等离子喷涂技术的应用

等离子喷涂技术的应用

0表面处理技术随着现代科学技术和工业的发展，材料性能的要求越来越高，材料性能的不同领域也存在很大差异。即使它是同一侧的零件，也不同，性能要求也不同。因此,寻求各种性能的材料已经成为当今世界研究的热门课题之一。表面处理技术——等离子喷涂技术是使材料表面获得各种功能涂层的有效手段,它可以使基材表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、隔热、密封等性能,并且具有生产率高,涂层组织细密,与基材结合强度高,气孔率低,喷涂材料来源广、成本低等优点,是一项应用极广的热喷涂技术,占喷涂工艺的40%以上。近几十年来,该技术已经广泛应用于航天航空、钢铁冶金、机械制造、机车车辆等领域。本文综合国内外相关报导,主要阐述了等离子喷涂涂层的应用。1等体积喷漆技术的研究现状1.1等离子涂层技术等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧作为热源,以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。图1为等离子喷涂工作原理图。其喷涂原理是通过等离子喷枪(又称等离子弧发生器)产生等离子射流(电弧焰流)。喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极(工件不带电),通过高频振荡器激发引燃电弧,使供给喷枪的工作气体(Ar或N2)在电弧的作用下电离成等离子体。由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用,电弧被压缩,形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进入等离子弧,并被迅速加热至熔融或半熔融状态,随等离子流高速撞击经预处理的基材表面,并在基材表面形成牢固的覆盖层——喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能,以满足零件不同工作条件的要求。根据等离子喷涂的工作原理,等离子喷涂的成套设备需由电源、高频振荡器(引弧装置)、控制系统、送粉装置、喷枪、水冷系统、气路等部分组成。图2为国内外等离子喷涂典型设备配置。1.2等离子喷涂法由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用,所形成的非转移型等离子弧可以获得高达10000℃以上的高温,且热量集中,因此可以熔化各种高熔点、高硬度的粉末材料;并且等离子焰流速度高达1000m/s,喷出的粉粒速度可达180～600m/s,因此可以获得组织致密、气孔率低、与基材结合强度高(40～70MPa)、涂层厚度易于控制的喷涂层。等离子喷涂过程中零件不带电,且受热温度低(表面温度一般不超过250℃),因此喷涂过程中零件基本无变形,母材的组织性能亦无变化,且不改变其热处理性质。特别适合于高强度钢材、薄壁零件、细长零件等的喷涂。2其他涂层的制备等离子喷涂涂层依据其用途和特性,可以分为保护性涂层和功能性涂层,保护性涂层诸如耐磨、减磨、固体润滑的涂层,抗表面疲劳涂层,耐蚀涂层,耐热涂层,热障涂层等,这些涂层的制备技术工艺成熟,已经在工业生产中得到广泛应用。功能涂层诸如超导涂层,光学涂层,生物涂层等,目前正逐渐受到人们的重视。2.1等离子喷涂陶瓷涂层摩擦、磨损是一切机器设备工作中存在的普遍现象,有相当一部分零部件是由于摩擦磨损而造成失效报废的。等离子喷涂涂层最典型的应用就是耐磨涂层。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;而且涂层摩擦系数低,能耗小,在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用A12O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。如大型水利工程及海洋开发用的液压油缸大型活塞杆,采用等离子喷涂A12O3+TiO2陶瓷涂层代替镀硬铬,当获得的涂层厚度为200～350μm,硬度900～1200HV,表面粗糙度Ra0.3～0.35μm时,该活塞杆运行总行程超过1200km仍保持完好状态。减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。等离子喷涂钼及钼合金复合材料涂层,在边界润滑条件下,可表现出极好的耐磨性,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。如在内燃机钒钛灰铸铁活塞环上等离子喷涂Mo+28%NiCrBSi复合材料涂层代替镀铬,涂层厚度0.5～0.8mm,硬度1100HV。即使在较高温度下,即使时间延长,涂层硬度也不会发生改变;并且,在相同的工况下,摩擦系数从原来的0.110下降到0.089,显示出喷钼涂层在有润滑条件下,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。2.2纳米热障涂层材料热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面,起隔热作用。