等离子喷涂.ppt

1、1,2. 热喷涂技术,火焰喷涂 超音速火焰喷涂 等离子喷涂 电弧喷涂,2,3. 等离子喷涂技术,等离子喷涂是以压缩的刚性等离子弧为喷涂热源，进行粉末喷涂的一种表面热喷涂方法。 由于等离子弧温度高、能量集中，可以熔化各种难熔材料，它采用氩气、氮气等作为喷涂气体，熔融态粒子在飞行过程中得到了很好的保护，涂层中的氧化物等杂质含量相对较低，因而在生产中得到了广泛的应用。,3,(一) 等离子喷涂原理,1等离子体 气体在一定条件下会发生电离现象，通常把已电离气体的粒子与未电离前的粒子总数之比称为电离度。电离度越高，气体中的正离子和电子就越多。在物理学中把电离度大于0.1的气体称为等离子体。它是继固态、液态

2、及气态以外的物质第四态。与普通气体不同，由于等离子含有正离子和电子，因而呈现出明显的导电性能。等离子体具有三个基本特点：即很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。 等离子体的温度非常高，温度跨度也非常大。按温度的高低可以将等离子分为高温等离子体（在几百万度以上）和低温等离子体。低温等离子体又可以分为热等离子体和冷等离子体。在等离子喷涂中应用的是热等离子体，其温度可达16000度。,4,(一) 等离子喷涂原理,2等离子弧 电弧是一种气体放电现象，具有两种形态，即自由电弧与压缩电弧。若气体放电现象不受任何拘束，则称为自由电弧。由于自由电弧不受任何约束，弧柱一般较粗，热量比较分散，其电离度也较低，温

3、度大约在50006000K。 等离子弧是受到压缩作用的电弧,5,(一) 等离子弧组成,图 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,等离子弧可划分为阴极和阴极区、弧柱区、阳极和阳极区三个部分，如图所示。 （1）阴极和阴极区 等离子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。其电流密度高达103106A/cm2。阴极区是指靠近阴极电场强度很强的区域，其距阴极约为10-4cm。电位梯度大。,（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。弧柱的电阻较小，电压降较小，电位梯度一般为1050V/cm。弧柱中正负带电粒子

4、流虽然有很大区别，但每瞬间每个单位体积中正、负带电粒子数量相等，这是由于弧柱中电子流所需要的电子可以从阴极区得到充分的补充，而使弧柱从整体上呈中性。因此，所谓等离子体即指弧柱部分。 （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的阳极斑点区内。阳极区指靠近阳极斑点附近约10-310-4cm电场强度较高的区域，其电位梯度约为103105V/cm数量级。进入阳极区的电子带来大量的热量，使阳极温度升高。,6,等离子弧特点,（1）温度高，能量集中 由于等离子弧受到强烈的压缩作用，弧柱中心的电离度大，电流密度大，电压高，因而其温度高，能量集中。左下图是等离子喷涂的非转

5、移型弧的温度分布。由图可见，在等离子中心温度最高达32000K。右下图是钨极自由电弧和转移弧的温度分布对比。两者均采用氩气作为工作气体，氩气流量为1.1m3 / h，电流为200A，钨极自由电弧的电压为14.5V，转移弧的电压为29V。从图中可以看出，转移弧的温度最高可达24000K以上，而自由电弧只能达到18000K，并且整个转移弧的温度均在14000K以上。这一特点使得等离子弧可以熔化任何难熔材料，增加了等离子喷涂的应用范围。,图 等离子非转移型弧温度分布 图 钨极自由电弧和转移弧的温度分布对比,7,(一) 等离子弧特点,（2）焰流速度高、冲击力大 进入喷枪中的工作气体瞬时被加热到上万度高

