等离子喷涂与表面工程.ppt

等离子喷涂与表面工程 PlasmaSpraying SurfaceEngineering 班级 科学12 2学号 14125079姓名 江晨辉时间 2015 4 20 01 02 03 04 目录 等离子体概论 等离子喷涂技术 等离子喷涂的应用 参考文献 等离子体概论 1 1 1定义 等离子体 Plasma 又叫做电浆 是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质 尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体 其运动主要受电磁力支配 并表现出显著的集体行为 它广泛存在于宇宙中 常被视为是除去固 液 气外 物质存在的第四态 1 2等离子体中的组分 电子基态原子 分子 和激发态原子 自由电子 从原子 分子 中释放出来的 其能量大小由自由电子的移动速度或与此速度相当的温度 单位 eV 来表征 带电离子 包括正电荷离子和负电荷离子两种 光子 是由等离子体中粒子间的相互作用产生 电离是被束缚电子与其束主原子核分离的过程 1 3等离子体的各种性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物化性质 表现如下 温度高 粒子动能大 作为带电粒子的集合体 具有类似金属的导电性能 等离子体从整体上看是一种导电流体 宏观电中性 虽然等离子体包含带电粒子 电子和离子 但在宏观尺度上 由于正负电荷相当 它处于电中性的平衡状态 因此 在一般情况下 等离子体是准电中性的 化学性质活泼 容易发生化学反应 例如将甲烷与氢气在闭合容器中混合并使之放电 若保持事宜壁温 将会在壁上析出一层金刚石薄膜 CH4 H2 金刚石薄膜V 发光特性 可作为光源 例如 日光灯 霓虹灯等 通电 等离子体相互作用过程 性质与应用 1 4等离子体的分类 1 按存在分类 1 天然等离子体宇宙中99 的物质是以等离子体状态存在的 如恒星星系 星云 地球附近的闪电 极光 电离层等 如太阳本身就是一个炽热的等离子体球 2 人工等离子体如 日光灯 霓虹灯中的放电等离子体 等离子体炬气体激光器及各种气体放电中的电离气体 霓虹灯 星云 2 按系统温度分类 1 高温等离子体粒子温度T 108 109K 有足够的动能相互碰撞 可达到核聚变反应的条件 2 低温等离子体 热等离子体热等离子体是稠密气体在常压或者高压下电弧放电或高频放电而产生的 温度也在上千乃至数万开尔文 可使分子 原子离解 电离 化合等 冷等离子体冷离字体的温度在100 1000K之间 通常是稀薄气体在低压下通过激光 射频或者微博电源辉光放电而产生的 等离子喷涂技术 2 PlasmaSprayingTechnology 等离子喷涂 APS 等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源 以喷涂粉末材料为主 将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态 在等离子射流加速下获得很高速度 喷射到基材表面形成涂层 工作气体常为Ar或者N2 再加入5 10 的H2 中心温度可达15000 可熔化所有金属 因此目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层 2 1等离子弧喷涂原理 特点及应用 1 等离子喷涂的工作原理利用非转移型弧 由喷嘴喷出后形成等离子焰 把难熔的金属或非金属粉末材料快速熔化 并以极高的速度将其喷散成较细的并具有很大动能的颗粒 当这些颗粒穿过等离子焰流撞击到工件上时 产生严重塑性变形 而后填充到已预先做好的固体工件粗表面上 从而形成一个很薄的具有特殊性能的涂层 等离子喷涂原理图 2 等离子喷涂的特点1 等离子焰流热量高度集中 可达万度以上 提供了能使所有材料都能熔化的必要条件 2 等离子焰流气氛可控 可使还原性气体和惰性气体等作为工作气体 这样就能比较可靠的保护工件及喷涂材料不受氧化 3 等离子焰流的流速大 粉末颗粒能够获得较大的动能 4 涂层平整光滑 可精确控制厚度 2 等离子喷涂的特点5 涂层孔隙率低 结合度高 涂层孔隙率可控制在1 10 结合强度可60 70MPa 6 涂层氧化物和杂质含量少 与电镀 电刷 渗碳 渗氮相比 等离子喷涂层更厚 更硬 更具防腐效果 7 喷涂过程对基体的热影响小 基体组织不会发生变化 工件受热温度可控制低于250 因此也可在塑料 油漆 玻璃 石棉布等非金属材料上喷涂 等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层 在机械制造 石油化工 航天航空 交通运输 能源及电子工业中得到应用 等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法 2 2等离子弧喷涂设备 1 等离子喷涂电源空载电压 70V 具有下降或垂降外特征的直流电源均可作为等离子弧喷涂电源 喷涂时采用正极非转移型等离子弧 2 控制柜是等离子弧喷涂设备的控制中心 主要功能包括各种水 电 气 粉路以及运动参数的设置与程序自动控制 系统运行过程监控 