如燃气轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室等均处于高温氧化和高温气流冲蚀的恶劣工作环境中,承受温度高达1100℃,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。典型的热障涂层都设计成双层结构,即由金属结合层和陶瓷层组成。金属结合层多采用MCrAlY(M为金属Ni、Co或Ni+Co),其作用是抗氧化,并使基体和陶瓷层紧密结合起来。热障涂层工作层材料通常都是陶瓷材料,目前都选择加入少量Y2O3的氧化锆(ZrO2)。如在某航空发动机的研制中,经常出现高压一级涡轮导向器进气边烧蚀,加力燃烧室隔热屏烧蚀变形和出现裂纹等故障,直接影响了发动机的可靠性和使用寿命,为解决这一问题,采用CeO2-Y2O3-ZrO2三元热障涂层材料等离子喷涂技术。实践证明,这种热障涂层材料隔热效果显著,并具有良好的抗热震性和高温抗氧化性,消除了燃烧室隔热屏局部烧蚀变形及裂纹等故障。此外,陶瓷-金属功能梯度复合涂层是近年来随着现代航空、航天、兵器等尖端技术的发展迅速开发出来的一种新型热障涂层,其涂层的化学成分沿涂层厚度方向呈梯度分布,能缓和由于温度梯度产生的热应力,涂层抗热震性能也得到显著提高。如在火箭推进器燃烧室的内壁采用等离子喷涂技术喷涂一层镍-部分稳定氧化锆功能梯度涂层后,经热循环试验结果表明,功能梯度材料涂层的内壁耐热性明显高于没有功能梯度涂层的内壁。2.3生物活性羟基磷灰石涂层材料等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的一种有效方法。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石涂层和钛涂层的研究报导较多。羟基磷灰石的化学式为Ca(PO4)6(OH)2,简称HV,其化学成分和晶体结构与人体骨骼和牙釉质的化学成分和晶体结构相似,具有优良的生物活性和生物相容性,能与骨组织产生骨性结合,传导骨生长。目前这种涂层广泛用于人工髋关节和人工牙齿植入材料。但多孔羟基磷灰石是脆性材料,韧性差,强度低,难以在生物体的承载部位使用。但若采用等离子喷涂技术把羟基磷灰石粉末喷涂在金属基体如钛合金的表面,得到金属基生物活性羟基磷灰石涂层材料则具有良好的综合性能。研究表明,等离子喷涂方法可制备厚度>30μm的涂层材料,涂层与基底的结合强度>60MPa。通过摸拟体液和体液中的培养试验,证明等离子喷涂HV/Ti合金复合材料是一种理想的骨替代材料。2.4高速冷却时涂层的非晶态相组织非晶态合金具有很高的强度、硬度,优良的耐磨耐蚀性能和良好的磁学性能。研究表明,含有相当高硼的一些化合物能在高速冷却时形成非晶态结构,等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105～106K/s,这种冷却速度可使涂层中产生非晶态相的组织。采用大气等离子喷涂铁基非晶态合金粉末制备的高含量的铁基非晶态合金涂层,致密度高、孔隙率低氧化物含量少,硬度达700～900HV,结合强度>27MPa。2.5纳米燃料的使用用等离子喷涂压电陶瓷涂层制作的压电元件无需粘贴,尤其适合于大面积压电传感元件和压电元件阵列的制作。等离子喷涂Y-Ba-Cu-O超导粉末后,为恢复超导相,将涂层在氧气中、750～930℃的温度范围内加热可制得高质量的Y-Ba-Cu-O超导涂层。在切削刀具上用真空等离子喷涂技术辅助沉积人造金刚石薄膜,可以实现难加工材料的加工;也可以应用于喷管喷嘴、计算机硬盘、挤压模和拉伸模、火箭发动机系统、飞机发动机系统以及汽车引擎中的轴承等方面。固体氧化物燃料电池是一种新型的高效率、环境友好的能量转换装置。等离子喷涂工艺由于能够高效率地获得理想的层状结构和优良结合强度的涂层,在中温平板式固体氧化物燃料电池的阳极、电解质和阴极制备中均有应用,是一种制备中温平板式固体氧化物燃料电池最有前途的工艺。3等离子喷涂技术的应用随着科学技术的飞速发展,等离子喷涂技术也正朝着高效、大功率方向发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧化、耐腐蚀等方面已经有了十分广泛的应用,近年来,正试图在生物、超导、复合材料以及材料近净成形和超细微粉制备等高科技领域发挥优势,而且已得到了一定的应用。传统的等离子喷涂系统由于采用的硅整流式电源,能耗高,体积大且笨重,不便于现场使用,目前采用逆变技术使等离子喷涂设备实现节能、高效、大功率和小型化已成为一个重要的研究方向。如黄石生等人将激磁电感实现软开关的电路拓扑应用到等离子喷涂逆变器的研究中,将电流注入移相控制技术与大功率软开关技术相结合,成功地研制出全范围大功率软开关的等离子喷涂逆变器。此外,等离子喷涂是一个十分复杂的工艺过程,需要控制的工艺参数多达数十个,很多参数之间相互影响,并且任何一个参数稍有变化都将影响到涂层质量。因此如何对喷涂过程实施在线诊断,对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的控制,并对喷涂工艺的控制实现智能化,是一个有待深入解决的问题。目前人工神经网络和模糊控制理论极大地丰富了现代控制的内容,也为等离子喷涂工艺实现智能化控制提供了有力的工具。在喷涂工艺方法上,近年来也有许多改进,如喷涂后涂层在氩气保护下用热等静