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    等離子噴涂系列

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    - 等離子噴涂系列

    等離子噴涂系列

    更新時間:2018-08-02 16:51:30點擊次數:902次
    1? 等離子噴涂技術的應用? 
      一、引言? 熱噴涂技術是表面工程學的重要工藝方法之一,它是一種材料表面強化和表面改性的新技術,可以使基材表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱等性能。而等離子弧噴涂技術是熱噴涂技術中應用最廣的一種方法。等離子弧噴涂射流速度高,氣氛可控、火焰溫度高,工藝簡便,可噴涂金屬、合金、陶瓷材料等。所制備的耐磨、耐蝕、紅外輻射、化學催化及多種功能涂層的應用,提高了材料整體性能和使用壽命,有效地解決了高性能材料性能價格比矛盾。因此近年來等離子弧噴涂技術進步和生產應用發展很快,現已廣泛應用于核能、航空、航天、石化、機械等領域。? 等離子弧噴涂技術最早在航空、航天部門得到應用,迄今為止,高溫等離子弧噴涂在此領域的應用仍超過其它領域。航天、航空作為等離子弧噴涂最大最穩定的應用市場,今后將保持穩定并得到增長,在涂層技術及噴涂工藝方面也將不斷得到改進和完善。? 
      二、等離子噴涂的發展? 等離子噴涂(APS)是以電弧放電產生的等離子體為熱源,以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。等離子噴涂是熱噴涂的一個重要分支,它是20世紀50年代隨著現代航空航天和原子能工業技術的出現而發展起來的;當時對高熔點、高純度、高強度的涂層提出需求,促使人們對高熱源、高噴速、改善噴涂氣氛等方面進行了研究,從而在50年代末,美國Plasma-dyne公司首先研制出等離子噴涂設備。等離子噴涂技術自其問世以來,一直受到極大的關注,已成為現代工業和科學技術各個領域廣泛采用的先進加工手段。? 由于等離子射流能夠熔化幾乎所有的固體材料,因此等離子噴涂技術可以形成涂層的種類及其應用極其廣泛。等離子噴涂技術的發展主要集中在噴槍功率的提高以及送進粉末方式的改良兩大方面。目前,特別是在軸向送粉方式等離子噴槍研制方面取得了巨大的進展。? 20世紀80年代以前,等離子噴涂技術的發展主要體現在等離子電弧的功率的提高,即最大功率從50年代的20KW,到60年代的40KW,70年代的80KW級。采用水作為等離子工作介質,使電弧電壓大幅度提高,從而使電弧功率可以達到250KW。80年代中期超音速等離子噴涂采用普通的工作氣體如氬氣,其功率也達到了200KW。等離子電弧功率的提高大幅度提高了等離子射流的熱焓。這類高能等離子噴涂系統的主要特點應為涂層制備效率高,用于高熔點陶瓷材料的噴涂成形更有效.當前,熱噴涂技術已在航天、航空、機械、冶金、化工、石油,煤炭,鐵道,紡織,交通運輸等部門獲得了越來越多的應用,取得了明顯的技術經濟效益??梢灶A見,隨著我國的工業進步,熱噴涂技術會發揮越來越大的作用,可以解決過去傳統加工方法無法解決的問題,已經成為我國現代工業中不可或缺少的一中表面技術。
      三、等離子噴涂原理、特點、設備
     3.1.等離子態和等離子體? 
      等離子態是指物質原子內的電子在高溫下脫離原子核的吸引、使物質成為正負帶電粒子存在的狀態;由于其具有獨特的性能,被稱為物質的第四態。? 
