《真空等离子喷涂设备 一般技术要求》编制说明

中国表面工程协会团体标准《真空等离子喷涂设备一般技术要求》编制说明1项目背景1.1任务来源真空等离子喷涂技术与装备被广泛应用于热障涂层、燃料电池、太阳能、半导体薄膜制备以及生物医学等领域。真空等离子喷涂技术起源于20世纪80年代，在等离子喷涂技术、真空技术和自动控制技术基础上发展而来，真空等离子喷涂设备在国外已实现了商业化生产和销售。与传统大气等离子喷涂相比，真空等离子喷涂工艺在低压或保护气氛中进行，可以通过控制沉积气氛将喷涂颗粒速度维持在较高水平来显著阻止粉末的氧化，使得涂层和基底之间具备较高的结合强度，孔隙率通常低于2%，有效提升涂层性能；随着热喷涂技术的高速发展，等离子喷涂设备也进入了高速发展期，等离子喷涂设备向高能、高稳定性、高集成度等方向发展，作为等离子喷涂系统装备领域中最前沿的真空等离子喷涂装备通过其独有的优势，已然成为该领域的热门发展趋势。目前，在真空等离子喷涂设备方面尚无可供参考的国际、国内标准，为保障标准化生产，促进行业规范快速发展，北京金轮坤天特种机械有限公司向中国表面工程协会自主申报了《真空等离子喷涂设备一般技术要求》（以下简称《技术要求》）。经标委会组织专家审查后，予以立项编制，项目编号CSEA202301。1.2工作过程从接到标准的编写任务开始，北京金轮特种机械有限公司成立标准编制组，并组织召开了编制讨论会，制订了具体的工作计划，明确了技术路线，并根据工作需要对组内成员进行任务分工。2023年12月，编制组完成了《技术要求》（初稿），在广泛征求各方专家和生产企业的意见和建议后，编制组编写完成《技术要求》（征求意见稿），并发送相关单位进行了意见征询。根据反馈意见，编制组对《技术要求》（征求意见稿）进行了完善，并开展了征求意见。2024年X月，根据征求意见情况，进一步调整完善技术要求文本，形成《技术要求》（送审稿），上报中国表面工程协会。2标准制定的必要性等离子喷涂系统装备作为等离子喷涂工艺的实现装置，是等离子喷涂技术发展不可或缺的重要组成，真空等离子喷涂系统最早在航空发动机热端部件抗高温氧化腐蚀涂层MCrAlY制备中实现了应用，由于该系统制备的涂层致密、成分均匀、涂层与基体结合良好，沉积效率高，而成本又比PVD法制作的MCrAlY涂层低，因此很快就在欧美发达国家大量采用，陆续在人工骨关节涂层、抗氧化烧蚀涂层、导电涂层等领域大规模工业应用；随着国内航天航空产业的兴起，对高端产品的涂层加工需求日渐旺盛，真空等离子喷涂系统装备也进入了高速发展期，真空等离子喷涂系统装备的发展趋势以高能、高稳定性、高集成度为主。国外形成的产品系列主要有满足研发中试要求的不连续（开罐）装载及喷涂作业（VPS）和具有连续加载仓的工业型设备（LPPS），并在VPS/LPPS技术基础上（工作压力一般10~70kPa），进一步发展了变革性的固-液-气三相可调控沉积及PVD、CVD、真空喷涂复合的超低压等离子喷涂（VLPPS或LPPS-TF），又称为等离子物理气相沉积（PlasmaSpray-PhysicalVaporDeposition,PS-PVD）技术，可在100Pa压力下工作，等离子射流长度可达2000mm以上，射流直径可达400mm。2010年，美国NASAGleen研究中心和瑞士Metco公司联合开发了第一台PS-PVD设备，该技术目前被公认为是最有广阔的发展前景的热喷涂技术。