等离子喷涂与表面工程

等离子喷涂与表面工程

（PlasmaSpraying＆SurfaceEngineering）班级：科学12-2学号：14125079姓名：江晨辉时间：2015.4.2001020304目录等离子体概论等离子喷涂技术等离子喷涂的应用参考文献等离子体概论11.1定义

等离子体（Plasma）又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。1.2等离子体中的组分电子基态原子（分子）和激发态原子。自由电子：从原子（分子）中释放出来的，其能量大小由自由电子的移动速度或与此速度相当的温度（单位：eV）来表征。带电离子：包括正电荷离子和负电荷离子两种。光子：是由等离子体中粒子间的相互作用产生。电离是被束缚电子与其束主原子核分离的过程

1.3等离子体的各种性质物质的第四态等离子体有着许多独特的物化性质，表现如下：温度高、粒子动能大。作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导电流体。宏观电中性：虽然等离子体包含带电粒子（电子和离子），但在宏观尺度上，由于正负电荷相当，它处于电中性的平衡状态。因此，在一般情况下，等离子体是准电中性的。化学性质活泼，容易发生化学反应。例如将甲烷与氢气在闭合容器中混合并使之放电，若保持事宜壁温，将会在壁上析出一层金刚石薄膜。

CH4+H2——>金刚石薄膜V.发光特性，可作为光源。例如：日光灯、霓虹灯等。通电等离子体相互作用过程、性质与应用等离子体中的主要作用过程等离子体的性质和应用激发AB+eAB++e退激

AB+AB+hv（光子）发光特性（光学应用）离解AB+eA+B+e化学性质（化学应用）电离AB+eAB++2eA++B+2e导电性（电气应用）电子、离子电场中被加速高速粒子（力学应用）粒子间碰撞产生热效应，粒子和固体表面的碰撞高温（热学应用）1.4等离子体的分类1、按存在分类（1）天然等离子体

宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。如太阳本身就是一个炽热的等离子体球。（2）人工等离子体如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。

等离子体炬

气体激光器及各种气体放电中的电离气体霓虹灯星云2、按系统温度分类（1）高温等离子体粒子温度T>108-109K，有足够的动能相互碰撞，可达到核聚变反应的条件。（2）低温等离子体①热等离子体

热等离子体是稠密气体在常压或者高压下电弧放电或高频放电而产生的，温度也在上千乃至数万开尔文，可使分子、原子离解、电离、化合等。②冷等离子体

冷离字体的温度在100-1000K之间，通常是稀薄气体在低压下通过激光、射频或者微博电源辉光放电而产生的。等离子喷涂技术2PlasmaSprayingTechnology等离子喷涂（APS）等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表面形成涂层。工作气体常为Ar或者N2，再加入5%~10%的H2。中心温度可达15000℃，可熔化所有金属，因此目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层。2.1等离子弧喷涂原理、特点及应用1、等离子喷涂的工作原理

利用非转移型弧（由喷嘴喷出后形成等离子焰）把难熔的金属或非金属粉末材料快速熔化，并以极高的速度将其喷散成较细的并具有很大动能的颗粒，当这些颗粒穿过等离子焰流撞击到工件上时，产生严重塑性变形，而后填充到已预先做好的固体工件粗表面上，从而形成一个很薄的具有特殊性能的涂层。等离子喷涂原理图2、等离子喷涂的特点1）等离子焰流热量高度集中，可达万度以上，提供了能使所有材料都能熔化的必要条件。2）等离子焰流气氛可控，可使还原性气体和惰性气体等作为工作气体，这样就能比较可靠的保护工件及喷涂材料不受氧化。3）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能。4）涂层平整光滑，可精确控制厚度。2、等离子喷涂的特点5）涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在1%～10%，结合强度可60～70MPa。6）涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。7）喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。工件受热温度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层，在机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源及电子工业中得到应用。等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法。2.2等离子弧喷涂设备1）等离子喷涂电源空载电压≥70V，具有下降或垂降外特征的直流电源均可作为等离子弧喷涂电源。喷涂时采用正极非转移型等离子弧。2）控制柜是等离子弧喷涂设备的控制中心，主要功能包括各种水、电、气、粉路以及运动参数的设置与程序自动控制，系统运行过程监控，故障报警灯。等离子喷涂设备组成示意图3）等离子喷枪是集电路—气路—粉路—水路于一体的核心装置。等离子弧喷枪由于多种类型，按功率大小可分为：①轻型或内孔型枪体，其功率多在40kW以下；②标准型枪体，其功率为40～80kW；③高能型枪体，其功率在80～200kW；④超级、水稳型枪体，功率在200kW以上。等离子喷枪是等离子弧喷涂的核心装置，它主要由枪体阴极组件、枪体阳极（喷嘴）组件和绝缘体。除此，还要包括送粉管件、供气管件、水电缆及其接口件等。