      等離子體是一種由自由電子、正離子、中性原子和分子組成的電離氣體云。等離子體的產生是由于有足夠的能量傳遞給氣體而引起其電離。例如,如果氣體被加熱到50000C以上,化學鍵會發生斷裂而其原子進行非規則的運動,這就引起原子碰撞造成一些電子脫離原子核,而失去了電子的原子核,就成為帶正電荷的正離子。當氣體經歷了這一離子化過程,就成為等離子體。
     3.2.等離子弧及其產生原理
    眾所周知,等離子噴涂是通過等離子弧加熱溶化噴涂粉末粒子而實現的。電弧是在兩電極間產生強烈而持久的一種氣體放電現象。當用開關電器斷開電流時,如果電路電壓不低于(10~20)V,電流不小于(80~100)m?A,電器的觸頭間便會產出電弧。電弧本身是高溫導電率的游離氣體,它的形成就是在電極觸頭之間的中性質點(分子和原子)被游離的過程。開關觸頭分離時,觸頭間距離很小,如果電場強度(E=U/d)超過3*106V/m,陰極表面將發生強電場發射,即陰極表面的電子被電場力拉出而形成觸頭空間的自由電子。然后,這些自由電子和觸頭間原有的少數電子,在電場力的作用下向陽極作加速運動,并且在途中不斷地和中性質點相碰撞而打出電子,形成自由電子和正離子(碰撞游離)。新形成的自由電子又向陽極作加速運動,也會與中性質點碰撞而發生游離。碰撞游離連續進行的結果是觸頭間充滿了電子和正離子,具有很大的電導;在外加電壓下,介質被擊穿而產生電弧。? 等離子弧屬于壓縮電弧。電弧的陰極一般采用鎢電極(通常是W-TH),陽極接噴嘴(前槍體)和/或工件,兩者之間加上一個較高的電壓。經過高頻振蕩器的激發,使氣體電離形成電弧。
     3.3.等離子體噴涂的基本原理
    等離子噴涂是采用剛性非轉移型等離子弧為熱源,以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。產生等離子弧的設備是等離子噴槍,它由鎢電極、前槍體、后槍體、送粉管、工作氣體和氣管、電源和控制器等部分組成。進行噴涂時,噴槍的鎢電極(陽極)和噴嘴(前槍體——陽極)分別接電源的負極和正極,工作氣體(根據工藝需要采用氮氣、氬氣或混入5%~15%的氫氣等)經進氣管進入噴槍,在弧柱區發生電離而形成等離子體。但是,前槍體和鎢電極之間是有一段距離隔開的,故電源的空載電壓加上后并不能立即產生電弧,而是要在前槍體和后槍體之間并聯一個高頻電源,接通后在鎢電極與前槍體間發生火花放電,才能引燃電弧。電弧引燃后,再把高頻電路切斷。工作氣體在引燃后電弧壓縮作用,溫度升高,噴射速度增大,形成高溫高速等離子射流從噴嘴噴出。此時從送粉管送入粉狀噴涂材料,使其在等離子焰流中被加熱到熔融或半熔融狀態,并被加速而向經預處理的工件表面噴射和撞擊,發生流散、變形和凝固,沉積于工件表面而形成涂層。
     3.4.等離子噴涂的工藝流程
    噴涂工藝術包括以下四個基本工序—表面預處理、預熱、噴涂、涂層后處理。為使涂層與基體材料很好的結合以及滿足噴涂工藝的需求,基材表面必須進行預處理,包括表面預加工、凈化、粗糙化和黏結底層等幾步操作。預熱目的是為了消除工件表面的水分,提高噴涂時涂層/基體界面溫度,減少基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的殘余應力,以避免涂層開裂和提高涂層與基材的結合強度。預熱濕度取決于工件的大小、形狀和材質以及涂層材料的熱膨脹系數等因素。噴涂??這是整個噴涂工藝的主體和關鍵工序,其他的工序都是為了保證此步而進行的。噴涂的操作主要是選擇噴涂方法和確定噴涂參數。涂層的后處理???有些涂層在噴涂后不能直接使用,而須進行各種后續處理。
     3.5.等離子噴涂的特點、設備
