等離子噴涂與表面工程

等離子噴涂與表面工程

（PlasmaSpraying＆SurfaceEngineering）班級(jí)：科學(xué)12-2學(xué)號(hào)：14125079姓名：江晨輝時(shí)間：2015.4.2001020304目錄等離子體概論等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂的應(yīng)用參考文獻(xiàn)等離子體概論11.1定義

等離子體（Plasma）又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。1.2等離子體中的組分電子基態(tài)原子（分子）和激發(fā)態(tài)原子。自由電子：從原子（分子）中釋放出來(lái)的，其能量大小由自由電子的移動(dòng)速度或與此速度相當(dāng)?shù)臏囟龋▎挝唬篹V）來(lái)表征。帶電離子：包括正電荷離子和負(fù)電荷離子兩種。光子：是由等離子體中粒子間的相互作用產(chǎn)生。電離是被束縛電子與其束主原子核分離的過(guò)程

1.3等離子體的各種性質(zhì)物質(zhì)的第四態(tài)等離子體有著許多獨(dú)特的物化性質(zhì)，表現(xiàn)如下：溫度高、粒子動(dòng)能大。作為帶電粒子的集合體，具有類似金屬的導(dǎo)電性能。等離子體從整體上看是一種導(dǎo)電流體。宏觀電中性：雖然等離子體包含帶電粒子（電子和離子），但在宏觀尺度上，由于正負(fù)電荷相當(dāng)，它處于電中性的平衡狀態(tài)。因此，在一般情況下，等離子體是準(zhǔn)電中性的?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑，容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如將甲烷與氫氣在閉合容器中混合并使之放電，若保持事宜壁溫，將會(huì)在壁上析出一層金剛石薄膜。

CH4+H2——>金剛石薄膜V.發(fā)光特性，可作為光源。例如：日光燈、霓虹燈等。通電等離子體相互作用過(guò)程、性質(zhì)與應(yīng)用等離子體中的主要作用過(guò)程等離子體的性質(zhì)和應(yīng)用激發(fā)AB+eAB++e退激

AB+AB+hv（光子）發(fā)光特性（光學(xué)應(yīng)用）離解AB+eA+B+e化學(xué)性質(zhì)（化學(xué)應(yīng)用）電離AB+eAB++2eA++B+2e導(dǎo)電性（電氣應(yīng)用）電子、離子電場(chǎng)中被加速高速粒子（力學(xué)應(yīng)用）粒子間碰撞產(chǎn)生熱效應(yīng)，粒子和固體表面的碰撞高溫（熱學(xué)應(yīng)用）1.4等離子體的分類1、按存在分類（1）天然等離子體

宇宙中99%的物質(zhì)是以等離子體狀態(tài)存在的，如恒星星系、星云，地球附近的閃電、極光、電離層等。如太陽(yáng)本身就是一個(gè)熾熱的等離子體球。（2）人工等離子體如：日光燈、霓虹燈中的放電等離子體。

等離子體炬

氣體激光器及各種氣體放電中的電離氣體霓虹燈星云2、按系統(tǒng)溫度分類（1）高溫等離子體粒子溫度T>108-109K，有足夠的動(dòng)能相互碰撞，可達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。（2）低溫等離子體①熱等離子體

熱等離子體是稠密氣體在常壓或者高壓下電弧放電或高頻放電而產(chǎn)生的，溫度也在上千乃至數(shù)萬(wàn)開(kāi)爾文，可使分子、原子離解、電離、化合等。②冷等離子體

冷離字體的溫度在100-1000K之間，通常是稀薄氣體在低壓下通過(guò)激光、射頻或者微博電源輝光放電而產(chǎn)生的。等離子噴涂技術(shù)2PlasmaSprayingTechnology等離子噴涂（APS）等離子噴涂是以電弧放電產(chǎn)生等離子體作為高溫?zé)嵩矗試娡糠勰┎牧蠟橹?，將噴涂粉末加熱至熔化或熔融狀態(tài)，在等離子射流加速下獲得很高速度，噴射到基材表面形成涂層。工作氣體常為Ar或者N2，再加入5%~10%的H2。中心溫度可達(dá)15000℃，可熔化所有金屬，因此目前熱噴涂粉末材料幾乎都可以通過(guò)此法制備成涂層。2.1等離子弧噴涂原理、特點(diǎn)及應(yīng)用1、等離子噴涂的工作原理

