等离子喷涂解析.ppt

等离子体喷涂Plasma spray等离子体分类冷等离子体冷等离子体热等离子体热等离子体电弧、碘钨灯电弧、碘钨灯极光、日光灯极光、日光灯电子温度电子温度100001000000CC1eV1eV聚变、太阳核心聚变、太阳核心高高 温温等离子体等离子体低低 温温等离子体等离子体冷等离子体应用v等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）v等离子体材料处理表面改性表面冶金v光源冷光源（节能）热等离子体应用v高温加热冶金、焊接、切割v材料合成、加工陶瓷烧结、喷涂、三废处理v光源强光源低温等离子体应用v1、等离子体喷涂概念及原理v2、等离子喷涂的应用（包括医疗器械）v3、等离子喷涂技术1、等离子体喷涂的概念 等离子喷涂等离子喷涂是利用等离子焰流为热源的热喷涂，利用等离子体枪产生的等离子体流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000，喷流速度达300-400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。等离子体喷涂原理示意图等离子体喷涂原理示意图v在圆锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧在圆锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧(电电流约几十至几百安培流约几十至几百安培)，由阴极后方导入的气体，由阴极后方导入的气体(通常是惰通常是惰性气体氩气，性气体氩气，ArAr),),立即被电弧的高温激发，变成等离子立即被电弧的高温激发，变成等离子体，体，从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出，从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出，形成等形成等离子体火焰的射流离子体火焰的射流(plasma jet)(plasma jet)。v圆锥形的阴极通常用难熔金属钨制造，而阳极为铜。因为圆锥形的阴极通常用难熔金属钨制造，而阳极为铜。因为电弧的根产生在阳极上，阳极电极需要强制水冷。电弧的根产生在阳极上，阳极电极需要强制水冷。v在结构上，连接拖带的只有两根电缆和气管水管，所以可在结构上，连接拖带的只有两根电缆和气管水管，所以可以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果作简单的等以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果作简单的等离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里进行工作。离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里进行工作。热等离子体表面处理技术热等离子体表面处理技术等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂的原理是:v气体进入电极腔内,被电弧加热离化电子和离子的平衡混合物,形成等离子体；v通过喷嘴时急剧膨胀形成亚音速或超音速的等离子流；v喷涂粉末颗粒被加热熔化,有时还与等离子体发生复杂的化学反应,随后被雾化成细小的熔滴,喷射到基体上,快速冷却,形成沉积层。v等离子喷涂是集熔化雾化快淬固结等工艺于一体的粉末固结方法,形成的组织致密,晶粒细小。v由于等离子束流的高温作用,等离子喷涂特别适合于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层。v目前,等离子喷涂技术方面取得的最重要的进步之一是，在工业领域引进了三阴极喷涂系统。其技术核心是等离子喷枪有3 个阴极和由几个被绝缘的环体串联组成的喷嘴组成,只有离阴极相对远的最后一个环体作为阳极工作。Plasma SprayvThermal spray method in which a plasma jet is created by striking an arc between an anode and a cathode with a gas flowing through it.A material(feedstock)is then introduced into the plasma jet where it is highly energized,melted to a molten state and projected onto the substrate of the part being coated.The plasma spray process offers a broad base of materials(powders)including metals,ceramics,polymers and composites.Plasma Spray Process Plasma jet can reach very high temperature 20,000 K Plasma disassociation 离解effect(ionization)is important to enhance heat transfer Almost applicable to any materials:ceramics,metal,plastics,etc.Complete melting of the particle is critical for uniform coating Residual stress due to uneven thermal expansion is important 2、等离子喷涂的应用v等离子喷涂具有喷涂材料范围广、调节方便、适应性强、喷涂气氛易控、涂层结合力强、气孔率可调等优点。