等离子喷涂技术课件

等离子喷涂技术

组员：谭哲梁佩张桧楠谢希鑫

彭伟杜波徐向伟等离子喷涂技术组员：谭哲梁佩张桧楠谢希鑫1目录等离子喷涂的定义、原理和特点等离子喷涂与其它表面改性技术的区别等离子喷涂涂层的检测等离子喷涂设备等离子喷涂工艺等离子喷涂应用举例等离子喷涂技术的发展目录等离子喷涂的定义、原理和特点2等离子喷涂的定义、原理和特点定义:等离子喷涂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。基本原理：等离子喷涂技术是采用直流电驱动的非转移型等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预热处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的方法。

等离子喷涂的定义、原理和特点3等离子喷涂技术课件41）可喷材料广泛由于等离子喷涂时焰流温度高、热量集中，弧柱中心温度可升高到15000-33000℃，它能熔化一切高熔点和高硬度材料。这是其它喷涂方法所不能实现的。2）涂层致密，结合强度高（相对于火焰喷涂）因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷涂获得的涂层致密度，一般在90%-98%之间，结合强度可达65-70MPa。3）对工作热影响小等离子喷涂时，喷涂后基体组织不发生变化，工件几乎不产生变形。4）效率高等离子喷涂时，生产效率高，采用高能等离子喷涂时，粉末的沉积速率达8Kg/h。等离子喷涂具有以下特点：1）可喷材料广泛等离子喷涂具有以下特点：5等离子喷涂与其它表面改性技术的区别1、与火焰喷涂的区别

等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种精密喷涂方法。它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

等离子体的高温足以瞬间熔化目前已知的任何材料，从而使等离子喷涂的材料更为丰富，特点是喷涂高熔点陶瓷材料，等离子喷涂具有很大优势。火焰喷涂只适合一些熔点较低的喷涂材料。等离子喷涂与其它表面改性技术的区别1、与火焰喷涂的区别6

粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图等离子喷枪结构及喷涂原理示意图

粉末火焰喷枪结构等离子喷枪结构及72、与气相沉积的区别1）根本方法不同（定义）

等离子喷涂是将材料输送到高温等离子射流中，粉末颗粒在高温等离子射被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以单个颗粒为单元分别凝固在基体表面形成层片状堆积涂层。

气相沉积是将一种或数种材料通过电阻加热、离子轰击或者电子束照射方法使其气化（或化学分解），以直接气－固沉积方式（或发生化学反应）在基体表面沉积薄膜的工艺方法。2、与气相沉积的区别1）根本方法不同（定义）83）涂层组织结构与厚度不同