    等離子噴涂是近十年間發展起來的一項新工藝,由于等離子噴焰具有溫度高(超過一切己知物質的熔點)、速度大(通常為100一1000米/秒)、氣氛可控的特點,是在普通材料上涂敷各種耐高溫、耐研磨、耐腐蝕和其他特殊性能的涂層的有力工具。實蹺表明,和火焰噴涂及電弧噴涂相此,用等離子噴涂方法得到的涂層密度較高,和基材桔合較好。? 等離子噴涂全套沒備中包括噴搶、送粉器、控制柜、電源系統、水路氣路系統、通風抽塵等保護投備。
    四、等離子體噴涂技術的應用
    4.1.復合潤滑涂層:
    現代科學技術的發展使得材料在高溫條件下的摩擦、磨損和潤滑問題日益受到重視,迫切要求發展相適應的高溫潤滑材料,而等離子噴涂技術能夠制備具有極佳相容性的高溫潤滑涂層。研究表明,選擇高溫潤滑材料及其它成分組合,采用最佳工藝方法,發揮潤滑層組元的復合效應,是解決高溫固體潤滑問題最有希望的途徑,?從而,復合潤滑涂層是值得重點推薦的一種高溫固體潤滑涂層。復合潤滑涂層是指通過多種成分的組合,發揮各組元之間的復合效應而獲得最佳摩擦性能的潤滑層。? 在設計這種復合潤滑涂層時,應選擇高溫的潤滑層。在設計這種復合潤滑涂層時,應選擇高溫下有良好潤滑性能的固體潤滑劑,能增強結合力的粘結劑和增強抗磨損性能及抗氧化性能的成分,并要有合適的配比。由于等離子可獲得高溫、超高速的熱源,沉積速率高,尤其適合復合涂層的制備。涂層的梯度結構緩和了涂層內部的物理性能差異,致使涂層的組織和物化性能也為連續過渡,避免了基體到涂層的組織、性能的突變,緩解了界面處的應力集中,改善了涂層界面的結合狀況,從而使涂層的硬度得到平緩過渡,連續分布。所以,與單層涂層相比,涂層成分分布的梯度化使涂層與基體的的結合強度得到了明顯的提高,梯度涂層的整體性能優于單層結構的涂層。目前,低摩擦因數固體潤滑涂層在許多領域得到了廣泛應用,探索新型固體潤滑涂層體系及其制備技術是摩擦學研究的熱點。近年來,鎳基、鈷基和鐵基等自熔性合金涂層被廣泛應用于材料表面保護及工件修復,特別是在大型進口設備的維修及關鍵部件的替代方面,具有明顯的經濟效益和社會效益。鎳基自熔性合金在常溫和較高的溫度下具有優良的耐磨、耐熱和抗氧化性能。
     4.2.陶瓷涂層
    陶瓷材料的不足之處是抗彎強度低、韌性差,屬本質脆性材料,在很大程度上影響了其在結構件上的應用。為改善其脆性,增加強度,通常以陶瓷復合材料形式出現,但也存在不少問題。因此,利用熱噴涂技術在金屬表面上制備陶瓷涂層,將其特點與金屬材料的優點結合起來,獲得各種功能的表面強化涂層,正在成為當代復合材料及其制品領域的一個重要分枝。陶瓷涂層在航空、航天、汽車、船舶等方面的應用。航空發動機的關鍵部件是高溫合金渦輪葉片和渦輪盤。高溫合金的一個重要發展趨勢就是高溫隔熱涂層(熱障涂層),熱障涂層和葉片冷卻技術可使葉片耐溫能力提高約450℃。這些涂層可用于小型火箭發動機噴管、返回地面人造衛星回收天線、非水冷汽車發動機等。此外,航天火箭發動機噴嘴、燃燒艙、超音速飛機及返回衛星外整流罩、航天飛機隔熱瓦等也都使用了高溫等離子弧噴涂層。陶瓷涂層在汽車、船舶領域的應用和發展。在汽車工業中,汽車新型發動機熱噴涂市場潛力很大,在今后10年內有很大發展潛力。如熱障涂層在燃氣渦輪發動機和汽車發動機上大有作為。燃氣發動機上的一些承受高溫部件,采用等離子弧噴涂的ZrO2熱障涂層,使涂層部件的工作溫度提高150-200℃,提高了發動機的熱機效率,燃油消耗可降低7%。另外,因為發動機高溫零件無需冷卻系統,可減輕發動機重量,同時提高了部件的耐磨性,延長了使用壽命。船舶及火車機車用發動機涂層應用與汽車發動機類似,NiCrBSi及WC涂層用于輪船螺旋槳可獲得較好防氣蝕性能,ZrO2,Al涂層用于艦船殼體防腐取得十分滿意的效果。用于車、船發動機的抗熱涂層,近年來發展研究較多的是金屬一陶瓷梯度涂層。陶瓷涂層在刀具、模具中的使用。