6、温，工作气体急剧膨胀，形成等离子焰流自喷嘴中高速喷出，具有很大的冲击力。在喷嘴附近，焰流的喷射速度可达亚音速或超音速。在等离子喷涂时，这一特点对于提高涂层与基体的结合强度是非常有力的。 （3）稳定性好 由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔，指向性好，电离度高，因而电弧位置、形状以及弧电压、弧电流均比自由电弧稳定，不易受外界干扰。这对于保证等离子喷涂工艺过程的稳定可靠具有重要的意义。 （4）调节性好 压缩型电弧可调节的因素较多，可以通过改变输入功率、工作气体的流量、喷嘴的尺寸以及电源的连接方法等来控制等离子弧的温度和热量；通过变换工作气体的种类可以得到氧化、中性或还原气氛；通过改变弧电压、喷嘴

7、结构和气体流量等，可以控制等离子焰流的冲击力等。,8,(二) 等离子喷涂原理,1.原理 工作气体经进气通道进入等离子弧柱区后，将发生电离成为等离子体。由于受到压缩作用，等离子体温度升高，体积急剧膨胀，喷射速度加大。此时将金属(或非金属)粉末通过进粉通道送入非转移型等离子弧焰流中，这些粉料被瞬时加热到熔融状态，并随同等离子焰流以高速喷射并沉积到预先处理过的工件表面上，形成一种具有特殊性能的涂层。,2等离子喷涂涂层特性 等离子喷涂涂层，其组织细密，氧化物夹渣含量和气孔率都低，气孔率可控制到25%。涂层与基体的结合及涂层颗粒之间的结合形式除以机械结合为主以外，可以产生微区冶金结合和物理结合。涂层结合

8、强度较高，最高可超过60MPa。涂层结合强度主要取决于喷涂材料和工艺条件。,9,(二) 等离子喷涂原理,3等离子喷涂的特点及应用 (1）可以获得各种性能的涂层 由于等离子喷涂时的焰流温度高，热量集中，能够熔化一切高熔点和高硬度的粉末材料。可根据等离子喷涂相应的金属粉末、塑性粉末以及合金粉末，可获得各种特殊性能的涂层，如耐磨、耐高温、耐腐蚀、隔（绝）热、导电、辐射等.（2）涂层孔隙率低，结合强度高 由于等离子喷涂时的焰流喷射速度高，粉末微粒能获得较大的动能，所以喷涂后的涂层致密度高，结合强度高，可达6070MPa。 （3）喷涂后涂层平整、光滑，并可精确控制涂层厚度。 （4）涂层氧化物和杂质含量少

9、 等离子喷涂采用惰性气体作为工作气体时能可靠的保护工件表面和粉末材料不受氧化，从而获得含氧化物少、杂质少的涂层。 （5）对工件的热变形小，基体组织不发生变化 工件表面的热影响区很小，而且工件受热可控制低于250，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。 （6）由于等离子喷涂时的粉末具有高速特点，所以单位时间内粉末的沉积率高。 （7）喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作。 由于等离子喷涂具有以上优点，因而在航空、航天、冶金、机械、造纸、石油化工等几乎所有领域得到了广泛的应用。,10,(三) 等离子喷涂分类,11,(四) 大气等离子喷涂,特点 大气等离子喷涂(APS)方法是用Ar、

10、N2和H2等作为介质产生等离子体，并在大气环境下喷涂操作的热喷涂方法。其特点是： （1）环境气氛是大气； （2）工作气体（或介质）：Ar+H2、Ar+N2、N2+H2或Ar+N2+H2； （3）喷涂颗粒速度一般低于音速，最高为100200m/s。高能等离子喷涂系统中可达到或超过音速； （4）喷涂效率高，涂层致密，与基体结合强度高，基体受热变形小，涂层平整、光滑，可精确控制涂层厚度，能获得氧化物、杂质含量少而纯洁的涂层，喷涂工艺规范调节范围宽。,12,(四) 大气等离子喷涂设备组成,辅助设备包括喷涂柜，通风除尘装置，带动喷枪及工件运动的机械装置等。喷涂设备应置于有隔音效果的喷涂室内。喷涂室内还应