故障报警灯 等离子喷涂设备组成示意图 3 等离子喷枪是集电路 气路 粉路 水路于一体的核心装置 等离子弧喷枪由于多种类型 按功率大小可分为 轻型或内孔型枪体 其功率多在40kW以下 标准型枪体 其功率为40 80kW 高能型枪体 其功率在80 200kW 超级 水稳型枪体 功率在200kW以上 等离子喷枪是等离子弧喷涂的核心装置 它主要由枪体阴极组件 枪体阳极 喷嘴 组件和绝缘体 除此 还要包括送粉管件 供气管件 水电缆及其接口件等 4 送粉器是为喷枪提供喷涂粉末的输送装置 5 冷却装置是为喷枪提供充足的冷却介质 以保证喷枪稳定工作的换热器 6 供气系统主要由气源 如标准气瓶 减压表 气体流量计和可控气阀等组成 7 引弧系统用于引燃等离子电弧的装置 常用的是高频引弧方式 2 3等离子喷涂的分类 2 3等离子喷涂的分类2 3 1大气等离子喷涂 AirPlasmaSpraying APS 大气等离子喷涂是用Ar N2 H2作为离子气 经电离产生等离子高温射流 将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层的方法 大气等离子喷涂主要用于制备金属陶瓷 金属和陶瓷涂层 该喷涂粒子速度一般在音速以下 等离子喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料的质量 更重要的是取决于所采用的喷涂工艺 合理选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的重要措施之一 大大气等离子喷涂设备组成 2 3等离子喷涂的分类2 3 2可控气氛等离子喷涂等离子喷枪置于密封舱室内 由机械手进行操作 将舱室抽至真空状态进行喷涂即为真空等离子喷涂 VPS 舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂 LPPS 舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气氛 由于低压或气氛可控 等离子焰流加长 粒子加热更充分 氧化减少 涂层的质量可以得到明显改善 并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜 超导体氧化物涂层方面的应用 2 3等离子喷涂的分类2 3 3液稳等离子喷涂液稳等离子喷涂采用水 乙醇 甲醇作为稳定液体 相应的产生氧化 中性或还原性的等离子体 1 气稳等离子喷涂 非转移弧 所能提供的温度通常为8000 14000 每千克等离子气所产生的焓值范围为1 100MJ kg 由于产生的等离子弧空腔内壁的热载荷的限制 提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难 2 水稳等离子喷涂由于其功率大 成本低 喷涂速度快等优点已被广泛采用 水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的 从而能够提供更高的温度及热焓 2 3等离子喷涂的分类2 3 4反应等离子喷涂 ReactivePlasmaSpraying 反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体的化学过程制造复合材料 陶瓷 金属间化合物等材料的涂层方法 如TiAl Ti TiC Mo MoSi2 MoSi2 SiC等 1 粉末反应等离子喷涂是以高放热反应组元为喷涂粉末 在喷涂过程中完成相的合成和涂层沉积 其原理如图所示 2 3 4反应等离子喷涂2 气相反应等离子喷涂是在反应器中的气体被引入高温等离子射流中后 迅速发生分解 并使分解的离子处于激活状态 与喷涂粉末反应生成理想的产物 沉积到基材表面形成涂层 采用的气体有甲烷 丙烯 氮气 氧气 硅烷或硼烷 已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物 硼化物和氧化物 尺寸0 005 0 5um的微小颗粒的固体薄膜 2 3等离子喷涂的分类2 3 5超音速等离子喷涂 SupersonicPlasmaSpraying 普通等离子喷涂粒子的飞行速度约200m s 而超音速等离子喷涂粒子速度可达400 600m s 甚至更高 从而获得的涂层更加致密 涂层的内聚强度和结合强度更高 为满足新一代耐高温 抗磨损 低摩擦系数的等离子涂层提供技术支持 1 技术原理超音速等离子喷涂是借助氩气和氮气通过Laval喷嘴产生扩展型等离子弧 再利用扩展弧来加热气体得到超音速等离子射流同时有效地加温加热喷涂粉末 超音速等离子喷涂中通过气体的旋流稳定作用与收缩作用得到稳定集聚的高热焓 超高速等离子体焰流 2 3 5超音速等离子喷涂2 技术特点超音速等离子弧喷涂功率高 气流量大 速度极高 具有极高的喷涂效率 而且等离子弧不发散 热焓高 使涂层质量明显优于一般等离子喷涂 与爆炸喷涂和超音速火焰喷涂相近 而且非常适用于高熔点陶瓷材料的喷涂 3 技术控制工艺参数可通过喷涂功率 工作电压 工作电流 主气 Ar 次气 N2 的压力和流量 喷涂距离等加以控制 DH X2超音速等离子喷涂设备 等离子喷涂的应用 3 