在陶瓷涂層市場中,刀具、模具所占的比例甚大,用超硬陶瓷涂層延長了刀具、模具的使用壽命,并提高切削效率。陶瓷涂層刀具由于硬度高、耐熱粘結性強、化學穩定性高、切削韌性好、切削性能優良等優點,目前己成為刀具發展的一個引人注目的方向。陶瓷涂層刀具的第一、二代產品有TiC、TiN、HfC、HfN、Ti(CN)及A12O3等單、雙或三涂層刀具,并己發展到第三代甚至第四代產品。陶瓷涂層在電力電子領域中的應用。在電力電子行業,陶瓷涂層也是大顯身手。在金屬板上熱噴涂絕緣陶瓷涂層所形成的金屬陶瓷復合材料是微電子工業中理想的基板材料。高熱導率的金屬將強電流所產生的熱量迅速散發,而陶瓷層則提供優良的介電絕緣性能。
    五、等離子體噴涂的未來發展趨勢
     5.1.應用上的發展趨勢
      耐磨涂層在汽車發動機上的應用。目前,美國福特、德國奔馳、日本豐田等公司都積極制訂或實施發動機熱噴涂層研究與發展計劃,擬在汽車發動機汽缸內襯、排氣口活塞端面等部位使用熱障涂層。在活塞環、閥、凸輪、曲軸等部位使用耐磨涂層,這些涂層將大大提高部件壽命、性能,從而提高發動機熱效率、減少油耗、降低廢氣排放。據有關試驗表明,使用上述涂層技術,可使汽車發動機節約8%燃油、提高5%動力,減少尾氣中CO、HC物質排放10%以上??傊?,在未來的幾十年里,涂層應用在汽車發動機的規模應當相當迅速,是除航空、航天領域之外涂層應用的又一大市場。陶瓷涂層在冶金工業和機械工業中的應用。金屬的冶煉、熱加工和熱處理都必需在高溫下進行。為了防止金屬的高溫氧化、滲氮和滲氧,往往在金屬表面施涂熱處理保護涂層。工件涂上這種涂料后能在熱處理過程中形成高粘度低膨脹系數的玻璃相致密保護層,以阻止氣體的擴散。工件冷卻后涂層亦會自動剝落。熱處理保護涂層能節約金屬原材料,減少零部件的機械加工量,提高金屬表面質量。陶瓷涂層在生物醫學方面的應用。如在不銹鋼、鉆基合金、欽和欽合金等醫用金屬材料上涂覆輕基磷灰石等生物陶瓷涂層能改善金屬與人體的生物相容性,使植入體與骨骼結合牢固,具有很好的應用前景。在化工、石油工業中使用的主要是抗氧化和防腐蝕涂層。一般使用金屬和氧化物涂層,如NiCr、NIAI、NiAICrY、A12O3等。用A12O3、A12O3一TiO2涂層加在石化工業閥柱、接頭件表面,可成功解決冒滴漏的問題。
     5.2.研究的熱點問題
    智能涂層是一種人造的、能夠對某一外部刺激,比如:溫度、應力、應變或環境等,有選擇提供(作出)最佳反應的涂層系統。智能涂層是具有自選擇或自適應功能的涂層,它們具有自修復、自清潔、自潤滑、抗菌、耐腐蝕、以及能夠對酸堿度、溫度或光線強度等等的變化作出反映等特性。智能涂層的理論研究在國際上引起人們的廣泛的興趣,已經成為納米科學技術和材料學研究的熱點之一。納米結構材料在固體自潤滑涂層中的應用將會為高溫潤滑涂層的發展帶來革命性的影響。納米級的顆粒決定了其具有更高的比表面積,易于制造高強度、高韌性、高耐磨性的涂層??梢允節櫥繉拥暮穸却蟠蠼档?,從而不影響產品的精度。但是控制納米級潤滑涂層的結構和成形是比較困難的,這也是高溫固體潤滑涂層研究的熱點之一。隨著納米材料研究的逐步深入,目前關于納米材料的應用化問題日益受到人們重視,目前,在高質量陶瓷粉體制備方面己取得重大進展,有些方法已在工業中應用,但是,如何充分利用這些納米材料,如何發揮納米陶瓷的潛在優異性能,是當前亞待解決的問題。以往人們對納米陶瓷的應用研究主要集中在納米陶瓷塊體材料領域,隨著研究的深入,關于納米陶瓷在涂層領域的應用研究引起人們的廣泛關注。近年來,隨著納米科學技術和熱噴涂技術的不斷發展,有關納米結構陶瓷涂層的研究已成為納米陶瓷應用的一個熱點領域。我國已將納米涂層材料的制備和應用研究列為國家“十五”期間材料領域重點研究的方向之一。