等离子喷涂涂层的组织为层状堆积，涂层存在大量粒子间界面和气孔等缺陷

气相沉积涂层是致密的几微米厚的薄膜材料4）性能上的不同

等离子喷涂在某种程度上提高了涂层的性能

气相沉积大大提高了材料的性能2）条件不同

等离子喷涂可以直接在大气环境下

气相沉积通常在真空环境下进行3）涂层组织结构与厚度不同4）性能上的不同2）条件不同9等离子喷涂涂层的检测方法1）涂层结合力试验方法涂层的结合强度是涂层系统的重要的指标，常用的试验方法有胶接拉脱法、杯突法、弯曲、扭转法等结合力测试方法。随着测试技术的不断提高，目前各种新型试验方法不断涌现，如声发射划痕法、连续载荷压痕法、动态循环加载接触疲劳法等。2）涂层硬度测定涂层的硬度测定分为宏观硬度（洛氏表面硬度）和微观硬度（显微硬度和维氏硬度）。测定宏观硬度时，对涂层的厚度有一定的要求。显微硬度和维氏硬度可以对涂层中的基体相和硬质相进行分别测定，精确度较高，因此在热喷涂层的硬度试验中被广泛采用。等离子喷涂涂层的检测方法1）涂层结合力试验方法2）涂层硬度测103）涂层界面和表面性能的试验涂层界面性能主要考虑由热冲击和涂层基体间热膨胀系数不匹配等所产生的界面应力，以及循环加载、接触疲劳等，在界面产生的剪应力会引起的界面疲劳裂纹萌生与扩展。以上两方面的因素都会加速涂层开裂和剥落。涂层表面性能试验则主要考核其各种功能性，如各种磨损试验、冲击试验、腐蚀和高温氧化试验等。通常这些实验后，还需对涂层的成份、结构和形貌进行金相、电镜、X—射线衍射，电子探针等方面的微观分析，最后对涂层性能进行评价。3）涂层界面和表面性能的试验114）涂层的残余应力热喷涂层的另一个典型特征是喷涂过程中，涂层的冷却与凝固产生的收缩在涂层∕基体界面出现残余应力，这种应力在棱角和边缘往往形成拉应力，并会在边界引起裂纹，裂纹在一定的条件下，会发生扩展最终造成涂层剥落。涂层材料的热膨胀系数和涂层的厚度对残余应力影响很大的。一般来说涂层越薄，则相应的残余应力就越小。4）涂层的残余应力12等离子喷涂设备等离子喷涂设备主要有：整流电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等，他们相互配置如下图。另外，等离子喷涂所需要的辅助设备有：空气压缩机、喷涂机械手、工作台和喷砂设备等。等离子喷涂设备等离子喷涂设备主要有：整流电源、13等离子喷涂设备1）整流电源

喷涂用的整流电源是向喷枪供给电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。等离子喷涂设备1）整流电源14等离子喷涂设备2）控制柜

等离子弧喷涂控制柜的主要作用是控制和调节向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及调频电流等参数,并加以显示。控制柜中还务有各种保护装置，保证设备正常的工作。等离子喷涂设备2）控制柜15等离子喷涂设备3）喷枪

喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。喷枪产生高温、高速等离子火焰，粉末经送粉器被送入等离子焰中经过熔化加速过程最终喷射到基材表面。喷枪是形成涂层的关键设备。喷枪由阴极、喷嘴（阳极）、朝气道与气室、水冷密封、绝缘体及枪体构成。等离子喷涂设备3）喷枪16等离子喷涂设备4）送粉器

送粉器是贮存和向喷枪供给粉末的装置。主要是向等离子喷枪均匀、定量地输送喷涂粉末。对送粉器的主要技术要求是送粉量准确度高、送粉量调节方便，以及对粉末粒度的适应范围广等。目前常用的是乔板式送粉器,适用于固态流动性好的粉末，和带有小孔的转盘吹式送粉器,用于固态流动性差的粉末和微细粉末。等离子喷涂设备4）送粉器17等离子喷涂设备5）水冷系统