近年国外逐步依据低压等离子喷涂技术发展相应的装备制造和工艺应用，特别是推动高性能热障涂层及未来航天相关零部件防护涂层，国内由于受到国外技术封锁以及在真空等离子喷涂领域起步较晚，近年来虽进行了大量真空等离子设备的研究，个别研究院校以及科研企业也研制了一整套系统，但是核心元器件以及核心制造技术目前主要依赖进口，尚未完全掌握该装备的自主化的设计和制造技术，尚未实现完全自主化制造，在加上规范化不足，制约了我国等离子喷涂技术与装备的发展；国机集团中国农机院，联合航天科工三院31所、河北航天振邦等单位，在国内承担了自主化的真空等离子喷涂技术与装备研制工作，并形成了真空等离子喷涂装备产品，该成果成功用于航天领域核心部件的喷涂生产，实现了依存度二级的样机制造。目前，在真空等离子喷涂设备方面尚无可供参考的国际、国内标准，在推广过程中，部分生产厂家不敢轻易尝试新技术，抑制了行业发展。此外，由于没有技术标准做指导，造成真空等离子喷涂设备稳定性及集成度良莠不齐，严重影响了该行业的健康发展。因此，制定真空等离子喷涂设备技术要求的团体标准，有利于提高等离子喷涂系统装备整体水平，促进行业规范健康快速发展，推动热喷涂行业制造技术进步。3国内外相关情况真空等离子喷涂技术（VPS）是在APS基础上发展的低压喷涂技术，上世纪80年代技术初步成熟并逐步在国内外获得工程化应用。目前VPS设备系统供货单位主要为Metco、Medicoat、AMT等欧洲企业，国内尚未完全掌握VPS设备自主化集成制造技术，也未有商用化产品在工业界获得规模应用。真空等离子喷涂系统和工艺起源于国外，上世纪80年代，国外推出了相应的商用化设备，目前已经形成了高度集成化、高稳定性、多型号的真空等离子喷涂设备，VPS等离子体直径可到10~40mm，射流长度可达50~500mm，等离子体射流速度可达1000~3000m/s，由于喷涂环境下含氧量低、等离子射流速度快、焰流长，在制备合金涂层和超高温致密涂层等方面具有显著优势，在抗高温氧化腐蚀、导电、抗高温烧蚀、人工骨关节涂层等领域有广泛应用。近年来国外在真空等离子设备逐步提升系统的智能控制，发展了集成化的工艺管理控制系统，同时不断优化提升等离子电源的输出功率和稳定性；发展了连续稳定的真空等离子喷涂用等离子发生器（喷枪，如F4-VB）以及适应VPS工况的内孔喷枪（SM-F100）。国外目前的VPS设备的主要供应商集中在瑞士，设备主要应用于航空、航天和生物医疗等领域。国内自上世纪80年代开始研制真空等离子喷涂系统，由北京制造航空研究院负责研制，型号为ZDP-1700，采用了直径为φ1780×2300mm的双层水冷真空罐体，配备了传统的可控硅整流等离子电源，该设备在国内使用较少，部分院校如北航采购该系统用于科学研究，未获得大规模应用。近年来，北京航空航天大学和瑞士Medicoat联合研制和引进了国内首台等离子物理气相沉积设备，该设备最大功率可达160KW，极限真空小于5Pa，目前该设备已经用于航空航天相关高温防护涂层的研制。西安交通大学研制了尺寸为φ目前该设备已经用于航空航天的双层水冷真空罐体，采购了德国GTV的MF-P1000等离子大气等离子喷涂设备，完成了系统集成，实现了超低压等离子喷涂功能，用于相关的科学研究工作，未获得推广使用。国内目前上海硅酸盐研究所、中国航发黎明、中国航发西航、中国航发331厂等单位均在开展低压等离子喷涂工艺的研究，设备均采购自国外，以瑞士Metco为主。近10年来，北航、航天科技703所、广东科学院新材料所、中科院上海硅酸盐研究所、北京矿冶科技集团均陆续引进了PS-PVD设备，以卧式设备为主，最大尺寸为φ2500mm×4000mm，其中北京矿冶科技集团引进了具有连续加载功能的立式PS-PVD设备。