納米材料的兩大特性可用于制備納米結構涂層,一是大量晶界的出現,它和涂層的物理和化學性能密切相關,如低溫延展性、超塑性、高電導率、抗熱震性和抗腐蝕性等。二是由于小尺寸效應,形成一些異常相。即當晶粒尺寸變得非常小時,大量的表面能對Gipps自由能的形成有貢獻。但是由于納米粒子體積極小,表面能大,導致其在噴涂領域中的應用又與傳統噴涂粉末有所不同。? 采用熱噴涂技術制備納米結構陶瓷涂層是一項跨學科的交叉技術。研究開發時間較短,涂層的制備方法也比較單一、涂層性能還沒有完全達到設計要求。因此利用熱噴涂技術制備納米結構涂層的發展空間還很大。
     5.3.等離子噴涂設備自身的發展
    隨著等離子噴涂技術在越來越多的領域得到應用,等離子噴涂技術也取得了長足的進步,微機技術和電力電子技術的迅猛發展必將極大的推動弧焊設備的發展,從而推動等離子噴涂技術在材料以及工藝上取得突破,使得等離子噴涂技術得到進一步發展。從總體看,隨著對等離子噴涂技術的不斷重視,人們對其研究也將不斷深入,噴涂系統也將不斷優化,隨著新型電源、自動控制技術以及計算機技術、材料的不斷發展,等離子噴涂的應用也將越來越廣。
    六、等離子噴涂設備的急需解決的問題
     6.1.建立規范的質量保證體系
      與現代電子、計算機技術、傳感器、測試技術、自動化技術、機器人技術、真空技術相結合,通過對工藝參數、材料的規范化,建立起規范的等離子弧噴涂的質量保證體系,從而實現工業化批量生產的產品的質量可靠性、穩定性和重現性。
     6.2.先進的工藝與方法? 求能從根本上解決涂層同金屬基體界面的結合問題的方法,及以低成本、高效率獲得無缺陷涂層的工藝。?   6.3.工作環境的改善? 等離子弧或等離子火焰產生時,發出強烈的噪聲損傷操作人員聽覺器官,并輻射出紅外、紫外線等對人眼、皮膚傷害極大,因此需研究開發出能有效防止光輻射、高噪音、有害衍生氣體、粉塵及有害物質的新型等離子弧噴涂機,因而可從根本上改善工作環境。
     6.4.性能的改善? 國產等離子弧噴涂機的性能不穩定,在工作中常斷弧,其原因是電控系統不穩定,有必要迅速改進。
     6.5.金屬基涂層的研究? 發展新涂層,解決涂層與金屬基體熱膨脹系數匹配問題,從而提高涂層與基體的結合力;發展更加合適的噴涂技術,簡便的、成本低的、生產效率高以及產生無缺陷涂層的噴涂技術是今后的發展方向;為了保證涂層的可靠性,除了從工藝上盡量保證涂層的均一性及完整性之外,應對涂層性能進行準確評價,因而無損探傷是一項急待開展的工作;探索準確測定涂層的一些基本性能如韌性、粘接強度等的方法;繼續加強基礎學科涂層的物理與物理化學基礎的研究。
    七、總結? 等離子噴涂技術是一種材料表面強化和表面改性的新技術,可以使基材表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱等性能。憑借其噴涂射流速度高,氣氛可控、火焰溫度高,工藝簡便,可噴涂金屬、合金、陶瓷材料等等特點,現已廣泛應用于航天、航空、機械、冶金、化工、石油,煤炭,鐵道,紡織,交通運輸等部門。本文重點講述了等離子噴涂在復合潤滑涂層與陶瓷涂層的應用,并對等離子噴涂的原理、特點、設備做了簡要介紹,結合眾多資料闡明了等離子噴涂在應用上的發展趨勢,當前的研究熱點問題與等離子噴涂設備自身發展及其需要解決的問題。? 隨著我國的工業進步,熱噴涂技術會發揮越來越大的作用,可以解決過去傳統加工方法無法解決的問題,已經成為我國現代工業中不可或缺少的一中表面技術。? 總之,等離子噴涂是一種工藝,它需要在工藝上創新,同時在關鍵材料的制備上也要創新,只有各個系統有機統一地結合起來才能真正地解決過去傳統工藝無法解決的問題,為人類造福。
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