水冷系统是向喷枪供给一定压力和足够流量冷却水的装置，供水装置包括增压水泵和热交换器。等离子喷涂设备5）水冷系统18等离子喷涂设备6）气体供给系统

供气系统包括工作气和送粉器的供气系统，主要由气瓶、减压阀、储气筒、流量计等组成。等离子喷涂设备6）气体供给系统19等离子喷涂工艺喷涂前的表面处理

1、基体表面的清洗、除油对渗有油脂的基体表面的清洗、除油,多采用碱洗法(氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液),溶液洗涤法(挥发性溶液,如丙酮、乙醇、汽油等),蒸汽清洗法(采用三氯乙烯蒸气);而对疏松基体表面(如铸铁件)的清洗、除油比较困难复杂。2、基体表面氧化膜的处理一般采用机械处理方法，如切削加工法和人工除锈法,也可采用硫酸或盐酸进行酸洗。等离子喷涂工艺喷涂前的表面处理203、基体表面的粗化处理基体表面的粗化处理是提高涂层与基体表面机械结合强度的一个重要因素。常用方法有喷砂法、机械加工法、化学腐蚀法等。常用的砂粒材料有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等。4、基体表面的预热处理在等离子喷涂过程中,涂层与基体之间的温度差比较大,就会产生涂层收缩应力,从而引起开裂、剥落的不良后果。因此,合理的选择和控制预热温度很重要,一般对基体表面的预热温度在200-300℃之间。3、基体表面的粗化处理215、非喷涂表面的保护喷砂和喷涂之前,必须对基体的非喷涂表面进行保护,可根据非喷涂表面的形状和特点,设计一些简易保护罩保护罩材料可采用薄铜皮或铁皮。对基体表面上的键槽和小孔等部位,可采用石棉绳堵塞。5、非喷涂表面的保护22等离子喷涂工艺参数的选择:▲喷涂粉末的选择

▲气体的选择▲电参数的选择▲喷涂距离的选择▲喷枪移动速度的选择等离子喷涂工艺参数的选择:23等离子喷涂应用举例－材料选择基体材料

以珠光体Q235为基体，该材料强度和韧性较好，其主要化学成分如下表：粘结层材料

所选用等离子喷涂AT13陶瓷涂层的打底层材料为Ni-Al合金粉末，其粒度范围为140μm-260μm，化学成分如下表：Ni-Al合金粉末SEM照片等离子喷涂应用举例－材料选择基体材料粘结层材料Ni-Al合金24陶瓷层材料喷涂材料选用的是Al2O3-13%TiO2陶瓷粉末，这是因为以Al2O3-TiO2为涂层时，含13%TiO2，涂层的耐磨性最佳。AT13的化学成分和物理性能如下表示：AT13粉末的SEM照片陶瓷层材料AT13粉末的SEM照片25等离子喷涂应用举例－涂层的制备喷涂方法

在喷涂前，首先要在喷涂的基体表面采用16#刚玉进行粗化处理。将基体待喷面用3-4个大气压压缩空气在100-300mm范围内进行喷砂处理，直至试样表面无反光后停止喷砂。再用压缩空气将喷砂表面沙清除干净。

喷涂时等离子弧对试样具有较大吹力，为了防止基体试样移位，将基体试样固定，试验均采用可编程控制的UP6型机器人控制喷枪进行喷涂。涂层设计及工艺参数先在Q235基体上喷涂粘结层Ni-Al，然后再喷涂AT13陶瓷粉末获得陶瓷涂层。基体及各涂层厚度如下表所示：等离子喷涂应用举例－涂层的制备喷涂方法涂层设计及工艺参数26等离子喷涂工艺参数如下表所示：等离子喷涂工艺参数如下表所示：27喷涂步骤1）Q235钢基体表面的粗化和净化：在喷涂前，用16#刚玉砂对试样表面做喷砂处理，直到基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、烘干；2）固定喷涂试样：由于等离子喷涂过程中等离子焰流的吹力较大，喷涂前必须将试样固定在转台上；3）根据等离子喷涂参数喷涂Ni-Al打底层；4）根据等离子喷涂参数喷涂AT13陶瓷层。喷涂处理

喷涂结束后不能马上拿取工件，因为等离子喷涂温度很高，喷枪火焰中心温度在10000℃以上，所以喷出的颗粒温度也很高。在室温下冷却至常温后取下工件，立即进行封孔处理，防止涂层吸附潮气而影响质量。拟选材料为微晶石蜡，可以借助涂层余热溶化封孔。喷涂步骤喷涂处理28等离子喷涂应用举例－实验结果涂层截面金相照片涂层截面SEM照片等离子喷涂应用举例－实验结果涂层截面金相照片涂层截面SEM照29等离子喷涂技术的发展由于等离子喷涂技术在制备耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘和隔热等各种不同性能的涂层时，具有很多独特的优越性。因此，国外对等离子喷涂技术的发展受到了普遍的重视，具体表现在如下几个方面：1、发展高能等离子喷涂设备

