喷嘴喷出的速度就很高 流量很大 同时具有很大的冲击力 在等离子喷涂工艺中 焰流速度高 冲力大对提高涂层与基体的结合强度极为有利 39 3电特性 等离子弧的电特性主要看它的伏安特性即等离子弧的电压与电流的关系 这个关系称为等离子弧的静特性 图1 9非转移型等离子弧伏安特性1 氮气 流量24升 分 2 氢气 流量120升 分 等离子喷涂采用的是非转移弧 非转移弧的伏安特性是下降的特性 如图1 9所示 这一特性是指在弧长一定时 由于电流的增加 其电压就下降 这与电路中电压和电流之间的关系恰恰相反 非转移弧的伏安下降特性是由于在电弧中 当电流增加时 电弧的热电离就加强 弧柱的直径也增大 使得电弧的电阻下降 而且 电阻下降速度比电流的增加速度要快 这样其电压就随着电流的增加而下降 对于下降的伏安特性所用的电源设备来说 采用普通的硬特性直流电源是不能稳定工作的 要想使等离子弧稳定地工作 必须采用具有陡降的外特性直流电源 40 4稳定性 气体的电离度愈高 其导电性能也就愈好 因此当外界因素造成电弧长短变化时 其工作电压和电流变化不大 这说明电离后的导电气体具有很好的稳定性 等离子弧中的气体是经过充分电离的 以致等离子弧的形状 弧电流和弧电压就更为稳定 它不受外界因素的干扰 这就可以保证等离子喷涂 喷焊和切割等工艺过程稳定可靠 41 5可控性 控制等离子弧的因素有如下几个方面 1 等离子弧的热量和温度可以在很大的范围内进行控制通过改变输入功率 工作气体的流量 喷嘴的几何形状和电源的连接方式等 来控制等离子孤的热量和温度 2 等离子弧气氛的控制通过改变工作气体的种类 可以控制等离子弧的氧化 还原和惰性等气氛 3 等离子焰流冲击力的控制通过改变弧电压 喷嘴结构和气体流量等 可以控制等离子焰流的冲击力 以适应各种不同条件下的要求 42 第五节等离子弧的工作气体 产生等离子弧的工作气体又称为离子气体 常用的有氢 H2 氮 N2 氩 Ar 氦 He 等气体 各种不同气体具有不同的热物理性能如导热系数 热焓 密度 比热 分解度 电离度和电离能等 下面介绍各种不同工作气体的特性和应用 43 1氢气 H2 氢气属于双原子气体 在热电离过程中 首先吸收热且分解成单原子 然后再进行电离 氢气在分解和电离过程中吸收的总热量称为它的热焓值 热焓值也可理解为等离子体所蕴藏的热量 氢气作为等离子气体时具有较高的热焓值 由于氢气来源比较困难 价格贵 一般只在工作气体中加入一定量的氢气 可以提高等离子弧的温度和热能 在等离子喷涂高熔点的粉末时 氢气是不可缺少的气体 氢气是还原性气体 因此工作气体中加入氢气可以有效地防止材料的氧化 44 2氮气 N2 氮气属于双原子气体 它作为等离子气体时也具有很高的热焓值 氮气具有较高的电离电位 它在电离过程中吸收的热量大 由于氮气的来源方便 价格便宜 它已成为等离于喷涂中最常用的工作气体 但是 由于氮气保护性能差 因此在喷涂容易氧化的粉末时 它是不适用的 在氮气中加入5 20 的氢气作为等离子喷涂的工作气体 将有助于提高等离子弧的工作电压和喷枪的使用效率 45 3氩气 Ar 氩气是单原子气体 它在热电离过程中没有分离过程 而是直接吸收热量进行电离 因此 它的热焓值没有双原子气体高 但是 由于氩气没有分解过程 它达吸收热量产生电离时 温度很快升高 使用时弧电压较低 因此 它的引弧性能比双质子气体好 在等离子喷涂时 一般采用氩气起弧比较适宜 氩气属于惰性气体 具有良好的保护性能 所以 在喷涂容易氧化的粉末材料时 选用氩气作为工作气体最合适 46 4氦气 氦气属于单原子气体 也属于惰性气体 它的电离电位很高 所以具有较高的热焓值 它是一种很好的工作气体 但是 由于氦气在空气中含量少 制取困难 因而很少采用 47 第六节等离子喷涂的基本原理和特点 1基本原理等离子喷涂基本原理如图1 10所示 它是将金属 或非金属 粉末通过非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态 并随同等离子焰流 以高速喷射并沉积到预先经过处理过的工件表面上 从而形成一种具有持殊性能的涂层 图1 10等离子喷涂原理图1 阴极 2 阴极夹头 3 绝缘体 4 喷嘴 5 喷涂层 6 工件 7 等离子弧焰流 8 等离子弧 48 2喷涂特点 1 可以获得各种性能的涂层等离子喷涂时的焰流温度高 热量集中 它能熔化一切高熔点和高硬度的粉末材料 这是一般氧乙块火