ApplicationofPlasmaSpraying 等离子喷涂的应用 离子喷涂技术在耐磨 耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛 从上世纪50年代至今 其应用领域由航空 航天扩展到了钢铁工业 汽车制造 石油化工 纺织机械 船舶等 近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料 梯度功能材料 超导涂层 生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视 传统领域的应用 等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层 不仅可以使零部件具有高的硬度 优异的耐磨性 而且涂层摩擦系数小 能耗低 在机械 航空等领域应用广泛 喷涂材料一般选用Al2O3 Cr2O3 TiO2等陶瓷粉末 减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数 等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层 有优异的抗粘着磨损能力 同时 由于喷涂工艺的要求 可使涂层结合强度高 孔隙率低 质量优异且稳定 并且在相同的工况下 摩擦系数从原来的0 11下降到0 089 显示出喷铝涂层在润滑条件下 具有良好的抗咬合性 并能承受瞬时的摩擦高温 是目前理想的活塞环涂层 传统领域的应用 耐热涂层多应用于高温工程 它包括抗高温氧化 高温隔热等 一般采用氧化铝作为耐热涂层 广泛用于航空发动机 燃气轮机等高温工作下零部件的表面 起隔热作用 现有的高温合金 如高温镍合金使用的极限温度为1075 和冷却技术都难以满足设计要求 解决这一问题的办法就是在承受高温的零部件上喷涂热障涂层 以起到阻止热的传递 防止基体金属温度升高或降低基体的受热温度等作用 传统领域的应用 选择这类涂层比较复杂 因为零件的服役状态 环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求 一般采用钴基合金 镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料 通过提高涂层的致密性 堵住腐蚀介质的渗透 合理匹配涂层材料与零件基材的氧化 还原电位 防止电化学腐蚀 常应用于耐化学腐蚀的液体泵等 传统领域的应用 这类涂层具有一定的特性 按其性质可分为 导电涂层 电气绝缘涂层和电磁波屏蔽涂层 一般采用氧化铝陶瓷等作为介电涂层 常用于加热器管道 烙铁焊头等 采用铝 铜作为导电涂层 常用于电容器 避雷器等 传统领域的应用 这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件 对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求 常用于轴类 盘类等 传统领域的应用 气体压力驱动的机械效率取决于机器的密封能力 因而要求转动与静止零件之间具有非常紧密的配合间隙 常用于压缩机和涡轮机部件 高新领域的应用 目前采用真空等离子喷涂制备了纳米WC C0涂层 涂层硬度 韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善 40 60N载荷下 纳米WC C0涂层磨损率仅为常规涂层的1 6 美国康涅狄格州大学等对等离子喷涂纳米结构9M系涂层进行了系统的研究 包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构 等离子喷涂工艺参数优化 工艺诊断 模拟以及涂层结构与性能的分析 研究表明涂层具有双态显微结构 表现出独特的优异性能 与对应的常规涂层相比 结合强度增强100 磨粒磨损抗力提高300 压痕开裂抗力 弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多 高新领域的应用 中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2的结构变化和粒子注入特性 研究发现 TiO2纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构 涂层表现出良好的Li 注入电流和电化学稳定性 陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层 获得的涂层结构致密 孔隙率约为7 涂层和基体间的结合强度为45MPa 明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度 高新领域的应用 离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一 其研究范围主要为梯度功能材料的设计 制备和性能评价3个方面 由于等离子焰流温度高 特别适用于喷涂难熔金属 陶瓷和复合材料涂层 就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间 