气稳等离子喷涂

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第279页（2497字）

5．5．1．1 原理

气稳等离子喷涂是用气体产生等离子体并稳定等离子弧的等离子喷涂，喷涂原理如图5-21所示，由等离子喷枪(等离子弧发生器)产生等离子射流(电弧焰流)，喷枪为电极(阴极)和喷嘴(阳极)，分别接整流电源的正、负极，向喷枪供给工作气体(Ar、N₂等)，通过高频火花引燃电唬电弧将气体加热到很高的温度，使气体电离，在热收缩效应、自磁收缩效应和机械压缩效应的作用下，电弧被压缩，产生非转移型等离子唬高温等离子气体从喷嘴喷出后，体积迅速膨胀，形成高温高速等离子射流，送粉气流推动粉末进入等离子射流后，被迅速加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，形成飞向基材的喷涂粒子来，陆续撞击到经预处理的基材表面，形成涂层．

图5-21 等离子喷涂原理示意图

5．5．1．2 喷涂粒子的速度和温度

在等离子射流中，忽略粉末粒子内部的温度分布，粉粒温度的变化由式(5-1)决定．

式中：T_p——粒子温度；

h——粉粒传热系数；

T_j——等离子射流温度；

ρ_p——粉粒密度；

D——粉粒直径；

C_p——粉粒热容量．

由式(5-1)可知，粉粒温度的变化与等离子射流温度和粉粒传热系数成正比，而与粉粒的密度、直径和热容量成反比．

等离子弧功率和喷涂距离对粉粒温度的影响关系(见图5-22)表明，随着等离子弧功率增加，粒子温度提高；随着离喷嘴出口距离的增加，粒子温度先是升高而后降低．

图5-22 喷涂粒子温度与等离子弧功率及喷涂距离的关系(粒径18μm的Al₂O₃)

进入等离子射流中的粉粒，其速度的变化由式(5-2)决定．

式中：v_p——喷涂粒子的速度；

C_p——粉粒的阻力系数；

ρ_j——等离子射流的密度；

D——粉粒直径；

ρ_p——粉粒密度；

v_j——等离子射流的速度．

由于v_p≤v_j，所以式(5-2)可写成式(5-3)的形式，即

由式(5-3)可知，对喷涂粒子的加速主要取决于等离子射流速度，对同一材质的粉末，粒子加速度与其直径成反比，如图5-23所示．

图5-23 等离子射流中Al₂O₃粒子的速度变化

1—3μm；2—18μm；3—23μm；4—39μm；5—46μm

等离子射流速度在喷嘴出口处最高，随着射流距离的增加射流速度减校因此，喷涂粒子速度先是加速，而后随着喷涂距离的增加而下降，等离子弧功率愈大，粒子速度愈高，它们之间的关系如图5-24所示．

图5-24 喷涂粒子的速度与等离子弧功率及喷涂距离的关系(粒径18μm的Al₂O₃)

5．5．1．3 涂层特性

等离子喷涂涂层，其组织细密，氧化物夹渣和气孔率都低，气孔率可控制到2%～5%，涂层与基材的结合及涂层颗粒之间的结合形式除以机械结合为主外，可以产生微区冶金结合和物理结合，涂层结合强度较高，最高可大于60Pa，涂层结合强度主要取决于喷嘴材料和工艺条件．

5．5．1．4 特点及应用

等离子喷涂与其他热喷涂方法相比，有不同特点．

①喷涂材料范围广，尤其能喷涂难熔材料，制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层，以及其他特殊功能涂层．

②涂层结合强度高，气孔率低．

③惰性气体等离子射流有保护气氛，加氢的射流有还原气氛，避免或减少了喷涂粒子的氧化．

④可以较精细地控制工艺参数，制备精细涂层．

由于有以上特点，等离子喷涂主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层，已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、交通运输、轻纺、能源、电子和高新技术等领域里应用．