随着航空航天用高性能防护涂层对加工工艺技术的要求不断提升，以及国内相关科研机构针对VPS工艺、材料的研究/研制/应用不断深入，对高端工艺装备存在迫切需求。JL-PSPVD3000是国机集团中国农机院下属北京金轮坤天特种机械有限公司研发的超低压等离子喷涂系统，该系统可实现低压等离子喷涂、超低压等离子物理气相沉积以及超低压等离子化学气相沉积等多种加工模式，通过调整不同的工艺和熔融蒸发状态，可实现固-液-气三相复合调控加工。该系统配备φ相复合调控加工。该系统卧式双层水冷真空罐体，极限真空为3Pa，抽至极限真空时间小于20分钟，系统压力的连续调节范围在100Pa-50kPa；系统配备罗茨风机、罗茨泵、旋片泵组成的真空泵组，抽气速率可达1000m3/h；罐内安装自动式移动平台车以及多工位转台，实现罐外换件并且提高了工作效率；该系统配备自主研制的等离子喷涂系统，喷涂系统电源功率可达300kW，最大输出电流可达3000A，输出电压可高达100V，其中电流输出精度小于等于0.5%；系统设计有多个功能接口，包括工艺接口、观察窗、水电转接接口等，可满足使用需求；控制系统采用可编程控制器和工业计算机组合方式，具有参数记录、功能存储、全自动流程控制等功能。国机集团中国农机院，联合航天科工三院31所、河北航天振邦等单位，在国内承担了自主化的真空等离子喷涂技术与装备研制工作，并形成了真空等离子喷涂装备产品，该成果成功用于航天领域核心部件的喷涂生产，实现了依存度二级的样机制造，填补了国内在热喷涂高端装备领域的空白。由于真空等离子喷涂具有高系统集成度、良好的工艺与设备匹配性的特点，该设备将成为热喷涂装备领域的发展趋势，以推动热喷涂装备形成产业化、标准化及规范化，助力航空航天等领域的高速发展。4编制原则（1）科学性原则。在制定本技术要求时，充分总结归纳真空等离子喷涂设备的发展趋势及应用情况，结合行业零部件喷涂工艺，考虑理论和方法的科学性，科学制定与国内现有技术水平相衔接的真空等离子喷涂设备制造技术。（2）实用性原则。在制定本技术要求时，充分考虑目前我国热喷涂行业现状，确保要求中提出的真空等离子喷涂设备制造技术具有可行性。（3）兼容性原则。在制定本技术要求时，充分考虑国家对高端装备自主可控需求，以推动热喷涂装备形成产业化、标准化及规范化，助力航空航天等领域的高速发展。5主要技术内容说明5.1层次框架本技术条件正文由5部分组成，包括：（1）范围（2）规范性引用文件（3）术语（4）技术要求（5）质量保障（6）检验报告此外，还包括资料性附录A-H。5.2技术内容5.2.1范围本文件规定了真空等离子喷涂设备的一般技术条件，包括设备组成、技术条件、真空系统检查及验收、验收报告等。本文件适用于真空等离子喷涂设备的供货、检验及验收。5.2.2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3163真空技术术语GB/T18719热喷涂术语、分类GB/T20019热喷涂热喷涂设备的验收检查GB/T32218真空技术真空系统漏率测试方法GB/T32293真空技术真空设备的检漏方法选择GB/T36176真空技术氦质谱真空检漏方法5.2.3术语GB/T3163、GB/T18719规定的术语适用于本文件。（1）真空等离子喷涂设备VacuumPlasmaSpraying(VPS)equipment（2）可控气氛controlledatmosphere5.2.4技术要求本技术要求对设备组成、技术条件、功能性验收及性能验收进行了相应的规定，其中技术条件又对对供货条件、功能要求及性能要求进行了相应的规定，确保真空