目前以NiCrAlY作为中间层向金属上涂覆ZrO2涂层成为大多数等离子喷涂FGMs结构研究的热点 已建立起很好的制备工艺 高新领域的应用 另外 已被研究的其它体系还包括 Cu W和Cu B2C 与Al2O3 Cr2O3结合Ni基合金 具有CoCrAlY或NiCoCrAlY的ZrO2 具有Mo的TiC 具有YSZ涂层的Ni 20 Cr Ni Al2O3 WC Co等 对YSZ NiCoCrAlY体系的研究表明 与传统的双层材料相比 功能梯度涂层具有更优异的性能 得到的FGMs的结合强度为18MPa 双层涂层仅为9MPa 而FGMs的抗热循环寿命是双层涂层的6倍 SudarshanRangaraj等设计了5种不同成分的YSZ梯度涂层 研究了涂层设计对YSZ涂层性能的影响 结果表明 莫来石 mullite 成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力 高新领域的应用 等离子喷涂弧温很高 特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷 不需要保护气氛 能够喷涂具有复杂形状的超导制件 沉积效率高 容易制备厚膜涂层和大面积涂层 适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7 x YBCO 和Bi2Sr2Cu2CaO YBCO是一种典型的超导材料 临界温度为94K 等离子喷涂的YBCO涂层由于喷涂过程中材料的氧损失 涂层结构中的孔隙 裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性 使涂层并不具有超导特性 只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理 使涂层形成致密 均匀且较稳定的晶体结构 才能获得超导性 高新领域的应用 YBCO涂层的热处理条件为920 x1h 降至400 再保温1h 当将Bi2Sr2Cu2CaOy陶瓷从高温急冷或淬冷后 它会产生超导态 这一特性对等离子喷涂具有特别的意义 因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达106 s的急冷冷却速率 只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数 很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy的喷涂态涂层具有超导特性 高新领域的应用 等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法 将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面 形成以韧性金属为骨架 表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节 此方法充分发挥了金属和陶瓷2类材料的优点 国内外对等离子喷涂羟基磷灰石 HA 涂层和钛涂层的研究报导较多 并成功地应用于临床试验 高新领域的应用 羟基磷灰石涂层对生物体无毒 耐体液腐蚀 且对生物体组织有良好的适应性和亲和性 耐长期运动过程中的磨损 有足够的力学性能 钛质植入体具有较好的化学稳定性 并且与组织结合良好 与体液相容 用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用 这些涂层既利用了不锈钢的强度 又利用了钛涂层的生物相容性 防止不锈钢中有毒元素的释放 上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展 高新领域的应用 高新领域的应用 在建设节约型社会大力开发新能源的背景下 固体氧化物燃料电池由于其高的能量转换效率和环保而受各国所重视 随着固体氧化物燃料电池堆功率的提高 电池元件的数量也大大增加 高效率 低成本制备这些元件非常重要 采用一定的工艺 等离子喷涂技术为大规模制备符合要求的固体氧化物燃料电池的元件或组件提供了可能 高新领域的应用 1 通过等离子喷涂工艺的优化 在较高的基体温度下 提高粒子运动速度和降低涂层中的残余应力是制备致密电解质涂层的技术关键 采用新型的粉末材料和送粉方式 等离子喷涂制备致密的纳米尺度或者掺杂型的高离子导率的电解质 为降低SOFC的运行温度至中温范围展现良好的前景 2 在LaMnO3中添加过量的MnO2 在等离子焰流下可抑制LaMnO3分解 在等离子喷涂中降低急冷小液滴直径对制备多孔阴极有明显的益处 粒子悬浮液等离子喷涂为获得多孔阴极涂层开辟了道路 高新领域的应用 3 工艺优化 选择新型的粉末材料是等离子喷涂制备多孔阳极涂层的关键 4 采用等离子喷涂制备SOFC功能电池组件可以制备电解质 阴极和阳极涂层厚度均为30 50 m 电池总厚度低于100 120 m 固体氧化物燃料电池的运行温度降低到800 下 高新领域的应用 等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105 106 s 这种高速冷却可在涂