1等离子体 喷涂基础ppt课件.ppt

1、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等离子体？1)等离子体是由被剥夺了部分电子的原子及电子组成的电离气体物质。等离子喷涂技术中描述的等离子体，这种广泛的等离子体，但由于压缩电弧后高温形成的气体，通常称为热等离子体。4，2)等离子体物质4状态，00c，1000c，1000c，5，图1.1氮原子电离过程，(1)电离现象一般将电离气体的粒子数与未电离粒子数的比率称为电离度。它表示以下公式：7，随着温度上升，气体离子运动的动能也增加。在高动能的粒子牙齿热运动中，徐璐冲突会产生更多的机会。因此，温度对电离度的影响比较大。温度越高，电离度越大。影响电离度的因素，

2、8，压力根据热力学的撒哈拉方程推导出电离度和压力的关系，如下：形式中，X电离度；K(T)电离过程中的平衡常数；p压力值。常识清楚地表明，气体压力越低(即气体和稀薄)，电离度越高。高温度也可能发生高电离度，因此在较大的温度范围内可能发生电离现象。在宇宙空间里，气体很稀薄，因此电离现象在宇宙中普遍存在。9，电离能气体原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子所需的能量称为电离能。可用的下一个表示：电子所需的电离能：W=qeUi，10，表1.1几茄子气体在室温常压下的电离前卫，气体的电离电位可以解释为从原子中去除电子所需的外加电场的电位。电离势的单位是伏特。表1.1列出了常温常压下常用的几种茄子气体

3、的电离前卫值。11，根据表1.1，可以计算各种气体电离所需的电离能W。以氮为例，氮的电离前卫：Ui=15.8电子功率：qe=1.610-19库，12，氮的电离能：W=qeUi=1.610-19库15.8V=2.528110电离能还有碰撞电离和微波电离。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、等离子电弧等都是热电堆。普通荧光灯和霓虹灯都属于碰撞电离。14，1)按等离子体温度(1)高温等离子体：太阳、受控热核聚变等离子体等108109 K完全电离等离子体。(2)低温等离子体：热等离子体：密集高压(1气压以上)，温度103105K(例如电弧、高频、燃烧等离子体)。冷等离子体：高电子温

4、度(103104K)，例如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等离子体分类，15，2)根据等离子体状态，(1)平衡等离子体：气体压力高，电子温度几乎等于气体温度的等离子体。像往常一样压制的电弧放电等离子体和高频传感等离子体。(2)不平衡等离子体：在低压或常压下，电子温度远大于气体温度的等离子体。低压直流辉光放电和高频感应辉光放电，气压DBD介质阻挡放电等引起的冷等离子体。，16，3主要应用，1)等离子体熔炼：用于冶炼具有高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等常用方法难以冶炼的材料，也用于ZrCl4使用等离子体技术，还可以开发高熔点

5、的合金粉末，例如WC-Co、Mo-Co和Mo-Ti-Zr-C。冶炼等离子体的优点是产品成分和微结构的一致性好，可以避免容器材料的污染。2)等离子体喷涂：许多设备的部件必须具有耐磨性、内部可食性、耐高温性，为此，需要在表面喷涂具有特殊性能的材料。使用等离子体技术，将特殊材料粉末撒在热等离子体中熔化，喷射到气体(零件)中，快速冷却硬化，形成接近网状结构的表面，从而大大提高喷涂质量。17，3)等离子体焊接：可用于焊接钢、合金钢。铝、铜、钛及其合金。其特点是焊缝平整，可再加工，无氧化物杂质，焊接速度快。也用于切割钢、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，等离子体刻蚀是干刻蚀中最

6、常见的方法，等离子体生成高能粒子(轰击的阳离子)在强电场中向硅表面加速。通过这种粒子溅射蚀刻，去除未受保护的硅表面材料，完成部分硅蚀刻。5)等离子体隐身：军事上适用于飞机的隐身。6)等离子体核聚变：扭矩标记和电枢装置都是研究核聚变应用发展的实例。18，第二节等离子弧的物理基础，1自由电弧1)自由传记孤独现象一般具有气体良好的传记绝缘性能。但是在某些情况下，电流可以在气体中通过，电流通过气体的现象称为气体放电现象。例如，闪电现象和使用传记开关时发生的电弧现象都是气体放电现象。闪电能照亮大地，小电弧能燃烧开关电器，这种现象表明电弧能释放大量能源。19，2)自由电弧生成原理、自由电弧生成原理如图1.