高能等离子喷涂设备为喷枪提供了高的输入功率，使工作气体得到充分的分解和电离，增加了等离子体的热焓值和三种压缩效应，从而提高了涂层的结合强度和涂层的致密度。2、发展高焓、高速等离子喷枪

在发展高能等离子喷涂设备的同时，必须使等离子喷枪的结构与其相适应。等离子喷涂技术的发展由于等离子喷涂技术在制备耐磨、耐热、耐腐303、超细粉末的研制和超细粉末送粉器超细粉末又称非自流粉末。超细粉末的粒度一般在5~20微米之间，它的出现，大大的改善和提高了涂层的质量。但是，这种粉末的流动性能很差，故称非自流粉末。4、等离子喷涂工艺过程的自动化由于等离子喷涂工艺存在劳动条件差，操作过程中出现高频噪声、紫外线和有害气体等缺陷。因此，必须不断地提高等离子喷涂工艺过程的机械化和自动化程度以及采用数字程序控制系统。5、等离子喷涂技术的基础理论研究等离子喷涂技术的基础理论研究包括：表面技术的研究、等离子体的基础理论研究、涂层结合机理和涂层结构的研究、喷涂粉末微粒的温度和速度的测试、涂层性能的研究等方面。3、超细粉末的研制和超细粉末送粉器31谢谢大家!谢谢大家!32等离子喷涂技术

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彭伟杜波徐向伟等离子喷涂技术组员：谭哲梁佩张桧楠谢希鑫33目录等离子喷涂的定义、原理和特点等离子喷涂与其它表面改性技术的区别等离子喷涂涂层的检测等离子喷涂设备等离子喷涂工艺等离子喷涂应用举例等离子喷涂技术的发展目录等离子喷涂的定义、原理和特点34等离子喷涂的定义、原理和特点定义:等离子喷涂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。基本原理：等离子喷涂技术是采用直流电驱动的非转移型等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预热处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的方法。

等离子喷涂的定义、原理和特点35等离子喷涂技术课件361）可喷材料广泛由于等离子喷涂时焰流温度高、热量集中，弧柱中心温度可升高到15000-33000℃，它能熔化一切高熔点和高硬度材料。这是其它喷涂方法所不能实现的。2）涂层致密，结合强度高（相对于火焰喷涂）因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷涂获得的涂层致密度，一般在90%-98%之间，结合强度可达65-70MPa。3）对工作热影响小等离子喷涂时，喷涂后基体组织不发生变化，工件几乎不产生变形。4）效率高等离子喷涂时，生产效率高，采用高能等离子喷涂时，粉末的沉积速率达8Kg/h。等离子喷涂具有以下特点：1）可喷材料广泛等离子喷涂具有以下特点：37等离子喷涂与其它表面改性技术的区别1、与火焰喷涂的区别

等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种精密喷涂方法。它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

等离子体的高温足以瞬间熔化目前已知的任何材料，从而使等离子喷涂的材料更为丰富，特点是喷涂高熔点陶瓷材料，等离子喷涂具有很大优势。火焰喷涂只适合一些熔点较低的喷涂材料。等离子喷涂与其它表面改性技术的区别1、与火焰喷涂的区别38

粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图等离子喷枪结构及喷涂原理示意图

粉末火焰喷枪结构等离子喷枪结构及392、与气相沉积的区别1）根本方法不同（定义）

等离子喷涂是将材料输送到高温等离子射流中，粉末颗粒在高温等离子射被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以单个颗粒为单元分别凝固在基体表面形成层片状堆积涂层。

气相沉积是将一种或数种材料通过电阻加热、离子轰击或者电子束照射方法使其气化（或化学分解），以直接气－固沉积方式（或发生化学反应）在基体表面沉积薄膜的工艺方法。2、与气相沉积的区别1）根本方法不同（定义）403）涂层组织结构与厚度不同