11、有供给压缩空气的管道，在喷涂操作时作冷却气体及向防护头盔供给新鲜空气。,13,(四) 大气等离子喷涂设备组成,14,(四) 大气等离子喷涂,喷涂工艺 等离子涂层的质量除与等离子喷涂设备、等离子喷涂粉末有关外，还与等离子喷涂工艺密切相关。等离子喷涂工艺是否恰当，对于涂层的性能、质量及使用寿命影响巨大。 等离子喷涂工艺主要包括喷涂前准备、喷涂材料的选择、喷涂规范参数的确定以及喷涂后处理。 1喷涂前的准备 喷涂前的准备工作主要是喷涂前的表面处理。 等离子喷涂后涂层与基体的表面结合，有时属于冶金结合，如采用镍包铝复合粉末时，但大部分情况下是属于机械结合。涂层与基体表面结合的强度与基体表面的粗糙程度、表

12、面的清洁程度有很重要的关系，因此喷涂前表面处理主要是基体表面的清洁以及表面的粗化处理。再修复时，为保证一定的涂层厚度，尚需要进行一定的机械加工。,15,(四) 大气等离子喷涂,（1）基体表面的清洁 1）基体表面油污、氧化膜的清除 基体表面的油污等可以采用氢氧化钠、碳酸钠、丙酮、乙醇、汽油、三氯化乙烯和过氯乙烷乙烯等溶液，将基体表面的油污溶解，再加以清除，也可以采用三氯乙烯蒸汽进行清洗，但三氯乙烯对人体有害。 对于疏松基体的油污去除，需要将其加热到250左右，尽量使渗透到疏松孔中的油污渗出表面，然后再将其清除。 2）基体表面氧化膜的处理 可以采用机械加工的方法，也可以硫酸或盐酸进行酸洗。 （2）

13、基体表面的粗化处理 对基体进行粗化处理，可以提高涂层与基体的结合面积，提高涂层与基体结合强度，因而粗化处理的效果好坏直接影响到基层与涂层的结合强度。,16,(四) 大气等离子喷涂,（3）待修表面的预加工 为了保证修复件的修复表面有一定厚度的涂层，在等离子喷涂前必须进行预加工。对于待喷表面是外圆面和内圆面，其加工量根据工件的工作状况确定： 1）对于密封环配合面，由于磨损量较小，加工量可在0.10mm左右。 2）对于轴承配合面，由于工作时不磨损，只需将原有划痕修复即可，因此加工量取0.050.10mm。 3) 对于自压油档配合面，由于此部位在工作时的磨损量较大，需要较厚的涂层，但又考虑到等离子喷涂

14、的特点，加工量以0.20mm0.30mm为宜，其最大值一般不大于0.5mm。 4）对于铜套、钢套及铸铁套的滑配合面，其加工量值可在0.150.25mm中选择。 在待喷表面预加工时，需要特别注意的是待喷表面的两侧应该留出1.02.0mm宽的边，以避免涂层边缘的损伤(在零件装配过程中必要的锤击和搬运过程中不可避免的碰撞等)。加工表面与非加工表面的过渡尽量采用圆角过渡，这样有利于涂层的结合。,17,(四) 大气等离子喷涂,2喷涂用气体的选择 常用的等离子喷涂用气体主要有氮气、氩气、氢气和氦气等。 在选择工作气体时，应根据喷涂粉末来选择，选择时应遵循如下的原则： 1）成本较低，来源容易 2）与喷涂粉末