v可喷涂的材料范围不断扩大，从传统的金属粉末到各种功能陶瓷粉末，从微米粉末到纳米粉末都可以进行喷涂。等离子喷涂技术在国防、航空、工业、医学等领域发挥着重要的作用。v热障是等离子喷涂材料应用最早、最广泛的功能。使用等离子喷涂制备的热障涂层已经广泛的应用于航天飞机发动机引擎部件、燃烧室器壁、高效燃气轮机涡轮叶片、大型钢铁厂轧辊、核反应容器等方面。据估算，厚度为0.4 mm的氧化锆陶瓷涂层可使基体温度降低100-300K，从而极大地延长了材料的使用寿命。v在提高耐磨性方面，等离子喷涂技术发挥了巨大的作用，制备的钼基合金、Al2O3-TiO2、CrC-NiCr 等耐磨涂层已经在汽车、造纸、纺织等领域得到广泛的应用。汽车速度的不断提高对汽车发动机运动部件的耐磨性提出了更高的要求，使用等离子喷涂制备的复合涂层可以大大降低材料的摩擦系数，Fukumasa等人使用特殊的喷枪制备出银-石墨复合涂层，涂层的摩擦系数仅为青铜的 1/5，银的 1/2。另外，WC-Co 具有优异的耐磨性能，但在等离子喷涂过程中容易脱碳，降低了涂层的性能。Li等人对涂层进行放电等离子体烧结（SPS），成功的恢复了涂层中的 WC 相，使涂层近表面的硬度提高约 40%。在医疗器械方面的应用v在生物医用方面，常采用等离子喷涂HA、生物活性玻璃等涂层、氧化钛、氧化锆等涂层,用于牙根种植体和人工关节柄部等医疗器械的表面改性，提高植入体与骨组织的结合强度。v人们使用钛合金作为矫形外科和牙科的植入材料，但钛合金植入人体后与人体组织不能产生化学结合，长期使用后会发生松动。羟基磷灰石（HA）涂层可极大的改善它们的生物活性。等离子喷涂制备的 HA 涂层已经得到临床应用。等离子喷涂后的真空热处理技术，在600 800，熔融的非晶态的羟基磷灰石转化，同时，基体与涂层间相互的离子热扩散，使界面处形成了化学键结合，提高了涂层结合强度。但是，涂层与基底的结合以物理结合为主，但是，涂层与基底的结合以物理结合为主，结合力不够大，且多孔，极大限制了涂层的结合力不够大，且多孔，极大限制了涂层的使用寿使用寿命命。此外，喷涂时羟基磷灰石在。此外，喷涂时羟基磷灰石在高温下易分解高温下易分解，并，并以非晶态形式承载，降低了涂层的生物相容性和稳以非晶态形式承载，降低了涂层的生物相容性和稳定性。定性。近年来又发展了在钛合金表面等离子喷涂生物活性梯度涂层的研究，在基体与羟基磷灰石涂层之间形成一个化学组成梯度变化的过渡区域，大大降低了界面处的应力梯度，若再将涂层在真空下进行热处理，可使涂层晶化程度大大提高，涂层与过渡层及基体间发生复杂的化学反应，生成新相，形成化学键结合，大大提高了涂层与基体的结合强度，增强了涂层的抗浸蚀能力。3、等离子喷涂技术v当前国外先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空方向发展，同时在轴向送粉技术、液体给料、多功能集成技术和实时控制技术等方面也取得了进展。v在大气等离子喷涂大气等离子喷涂（APS）过程中，当喷涂距离为100 mm时，卷入到等离子体中的大气量约占90%，易导致喷涂材料的氧化。低压等离子喷涂低压等离子喷涂（LPPS）是在 525 kPa 的惰性气体环境中进行的喷涂，可较好地防止喷涂材料的氧化，同时能将等离子火焰的长度从 714 mm 提高到 20 30 mm，延长了粉末在焰流中的停留时间，使其熔化得更充分，从而得到高质量的涂层。目前，低压等离子喷涂已经在航空、医学等领域得到应用。v超音速等离子弧喷涂超音速等离子弧喷涂综合了等离子喷涂和超音速火焰喷涂的优点，大功率扩展的等离子弧有效地加热主气和次气，从喷嘴射出稳定、集聚的超音速等离子射流，喷涂粉末经送粉嘴加入超音速等离子流，获得很高的温度和动能，撞击在工件表面形成涂层。与传统的等离子喷涂相比，超音速等离子喷涂由于提高了颗粒的飞行速度可以得到更为致密的涂层，而且涂层结合强度高、没有分层现象。v液料等离子喷涂就是在传统的等离子喷涂的基础上增加液体进料系统。在喷涂过程中，液料由双流体型雾化喷嘴雾化成细小液滴后送入等离子射流中，液滴受热发生蒸发、分解等物理化学反应形成细小颗粒并沉积在基体上形成涂层。液体进料降低了对粉末粒径和流动性的要求，扩展了可喷材料的范围。等离子体喷涂v三阴极等离子喷涂系统的开发提高了等离子弧的稳定性，其技术核心是喷枪由三个阴极和几个被绝缘的环体串连构成的喷嘴组成，只有离阴极最远的环体作为阳极工作，这样从三个阴极到同一个阳极产生的等离子弧稳定不变，从而产生稳定的等离子焰流。加拿大 Mettech 公司开发出的 Axial 型三阴极送粉等离子喷涂系统可真正实现轴向送粉，它在降低对粉末粒度要求的同时提高了粉末的沉积效率，而且能得到高质量的涂层。v实时控制技术实时控制技术的引入大大提高了等离子喷涂工艺的稳定性和再现性。美国 PRAXAIR-TAFA 公司开发5500-2000 型等离子喷涂系统采用专有软件实时控制和监测等离子弧的净能量。采用净能量算法使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离子体能量，提供稳定的能量输出水平。v涂层中各种缺陷的控制各种缺陷的控制仍然是等离子喷涂技术当前面临的主要问题。等离子涂层中经常出现的气气孔、裂纹以及分层孔、裂纹以及分层等缺陷会给涂层性能带来很多不利的影响。过渡层的氧化和热不匹配产生的应力是导致涂层分层和剥落的主要原因。涂层中垂直于界面的气孔和裂纹降低了涂层的硬度，同时造成涂层磨损。涂层中大量的微裂纹具有吸震作用，可以提高涂层的耐热冲击性能。但是陶瓷层和金属粘结层界面附近水平裂纹的扩展则会引起涂层的脱落和破坏。v影响等离子喷涂涂层结构的因素有很多，综合国内外的研究经验，输入功率、基体温度、涂层厚度、喷涂距离和喷涂角度等参数与涂层结构的关系最为密切。v涂层的厚度也会影响涂层的结构和性能。Sarikaya研究了涂层厚度对 Al2O3 涂层结构的影响，发现当涂层厚度从 100m 增加到 600 m 时，涂层的气孔率从 4.1%增加到 8.7%。