等离子喷涂涂层的组织为层状堆积，涂层存在大量粒子间界面和气孔等缺陷

气相沉积涂层是致密的几微米厚的薄膜材料4）性能上的不同

等离子喷涂在某种程度上提高了涂层的性能

气相沉积大大提高了材料的性能2）条件不同

等离子喷涂可以直接在大气环境下

气相沉积通常在真空环境下进行3）涂层组织结构与厚度不同4）性能上的不同2）条件不同41等离子喷涂涂层的检测方法1）涂层结合力试验方法涂层的结合强度是涂层系统的重要的指标，常用的试验方法有胶接拉脱法、杯突法、弯曲、扭转法等结合力测试方法。随着测试技术的不断提高，目前各种新型试验方法不断涌现，如声发射划痕法、连续载荷压痕法、动态循环加载接触疲劳法等。2）涂层硬度测定涂层的硬度测定分为宏观硬度（洛氏表面硬度）和微观硬度（显微硬度和维氏硬度）。测定宏观硬度时，对涂层的厚度有一定的要求。显微硬度和维氏硬度可以对涂层中的基体相和硬质相进行分别测定，精确度较高，因此在热喷涂层的硬度试验中被广泛采用。等离子喷涂涂层的检测方法1）涂层结合力试验方法2）涂层硬度测423）涂层界面和表面性能的试验涂层界面性能主要考虑由热冲击和涂层基体间热膨胀系数不匹配等所产生的界面应力，以及循环加载、接触疲劳等，在界面产生的剪应力会引起的界面疲劳裂纹萌生与扩展。以上两方面的因素都会加速涂层开裂和剥落。涂层表面性能试验则主要考核其各种功能性，如各种磨损试验、冲击试验、腐蚀和高温氧化试验等。通常这些实验后，还需对涂层的成份、结构和形貌进行金相、电镜、X—射线衍射，电子探针等方面的微观分析，最后对涂层性能进行评价。3）涂层界面和表面性能的试验434）涂层的残余应力热喷涂层的另一个典型特征是喷涂过程中，涂层的冷却与凝固产生的收缩在涂层∕基体界面出现残余应力，这种应力在棱角和边缘往往形成拉应力，并会在边界引起裂纹，裂纹在一定的条件下，会发生扩展最终造成涂层剥落。涂层材料的热膨胀系数和涂层的厚度对残余应力影响很大的。一般来说涂层越薄，则相应的残余应力就越小。4）涂层的残余应力44等离子喷涂设备等离子喷涂设备主要有：整流电源、控制柜、喷枪、送粉器、循环水冷却系统、气体供给系统等，他们相互配置如下图。另外，等离子喷涂所需要的辅助设备有：空气压缩机、喷涂机械手、工作台和喷砂设备等。等离子喷涂设备等离子喷涂设备主要有：整流电源、45等离子喷涂设备1）整流电源

喷涂用的整流电源是向喷枪供给电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。等离子喷涂设备1）整流电源46等离子喷涂设备2）控制柜

等离子弧喷涂控制柜的主要作用是控制和调节向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及调频电流等参数,并加以显示。控制柜中还务有各种保护装置，保证设备正常的工作。等离子喷涂设备2）控制柜47等离子喷涂设备3）喷枪

喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。喷枪产生高温、高速等离子火焰，粉末经送粉器被送入等离子焰中经过熔化加速过程最终喷射到基材表面。喷枪是形成涂层的关键设备。喷枪由阴极、喷嘴（阳极）、朝气道与气室、水冷密封、绝缘体及枪体构成。等离子喷涂设备3）喷枪48等离子喷涂设备4）送粉器