15、不反应或反应的有害性最小 3）传给粉末的热量最大。 4）必要时可选择混合气体。,18,(四) 大气等离子喷涂,2喷涂用气体的选择 常用的等离子喷涂用气体主要有氮气、氩气、氢气和氦气等。 在选择工作气体时，应根据喷涂粉末来选择，选择时应遵循如下的原则： 1）成本较低，来源容易 2）与喷涂粉末不反应或反应的有害性最小 3）传给粉末的热量最大。 4）必要时可选择混合气体。,19,(四) 大气等离子喷涂,（1）氮气 氮气（N2）属于双原子气体，在热电离过程中，首先吸收热量分解成单原子，然后进一步吸收热量发生原子电离。分解和电离过程中吸收的总能量成为它的热焓值。氮气的电离电位较高，为15.8V，因此氮气

16、的热焓值较高，在等离子焰流与喷涂粉末进行热交换时放出的热量也大，其热的利用率较高。 氮气来源方便，价格便宜，是等离子喷涂中最常用的工作气体。但氮气的保护效果较差，不适用于喷涂易于氧化的粉末，也不宜用于受氮气污染并产生脆化的材料。在氮气中加入520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。,20,(四) 大气等离子喷涂,（2）氩气 氩气属于单原子气体，电离前无分解过程，且其电离电压低于氮气，因而其热焓量较低，对粉末的加热能力低于氮气。 氩气是惰性气体，它与各种金属均不发生化学反应，也不溶解于各种金属，特别适用于易于化学活泼性较强的等离子粉末的喷涂。氩气没有分

17、解过程，相对于双原子气体，其升温快、电弧电压低、引弧性能好，比较适宜于等离子喷涂。但氩气价格较高，其应用受到一定的限制。氩气较多应用在对涂层质量要求较高的场合。 （3）氦气 氦气属于单原子气体，也是惰性气体，氦气的电离电压高达24.5V，具有较高的热焓值，但由于空气中含量少，价格高，限制了它在生产中的应用。,21,(四) 大气等离子喷涂,（4）氢气 氢气属双原子气体，相对于氦气、氮气、氩气，其电离电位较低，为15.4V，虽然由于氢气分子存在分解过程，但氢气仍然具有较高的热焓值。氢气一般不单独作为工作气体，而常常将其加入到其它气体中。例如：由于氢气能有效的提高等离子弧的电压、温度和热能，因此在喷

18、涂高熔点粉末时，常常将氢气与其他气体如（氮气、氩气）等同时作为工作气体。另外，氢气是还原性气体，在喷涂易氧化粉末时，也常常在工作气体中加入一定量的氢气。但其加入量通常小于10，否则容易烧损喷嘴。 等离子气体的纯度也会影响涂层的质量以及喷嘴和阴极的寿命，特别是当气体中氧气和水份的含量过高时，不仅喷涂气氛具有氧化作用，而且使喷嘴和电极烧损加速。氩气、氮气和氢气的纯度要求分别为99.9、99.998和99.97。,22,(四) 大气等离子喷涂,3喷涂粉末的选择 （1）结合底层材料 结合底层是基体表面与涂层之间的过渡层，目的是提高涂层与基体的结合强度。结合底层的材料能与基体产生良好的结合，具有“自粘结

19、性能”。结合底层材料一般选用钼、镍包铝复合材料。镍铬合金虽不是自粘结材料，也常用作高温陶瓷涂层的粘结底层。 （2）喷涂材料 应根据被喷涂基体表面的工作条件和技术要求的不同，选择与其要求相适应的粉末材料。所选择的粉末材料的热膨胀系数应尽可能与基体相近，同时所选的粉末熔点要低，流动性要好，粒度分布均匀。,23,(四) 大气等离子喷涂,4. 喷涂工艺参数的选择 影响等离子喷涂工艺的主要参数有：基体金属的温度、喷涂距离、主气及送粉气的流量、送粉量及电功率、喷枪移动速度等。 （1）基体金属的温度 基体金属的温度是等离子喷涂中的一个重要参数。对基体金属预热主要作用如下： 1）减小涂层收缩应力 在等离子喷涂

