等离子三维移动喷涂机设计.docx

等离子三维移动喷涂机设计第一章 前言11等离子三维移动喷涂机的概述111等离子体的基本概念 是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文朗缪尔和汤克斯首次将“等离子体”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎999%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。一般情况下，把等离子体分为低温等离子体和高温等离子体。通常把电离度小于0.1%的气体称为弱电离气体，把此气体电离后的物质也叫低温等离子体。把电离度大于0.1%的气体称为完全电离气体，把此气体电离后的物质物质叫高温等离子体。低温等离子体中电子和分子或原子类粒子具有不同的温度，其中电子温度可达10000K以上，而其分子和中性类粒子的温度可低至300K-500K，从而使得整体温度较低，故称为低温等离子体。普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态。宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。1.1.2 喷涂 喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。可分为空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂以及上述基本喷涂形式的各种派生的方式，如大流量低压力雾化喷涂、热喷涂、自动喷涂、多组喷涂等。 喷涂作业生产效率高，适用于手工作业及工业自动化生产，应用范围广主要有五金、塑胶、家私、军工、船舶等领域，是现今应用最普遍的一种涂装方式；喷涂作业需要环境要求有百万级到百级的无尘车间，喷涂设备有喷枪，喷漆室，供漆室，固化炉/烘干炉，喷涂工件输送作业设备，消雾及废水，废气处理设备等。喷涂中的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，不利于人体健康，又浪费涂料，造成经济损失。大流量低压力雾化喷涂是低的雾化气压和低空气射流速度，低的雾化涂料运行速度改善了涂料从被涂物表面反弹出来的情况。使上漆率从普通空气喷涂的30%40%，提高到了65%85%。在轻革涂饰中用喷枪或喷浆机将涂饰喷于革面上。1.1.3 等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。 等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。 等离子喷涂亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温，需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到部件上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，大大提高喷涂质量。近期深圳市研创精密设备有限公司推出了等离子体表面处理机，它由等离子发生器，气体输送管路及等离子喷头等部分组成，等离子发生器产生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生低温等离子体，等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理，材料面发生多种的物理、化学变化。表面得到了清洁，去除了碳化氢类污物，如油脂，辅助添加剂等，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团（羟基、羧基），这些基因对各类涂敷材料具有促进其粘合的作用，在粘合和油漆应用时得到了优化。在同样效果下，应用等离子体处理表面可以得到非常薄的高张力涂层表面，有利于粘结、涂覆和印刷。不需其他机器、化学处理等强烈作用成份来增加粘合性。其主要特点是1、喷涂过程对基体的热影响小,零件无变形，不改变基体金属的热处理性质。2、可供等离子喷涂用的材料非常广泛，可以得到多种性能的喷涂层。3、工艺稳定，涂层质量高。4、涂层平整光滑,可精确控制厚度。等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。1.2 等离子喷涂的起源与发展史19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，等离子体实验研究由此起步。到了1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”名词描述了气体放电管中的电离气体。1928年，美国的I.朗缪尔引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。之后科学家又进一步的进行探索与研究。上世纪五十年代，一些发达国家的军工科研机构开始研究等离子喷涂，由于等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高（4080MPa），孔隙率小于 5，在军工部门得到广泛应用，在之后的几年内，等离子喷涂技术逐渐运用到民用产品。离子喷涂也得到飞速的发展，其在热喷涂的份额由1960年的15，到1980年的55，再到2000年的48t13】。热喷涂设备、方法和材料发展历史见图11。等离子喷涂是以等离子焰流为熟源，将粉末涂层材料快速加热熔化并从喷涂枪喷出后，在高速气流作用下喷散成雾状细粒，喷射到工件表面，被撞扁的颗粒就镶嵌在工件的表面。喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究热点。从上世纪80 年代起，随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展，等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。目前，国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术、喷涂功率两极分化（小功率或大功率）的方向发展表1-1主要喷涂方法的应用比例加拿大Mettech 公司开发出的Axial III 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统,是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。与传统的枪外送粉等离子喷涂设备相比,Axial III 沉积效率高、送粉速率高、孔隙率低、获得的涂层硬度高,且对粉末粒度分布要求不高。Sulzer Metco 公司的Multicoat 等离子喷涂系统第一次将PC 计算机的先进性(过程再现、数据管理) 和PLC 的稳固性结合起来。Multicoat等离子喷涂系统可以进行大气等离子喷涂(APS) 、真空等离子喷涂(VPS) 和超音速火焰喷涂(HVOF) 。喷涂的涂层质量高、重现性好、能自动记录打印喷涂参数、自动报警和处理操作事故,是目前多功能集成等离子喷涂系统的代表。PRAXAIR - TAFA 公司开发的5500 - 2000 等离子喷涂系统则是实时控制技术的代表,它采用专有软件“实时”控制和监测等离子弧的实际能量,使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。此外,国外对小功率等离子喷涂设备的研究主要集中在枪内送粉(包括轴向和径向) 和层流等离子喷涂方面。俄罗斯航空工艺研究院对层流等离子射流及其喷涂工艺已进行了多年研究,工艺已较成熟,并已在航空领域得到应用。大功率等离子喷涂系统目前比较成功的是PRAXAIR - TAFA公司的PlazJet ,其喷枪功率可以达到200 kW。随着绿色制造业的兴起，等离子喷涂技术作为主要的热喷涂技术发挥着日益重要的作用，国内外的厂家也抓住时机，正在进行着新设备的研发。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。现在已经逐渐走向工业化、相对技术比较成熟的等离子设备主要包括：超音速等离子喷涂、三阴极等离子喷涂等。