7、2所示。开关K关闭时，阳极之间存在一定的电压。正负两个电极之间的间隙产生比较强的电场。极间距距离越小，电场就越强。当间距小到一定程度时，电场力就足以把阴极电子从电极上拉出来，飞到阳极上。随着电场力的增加，电子产生了气体粒子碰撞，得到了足以产生电离现象的高动能数值。电离气体将代表更多的电子加速新的气体粒子在电场中的碰撞。这样，阳极之间的电子浓度继续增加，气体被电流破坏，产生强烈的光和热，即气体燃烧现象。由于热能的作用，气体又电离了一级。阳极之间气体介质中出现的牙齿持续、强烈的电离现象称为电弧现象。上述电弧现象不受任何限制，气体自由燃烧，被称为自由电弧(free)。20，在自由电弧不受约束的条件下

8、，弧形柱粗，热分布，电离度低，一般温度为500060000K。因此，自由电弧应用程序存在一些茄子限制。图1.2自由电弧电路图s直流电源供应装置；r电阻K开关，21，2等离子弧(也称为压缩电弧)，1)生成原理(图1.3)通过带自由电弧孔的冷却喷嘴将气体通过莲蓬头时，电弧性能发生了很大变化。弧形柱变细，热量集中，温度升高。通常压缩的电弧称为压缩电弧或等离子弧。图1.3等离子体电弧生成原理1莲蓬头；2冷却剂3阴极4进气5等离子体电弧；6个工件7直流电源，22，2)等离子弧的压缩效果，等离子弧和自由电弧之间的主要区别在于，在等离子胡歌冷却莲蓬头内，压缩为以下三种茄子方法：23，(1)机械压缩效果，莲蓬

9、头孔径小，孔长，对弧柱的压缩越强，弧柱直径越细。这种对电弧柱的压缩现象称为机械压缩效果。，24，(2)热压缩效果，喷嘴在循环水的冷却条件下莲蓬头孔内壁温度低，通过莲蓬头内壁附近的气体冷却，形成附着在莲蓬头孔内壁的冷却基膜。由电弧冷却膜压缩。我们称这种现象为热压缩放。25，(3)磁压缩效果可通过电磁原理了解。也就是说，当一个导体通过电流时，磁场在与导线周围导线垂直的平面上形成，磁场的方向可以根据右手法则确定。可以看到，两个电流方向相同的平行导体在磁场的作用下，根据左手定律，产生两个导体徐璐吸引的电磁力(参见图1.4)。图1.4当两条平行导线通过相同方向电流时，对于力图表，26，电流方向相同的平行

10、导线，电磁力时，每条导线电磁力指向中心方向，如图1.5所示。对于等离子弧，可以看作是由许多具有相同徐璐近电流方向的平行导线组成的。在原木内，每个部位由于电磁力作用，有指向中心部位的压缩力。牙齿现象是由电弧本身的磁场引起的，这称为自压缩效应。图1.5平行导线通过相同方向电流时，力度图，27，以上三种茄子压缩效果对电弧作用的结果，电弧强压缩产生等离子胡歌。牙齿三茄子压缩效果同时存在。机械压缩效果取决于喷嘴的结构和尺寸、热压缩效果取决于气体的进气方式、流动大小和莲蓬头内壁的冷却效果，牙齿两种茄子压缩效果可以控制。自压缩效果是由电弧本身产生的，其压缩效果完全取决于上述两种压缩效果的结果。因此，分析了影

11、响各种压缩效果的主要因素，为设计等离子喷枪提供了重要依据。28，3等离子弧的构成，等离子弧的构成由三部分组成：自由电弧、阴极和阴极区域、弧柱、正极和阳极区域。以下举例说明用于等离子喷涂的非移动等离子弧(图1.6)。图1.6等离子电弧元件1阴极；2阴极区；3号柱；四阳极区域；5阳极6火焰流，29，1)阴极区，等离子弧放电的绝大多数电子从阴极发射。阴极表面放电部分的总和称为阴极斑点，电流密度最大值为103-106A/厘米2。阴极区域是指阴极附近(阴极约10-4厘米)电场强度强的区域。大量电子退出阴极，阴极内的正离子大于负离子数，因此具有空间正电荷，形成阴极电位降，阴极区前卫梯度(单位长度的前卫下降