利用非轉(zhuǎn)移型?。ㄓ蓢娮靽姵龊笮纬傻入x子焰）把難熔的金屬或非金屬粉末材料快速熔化，并以極高的速度將其噴散成較細(xì)的并具有很大動(dòng)能的顆粒，當(dāng)這些顆粒穿過(guò)等離子焰流撞擊到工件上時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，而后填充到已預(yù)先做好的固體工件粗表面上，從而形成一個(gè)很薄的具有特殊性能的涂層。等離子噴涂原理圖2、等離子噴涂的特點(diǎn)1）等離子焰流熱量高度集中，可達(dá)萬(wàn)度以上，提供了能使所有材料都能熔化的必要條件。2）等離子焰流氣氛可控，可使還原性氣體和惰性氣體等作為工作氣體，這樣就能比較可靠的保護(hù)工件及噴涂材料不受氧化。3）等離子焰流的流速大，粉末顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能。4）涂層平整光滑，可精確控制厚度。2、等離子噴涂的特點(diǎn)5）涂層孔隙率低，結(jié)合度高，涂層孔隙率可控制在1%～10%，結(jié)合強(qiáng)度可60～70MPa。6）涂層氧化物和雜質(zhì)含量少，與電鍍、電刷、滲碳、滲氮相比，等離子噴涂層更厚、更硬、更具防腐效果。7）噴涂過(guò)程對(duì)基體的熱影響小，基體組織不會(huì)發(fā)生變化。工件受熱溫度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂。等離子噴涂主要用于制備涂層質(zhì)量要求高的耐蝕涂層，在機(jī)械制造、石油化工、航天航空、交通運(yùn)輸、能源及電子工業(yè)中得到應(yīng)用。等離子噴涂是熱噴涂技術(shù)最重要的一項(xiàng)工藝技術(shù)和方法。2.2等離子弧噴涂設(shè)備1）等離子噴涂電源空載電壓≥70V，具有下降或垂降外特征的直流電源均可作為等離子弧噴涂電源。噴涂時(shí)采用正極非轉(zhuǎn)移型等離子弧。2）控制柜是等離子弧噴涂設(shè)備的控制中心，主要功能包括各種水、電、氣、粉路以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置與程序自動(dòng)控制，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控，故障報(bào)警燈。等離子噴涂設(shè)備組成示意圖3）等離子噴槍是集電路—?dú)饴贰勐贰酚谝惑w的核心裝置。等離子弧噴槍由于多種類型，按功率大小可分為：①輕型或內(nèi)孔型槍體，其功率多在40kW以下；②標(biāo)準(zhǔn)型槍體，其功率為40～80kW；③高能型槍體，其功率在80～200kW；④超級(jí)、水穩(wěn)型槍體，功率在200kW以上。等離子噴槍是等離子弧噴涂的核心裝置，它主要由槍體陰極組件、槍體陽(yáng)極（噴嘴）組件和絕緣體。除此，還要包括送粉管件、供氣管件、水電纜及其接口件等。

4）送粉器是為噴槍提供噴涂粉末的輸送裝置。5）冷卻裝置

是為噴槍提供充足的冷卻介質(zhì)，以保證噴槍穩(wěn)定工作的換熱器。6）供氣系統(tǒng)

主要由氣源（如標(biāo)準(zhǔn)氣瓶）、減壓表、氣體流量計(jì)和可控氣閥等組成。7）引弧系統(tǒng)

用于引燃等離子電弧的裝置，常用的是高頻引弧方式。2.3

等離子噴涂的分類反應(yīng)等離子噴涂04可控氣氛等離子噴涂02超音速等離子噴涂05大氣等離子噴涂01液穩(wěn)等離子噴涂032.3等離子噴涂的分類2.3.1大氣等離子噴涂（AirPlasmaSpraying，APS）大氣等離子噴涂是用Ar、N2、H2作為離子氣，經(jīng)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂主要用于制備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。該噴涂粒子速度一般在音速以下，等離子噴涂的涂層質(zhì)量不僅取決于噴涂設(shè)備和噴涂材料的質(zhì)量，更重要的是取決于所采用的噴涂工藝。合理選擇等離子噴涂工藝是確保涂層質(zhì)量的重要措施之一。大大氣等離子噴涂設(shè)備組成2.3等離子噴涂的分類2.3.2可控氣氛等離子噴涂等離子噴槍置于密封艙室內(nèi)，由機(jī)械手進(jìn)行操作，將艙室抽至真空狀態(tài)進(jìn)行噴涂即為真空等離子噴涂(VPS)，艙室為低壓狀態(tài)時(shí)稱為低壓真空等離子噴涂(LPPS)，艙室的氣氛也可以為惰性氣氛或其它保護(hù)氣氛。由于低壓或氣氛可控，等離子焰流加長(zhǎng)，粒子加熱更充分，氧化減少，涂層的質(zhì)量可以得到明顯改善，并且擴(kuò)大了熱噴涂在沉積金剛石膜、超導(dǎo)體氧化物涂層方面的應(yīng)用。2.3等離子噴涂的分類2.3.3液穩(wěn)等離子噴涂液穩(wěn)等離子噴涂采用水、乙醇、甲醇作為穩(wěn)定液體，相應(yīng)的產(chǎn)生氧化、中性或還原性的等離子體。1）氣穩(wěn)等離子噴涂(非轉(zhuǎn)移弧)所能提供的溫度通常為8000～14000℃，每千克等離子氣所產(chǎn)生的焓值范圍為1～100MJ/kg。由于產(chǎn)生的等離子弧空腔內(nèi)壁的熱載荷的限制，提供再高的溫度或更大的熱焓值將非常困難。2）水穩(wěn)等離子噴涂由于其功率大、成本低、噴涂速度快等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛采用。水穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)而形成的，從而能夠提供更高的溫度及熱焓。