送粉器是贮存和向喷枪供给粉末的装置。主要是向等离子喷枪均匀、定量地输送喷涂粉末。对送粉器的主要技术要求是送粉量准确度高、送粉量调节方便，以及对粉末粒度的适应范围广等。目前常用的是乔板式送粉器,适用于固态流动性好的粉末，和带有小孔的转盘吹式送粉器,用于固态流动性差的粉末和微细粉末。等离子喷涂设备4）送粉器49等离子喷涂设备5）水冷系统

水冷系统是向喷枪供给一定压力和足够流量冷却水的装置，供水装置包括增压水泵和热交换器。等离子喷涂设备5）水冷系统50等离子喷涂设备6）气体供给系统

供气系统包括工作气和送粉器的供气系统，主要由气瓶、减压阀、储气筒、流量计等组成。等离子喷涂设备6）气体供给系统51等离子喷涂工艺喷涂前的表面处理

1、基体表面的清洗、除油对渗有油脂的基体表面的清洗、除油,多采用碱洗法(氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液),溶液洗涤法(挥发性溶液,如丙酮、乙醇、汽油等),蒸汽清洗法(采用三氯乙烯蒸气);而对疏松基体表面(如铸铁件)的清洗、除油比较困难复杂。2、基体表面氧化膜的处理一般采用机械处理方法，如切削加工法和人工除锈法,也可采用硫酸或盐酸进行酸洗。等离子喷涂工艺喷涂前的表面处理523、基体表面的粗化处理基体表面的粗化处理是提高涂层与基体表面机械结合强度的一个重要因素。常用方法有喷砂法、机械加工法、化学腐蚀法等。常用的砂粒材料有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等。4、基体表面的预热处理在等离子喷涂过程中,涂层与基体之间的温度差比较大,就会产生涂层收缩应力,从而引起开裂、剥落的不良后果。因此,合理的选择和控制预热温度很重要,一般对基体表面的预热温度在200-300℃之间。3、基体表面的粗化处理535、非喷涂表面的保护喷砂和喷涂之前,必须对基体的非喷涂表面进行保护,可根据非喷涂表面的形状和特点,设计一些简易保护罩保护罩材料可采用薄铜皮或铁皮。对基体表面上的键槽和小孔等部位,可采用石棉绳堵塞。5、非喷涂表面的保护54等离子喷涂工艺参数的选择:▲喷涂粉末的选择

▲气体的选择▲电参数的选择▲喷涂距离的选择▲喷枪移动速度的选择等离子喷涂工艺参数的选择:55等离子喷涂应用举例－材料选择基体材料

以珠光体Q235为基体，该材料强度和韧性较好，其主要化学成分如下表：粘结层材料

所选用等离子喷涂AT13陶瓷涂层的打底层材料为Ni-Al合金粉末，其粒度范围为140μm-260μm，化学成分如下表：Ni-Al合金粉末SEM照片等离子喷涂应用举例－材料选择基体材料粘结层材料Ni-Al合金56陶瓷层材料喷涂材料选用的是Al2O3-13%TiO2陶瓷粉末，这是因为以Al2O3-TiO2为涂层时，含13%TiO2，涂层的耐磨性最佳。AT13的化学成分和物理性能如下表示：AT13粉末的SEM照片陶瓷层材料AT13粉末的SEM照片57等离子喷涂应用举例－涂层的制备喷涂方法

在喷涂前，首先要在喷涂的基体表面采用16#刚玉进行粗化处理。将基体待喷面用3-4个大气压压缩空气在100-300mm范围内进行喷砂处理，直至试样表面无反光后停止喷砂。再用压缩空气将喷砂表面沙清除干净。

喷涂时等离子弧对试样具有较大吹力，为了防止基体试样移位，将基体试样固定，试验均采用可编程控制的UP6型机器人控制喷枪进行喷涂。涂层设计及工艺参数先在Q235基体上喷涂粘结层Ni-Al，然后再喷涂AT13陶瓷粉末获得陶瓷涂层。基体及各涂层厚度如下表所示：等离子喷涂应用举例－涂层的制