12、)牙齿大，有105-106伏/厘米杨怡。30，2)弧柱区，弧柱区由电弧长度均匀分布的导电气体组成。湖木发区内气体产生强烈的电离现象，阳离子浓度几乎相同，其各宏观区内的电离气体呈中性，所谓等离子体是指澳大利亚部分。31，3)阳极和阳极区域，阳极基本上只接受从电弧柱区域流动的电子，电子流入阳极也集中在阳极表面的小面积上。这称为阳极区，阳极区位于水冷喷嘴的内壁。进入阳极区的电子产生很多热量，包括电子退出阴极时获得的能量和通过电弧柱区由电场加速获得的动能。牙齿能变成热能，提高阳极温度。因此，完全冷却喷嘴是确保喷嘴正常工作的必要条件。32，第三等离子弧的形式，图1.7等离子弧的形式非流动等离子弧；(b)

13、过渡等离子体电弧；(C)联合型等离子弧、等离子弧的形式分为3种，如图1.7所示。如图1.7(a)所示，在阴极和莲蓬头之间形成的视觉称为等离子弧(视觉弧)，如图1.7 (A)所示，视觉称为弧。持续供给的工作气体通过电弧时，会成为喷嘴喷出的高温等离子火焰流。在等离子火焰流中加入喷雾粉末，就可以进行等离子喷涂。，如图1.7(b)所示，在阴极和工件之间形成的等离子弧被称为传输弧的34，2传输等离子弧(传输弧)。其温度高于未转移的弧，能量集中可用于金属的切割、焊接、熔炼等。35，3耦合等离子弧(耦合弧)如图1.7(c)所示，当非耦合弧和传输弧一起使用时，称为耦合等离子弧。应用于等离子喷涂焊接时，非流动弧

14、起到点燃过渡弧、加热金属粉末的作用。移动弧主要用于加热工件，使喷出的粉末快速进入熔化池和工件。36，4节等离子弧特性，1高温特性2高速特性3传记特性4稳定性5可控性，37，1高温特性，等离子弧的最大特性是很高的温度。图1.8表示等离子弧温度分布，等离子弧中心的最高温度为32000K。这么高的温度是其他热源达不到的。例如，氧乙炔温度最高为3200K左右，焊接电弧温度一般在50006000K之间，氩气电弧焊接的最高温度也只有900010000K。等离子孤独具有很高的温度，因此加热的材料一般不受熔点的高低限制。因此，可以将它作为特殊的热源应用于所有方面。图1.8等离子弧温度分布图，38，2高速特性，

15、等离子弧火焰流的高速特性非常引人注目。在莲蓬头附近，火焰类的喷射速度可以上升到亚音速或超音速。美国Metco和Plasmadyne牙齿开发的高速等离子喷枪的最大功率为80千瓦，火焰流速M=3(M是速度马赫，1马赫1倍声速)。牙齿中，Metco开发的7MB高达菲高速喷枪的烟火速度高达3050米/秒，粉末粒子喷射时的最高速度为610米/秒。等离子火焰流动的高速特性与高温特性密不可分，工作气体进入喷枪的等离子弧，分解，电离，加热到高温度，体积急剧膨胀，产生热加速现象。因此，喷嘴喷出火焰的速度很高，流速大，同时具有很大的冲击力。等离子喷涂工艺中火焰流速高，冲击力大，对提高涂层和气体的结合强度非常有利。

16、39，3电特性，等离子弧的电特性主要是等离子弧电压和电流的关系，即等离子弧的静态特性。图1.9非流动等离子体电弧电压特性1氮(流量24升/分)；2氢(流量120升/分钟)，等离子喷涂使用非流动弧，非流动弧的伏安特性是下降特性，如图1.9所示。牙齿特性是指当弧长不变时，电压随着电流的增加而下降。这与电路中电压和电流的关系相反。非转移弧的电压降特性是因为电弧中电流增加，电弧热电加强，弧柱的直径也增加，电弧电阻下降。此外，电阻下降速度比电流的增加速度快，因此电压随着电流的增加而降低。(阿尔伯特爱因斯坦、美国电视电视剧、美国电视电视剧和降电压电流特性中使用的电源设备，使用常规硬特性直流电源供应设备无法稳定工作。)。等离子胡歌要稳定工作，必须使用带陡降的外部特性直流电源。40，4稳定性，气体的电离度越高，导电性也越好。因此，当外部因素引起电弧长度变化时，工作电压和电流变化不大，表明电离后的导电气体稳定性很高。等离子弧的气体完全电离，等离子弧的形状、电弧电流和电弧电压更稳定，不受外部因素干扰。这样，等离子喷涂、喷焊和切割等工艺过程就变得稳定可靠。41，5可控性，控制等离子弧的因素包括：1)等离子弧的热和温