4）送粉器是为喷枪提供喷涂粉末的输送装置。5）冷却装置

是为喷枪提供充足的冷却介质，以保证喷枪稳定工作的换热器。6）供气系统

主要由气源（如标准气瓶）、减压表、气体流量计和可控气阀等组成。7）引弧系统

用于引燃等离子电弧的装置，常用的是高频引弧方式。2.3

等离子喷涂的分类反应等离子喷涂04可控气氛等离子喷涂02超音速等离子喷涂05大气等离子喷涂01液稳等离子喷涂032.3等离子喷涂的分类2.3.1大气等离子喷涂（AirPlasmaSpraying，APS）大气等离子喷涂是用Ar、N2、H2作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层的方法。大气等离子喷涂主要用于制备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。该喷涂粒子速度一般在音速以下，等离子喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料的质量，更重要的是取决于所采用的喷涂工艺。合理选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的重要措施之一。大大气等离子喷涂设备组成2.3等离子喷涂的分类2.3.2可控气氛等离子喷涂等离子喷枪置于密封舱室内，由机械手进行操作，将舱室抽至真空状态进行喷涂即为真空等离子喷涂(VPS)，舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂(LPPS)，舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气氛。由于低压或气氛可控，等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量可以得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。2.3等离子喷涂的分类2.3.3液稳等离子喷涂液稳等离子喷涂采用水、乙醇、甲醇作为稳定液体，相应的产生氧化、中性或还原性的等离子体。1）气稳等离子喷涂(非转移弧)所能提供的温度通常为8000～14000℃，每千克等离子气所产生的焓值范围为1～100MJ/kg。由于产生的等离子弧空腔内壁的热载荷的限制，提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。2）水稳等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度快等优点已被广泛采用。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，从而能够提供更高的温度及热焓。

2.3等离子喷涂的分类2.3.4反应等离子喷涂（ReactivePlasmaSpraying）反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体的化学过程制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料的涂层方法，如TiAl、Ti-TiC、Mo-MoSi2、MoSi2-SiC等。1）粉末反应等离子喷涂是以高放热反应组元为喷涂粉末，在喷涂过程中完成相的合成和涂层沉积。其原理如图所示。2.3.4反应等离子喷涂2）气相反应等离子喷涂是在反应器中的气体被引入高温等离子射流中后，迅速发生分解，并使分解的离子处于激活状态，与喷涂粉末反应生成理想的产物，沉积到基材表面形成涂层。采用的气体有甲烷、丙烯、氮气、氧气、硅烷或硼烷。已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物、硼化物和氧化物，尺寸0.005-0.5um的微小颗粒的固体薄膜。

2.3等离子喷涂的分类2.3.5超音速等离子喷涂（SupersonicPlasmaSpraying）普通等离子喷涂粒子的飞行速度约200m/s，而超音速等离子喷涂粒子速度可达400-600m/s，甚至更高，从而获得的涂层更加致密，涂层的内聚强度和结合强度更高，为满足新一代耐高温、抗磨损、低摩擦系数的等离子涂层提供技术支持。1）技术原理超音速等离子喷涂是借助氩气和氮气通过Laval喷嘴产生扩展型等离子弧,再利用扩展弧来加热气体得到超音速等离子射流同时有效地加温加热喷涂粉末。超音速等离子喷涂中通过气体的旋流稳定作用与收缩作用得到稳定集聚的高热焓、超高速等离子体焰流。2.3.5超音速等离子喷涂2）技术特点超音速等离子弧喷涂功率高,气流量大,速度极高,具有极高的喷涂效率,而且等离子弧不发散,热焓高,使涂层质量明显优于一般等离子喷涂,与爆炸喷涂和超音速火焰喷涂相近,而且非常适用于高熔点陶瓷材料的喷涂。3）技术控制工艺参数可通过喷涂功率、工作电压、工作电流、主气(Ar)、次气(N2)的压力和流量、喷涂距离等加以控制。DH-X2超音速等离子喷涂设备等离子喷涂的应用3ApplicationofPlasmaSpraying等离子喷涂的应用离子喷涂技术在耐磨、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪50年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。1耐磨涂层

Part

3.1传统领域的应用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，而且涂层摩擦系数小，能耗低，在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。

减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层，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，并且在相同的工况下，摩擦系数从原来的0.11下降