20、过程中，由于涂层与基体表面之间的温度差比较大，从而使涂层产生收缩应力。涂层收缩应力易于造成涂层的开裂和剥落，因此，虽然涂层的收缩应力是不可避免的，但应尽量减小涂层收缩应力。对基体表面进行预热，主要目的就是减小基体表面与涂层材料间的温度差，降低涂层内部所产生的收缩应力。 2）去潮气，并使基体表面活化,24,(四) 大气等离子喷涂,3）促进碳化物析出，提高耐磨性 这主要针对铁基合金而言，在喷涂前将基体温度预热到100150，可以有效地促进涂层中碳化物相的析出，提高涂层的耐磨性。但在喷涂碳化钨粉时，为了减少碳的烧损，基体应保持常温。 4）提高涂层的疲劳强度 由于预热可以减小收缩应力，使基体表面活化，

21、提高涂层与基体的结合强度，因而可以提高涂层的疲劳强度。 对基体选用较高的预热温度，虽然可以降低由于基体表面与涂层材料的热膨胀系数的不同所造成的收缩应力。但是，对基体选用过高的预热温度，将会引起基体表面的氧化，而影响到涂层与基体表面的结合强度，有时甚至造成基体材料组织的变化。因此，合理地选用和控制预热温度是很重要的，一般对基体表面的预热温度控制在200以下。,25,(四) 大气等离子喷涂,（2）喷涂距离 喷涂距离直接影响到等离子焰流与等离子粉末的热量传递、基体金属的氧化、等离子喷涂粉末与基体的结合强度、喷涂效率、涂层的气隙率等，因而是等离子喷涂工艺中非常重要的参数。 由于在等离子粉末的飞行过程中

22、，完成等离子焰流与等离子粉末的热量传递和动量传递，若喷涂距离过近，会因粉末加热不良，在涂层中撞击变形不充分而影响结合强度。另外，喷涂距离过近，等离子焰流对基体加热作用增强，使基体温升过高，不仅造成热变形，而且使零件易于被氧化，影响涂层质量。 喷涂距离过远，会使已经加热到熔融状态的粉末在与零件接触时已经受到冷却，飞行速度也开始降低，粉末与涂层的撞击不充分，影响涂层与基体的结合强度，喷涂效率也会明显降低。 在喷涂自熔性合金粉末时喷涂距离以100160mm为宜；喷涂陶瓷粉末时以50100mm为宜；喷涂镍包铝复合粉末时，以100110mm为宜。,26,(四) 大气等离子喷涂,（3）工作气体的流量和送粉

23、气体的流量。 工作气体主要用于形成等离子体。 工作气体的流量直接影响到等离子焰流的热焓和流速，继而影响喷涂效率和涂层气孔率等。气流量过大，离子浓度减少，过量的气体冷却了等离子的焰流，使等离子的热焓和温度降低，不利于粉末的加热和熔化，使喷涂效率降低，涂层组织疏松，气隙率增加。若气流量过小，将使喷枪工作电压降低，焰流软弱无力，熔融粉末对基体的撞击力降低，降低涂层与基体的结合强度，并容易引起喷嘴和阴极的烧损。等离子喷涂时常采用的工作气体流量为3050Lmin。,27,(四) 大气等离子喷涂,送粉气体流量也是很重要的一个参数，它必须与工作气体相适应，以免出现相互干扰的现象。若两者配合不当，将会堵塞喷嘴，严重时会烧坏喷嘴和阴极。一般送粉气体的流量为614L/min。,28,(四) 大气等离子喷涂,（4）送粉量及电功率 送粉量及电功率是等离子喷涂中最主要的参数，又是需要经常变动的参数。这两个参数既相互独立，又相互联系，在确定这两个工艺参数时，重点是保证二者的恰当匹配。 选择送粉量时应考虑喷枪的结构、工作气体流量，特别是与电功率的配合。等离子喷涂时选择的送粉流量一般为1620g/min，喷涂镍包铝粉末时的送粉量一般为1317g/min。 在选择电功率时，除考虑喷枪的结构、工作气体的种类和流量、粉末材料