2.3等離子噴涂的分類2.3.4反應(yīng)等離子噴涂（ReactivePlasmaSpraying）反應(yīng)等離子噴涂工藝是一種獨(dú)特的利用等離子體的化學(xué)過(guò)程制造復(fù)合材料、陶瓷、金屬間化合物等材料的涂層方法，如TiAl、Ti-TiC、Mo-MoSi2、MoSi2-SiC等。1）粉末反應(yīng)等離子噴涂是以高放熱反應(yīng)組元為噴涂粉末，在噴涂過(guò)程中完成相的合成和涂層沉積。其原理如圖所示。2.3.4反應(yīng)等離子噴涂2）氣相反應(yīng)等離子噴涂是在反應(yīng)器中的氣體被引入高溫等離子射流中后，迅速發(fā)生分解，并使分解的離子處于激活狀態(tài)，與噴涂粉末反應(yīng)生成理想的產(chǎn)物，沉積到基材表面形成涂層。采用的氣體有甲烷、丙烯、氮?dú)狻⒀鯕?、硅烷或硼烷。已證實(shí)用該種方法能合成難熔金屬碳化物、硼化物和氧化物，尺寸0.005-0.5um的微小顆粒的固體薄膜。

2.3等離子噴涂的分類2.3.5超音速等離子噴涂（SupersonicPlasmaSpraying）普通等離子噴涂粒子的飛行速度約200m/s，而超音速等離子噴涂粒子速度可達(dá)400-600m/s，甚至更高，從而獲得的涂層更加致密，涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度更高，為滿足新一代耐高溫、抗磨損、低摩擦系數(shù)的等離子涂層提供技術(shù)支持。1）技術(shù)原理超音速等離子噴涂是借助氬氣和氮?dú)馔ㄟ^(guò)Laval噴嘴產(chǎn)生擴(kuò)展型等離子弧,再利用擴(kuò)展弧來(lái)加熱氣體得到超音速等離子射流同時(shí)有效地加溫加熱噴涂粉末。超音速等離子噴涂中通過(guò)氣體的旋流穩(wěn)定作用與收縮作用得到穩(wěn)定集聚的高熱焓、超高速等離子體焰流。2.3.5超音速等離子噴涂2）技術(shù)特點(diǎn)超音速等離子弧噴涂功率高,氣流量大,速度極高,具有極高的噴涂效率,而且等離子弧不發(fā)散,熱焓高,使涂層質(zhì)量明顯優(yōu)于一般等離子噴涂,與爆炸噴涂和超音速火焰噴涂相近,而且非常適用于高熔點(diǎn)陶瓷材料的噴涂。3）技術(shù)控制工藝參數(shù)可通過(guò)噴涂功率、工作電壓、工作電流、主氣(Ar)、次氣(N2)的壓力和流量、噴涂距離等加以控制。DH-X2超音速等離子噴涂設(shè)備等離子噴涂的應(yīng)用3ApplicationofPlasmaSpraying等離子噴涂的應(yīng)用離子噴涂技術(shù)在耐磨、耐蝕涂層等傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，從上世紀(jì)50年代至今，其應(yīng)用領(lǐng)域由航空、航天擴(kuò)展到了鋼鐵工業(yè)、汽車(chē)制造、石油化工、紡織機(jī)械、船舶等。近年來(lái)等離子噴涂技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域如納米涂層材料、梯度功能材料、超導(dǎo)涂層、生物功能涂層等方面的應(yīng)用研究漸漸受到人們的重視。1耐磨涂層

Part

3.1傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用等離子噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層，不僅可以使零部件具有高的硬度，優(yōu)異的耐磨性，而且涂層摩擦系數(shù)小，能耗低，在機(jī)械、航空等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。

減小磨損的另一個(gè)途徑是減小相互接觸表面的摩擦系數(shù)。等離子噴涂鋁及鋁合金復(fù)合材料涂層，有優(yōu)異的抗粘著磨損能力。同時(shí)，由于噴涂工藝的要求，可使涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，質(zhì)量?jī)?yōu)異且穩(wěn)定，并且在相同的工況下，摩擦系數(shù)從原來(lái)的0.11下降