现今等离子喷涂技术的研究热点主要为纳米涂层的制备、等离子喷涂成形和特种功能涂层的制备。我国从上世纪70年代引进美国Metco公司等离子喷涂装置起，开始了对等离子喷涂技术的研究与应用，与国外的先进水平相比，还有较大的差距。目前，从事等离子喷涂技术研究的机构有北京航空制造工程研究所（625所）、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究院等。北京航空制造工程研究所（625所）研制的APS-2000 型等离子喷涂设备采用了许多新技术，总体性能达到国外二十世纪九十年代水准，代表了目前国产等离子喷涂设备的最高水平。由航天科技集团公司703所研制成功的HT-200 型超音速等离子喷涂设备额定使用功率为200 kW，填补了我国在研制生产大功率等离子喷涂设备方面的空白。目前，在小功率喷涂设备方面，北京航空制造工程研究所（625所）也正在开展层流等离子喷涂设备的研制。1.4 等离子喷涂原理与特性等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源, 将欲喷涂粉末材料加热到熔融或半熔融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一种热喷涂表面加工方法。其喷涂原理是通过等离子喷枪(又称等离子弧发生器)产生等离子焰流。喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极，通过高频火花引燃电弧，使供给喷枪的工作气体(Ar或N2)在电弧的作用下电离成等离子体。在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。送粉流输送粉末喷涂材料进人等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求。在形成涂层过程中，单个熔融粒子为形成涂层的基本单位，其行为基本反映了涂层形成的特点。单个粒子的行为包括三个基本过程：先是将喷涂材料送入热源的过程；接着是喷涂材料与热源的相互作用过程，在热源作用下材料被加热、熔化、加速，同时还发生高温高速粒子与环境气氛的作用过程，尤其对于金属材料，热源中空气的卷入，会导致喷涂粒子与气氛反应，如氧化等；最后是高温高速熔融粒子与集体的碰撞、横向流动扁平化和急速冷却凝固。整个过程是在数十微秒的极短的时间内完成的。原理如下图所示。图1-1等离子喷涂工作原理等离子喷涂技术在耐磨涂层、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、船舶等领域。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。Zhu 等采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co 涂层。发现涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善，在4060 N 载荷下，纳米WC/ Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/ 6。Connecticut 大学等对等离子喷涂纳米结构Al2O3-TiO2 系涂层进行了系统的研究，包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比，结合强度增强100 %，磨粒磨损抗力提高300 %，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2 的结构变化和粒子注入特性。研究发现，TiO2 纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构。涂层表现出良好的Li + 注入电流和电化学稳定性。陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层。获得的涂层结构致密，孔隙率约为7%，涂层和基体间的结合强度为45 MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和性能评价三个方面。由于等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层，这就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以NiCrAlY作为中间层向金属上涂覆ZrO2 涂层成为大多数等离子喷涂FGMs 结构研究的热点，已建立起很好的制备工艺。另外，已被研究的其他它体系还包括：Cu/W 和Cu/B4C、与Al2O3-Cr2O3 结合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂层的Ni-20 %Cr、Ni/Al2O3、WC/Co 等。K. A. Khor 等人对YSZ/ NiCoCrAlY体系的研究表明，与传统的双层材料相比，功能梯度涂层具有更优异的性能。得到的FGM涂层的结合强度为18 MPa，双层涂层仅为9 MPa，而涂层的抗热循环寿命FGM涂层是双层涂层的6倍。Sudarshan Rangaraj 等设计了五种不同成分的YSZ 梯度涂层，研究了涂层设计对YSZ 涂层性能的影响，结果表明莫来石（mullite）成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力等离子喷涂弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，不需要保护气氛，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7- x (YBCO) 和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一种典型的超导材料，临界温度为94 K。等离子喷涂的YBCO 涂层由于喷涂过程中材料的氧损失，涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性，使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理，使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构，才能获得超导性。YBCO 涂层的热处理条件为9201 h，降至400再保温1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷从高温急冷或淬冷后，它会产生超导态。这一特性对等离子喷涂具有特别的意义，因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达106/ s的急冷冷却速率，只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面，形成以韧性金属为骨架，表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节，此方法充分发挥了金属和陶瓷两类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石（HA）涂层和钛涂层的研究报导较多，并成功地应用于临床试验。羟基磷灰石涂层对生物体无毒，耐体液腐蚀，且对生物体组织有良好的适应性和亲和性，耐长期运动过程中的磨损，有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性，并且与组织结合良好，与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用，这些涂层既利用了不锈钢的强度，又利用了钛涂层的生物相容性，防止不锈钢中有毒元素的释放。我国的上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105106 K/s，这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂Fe基非晶合金粉末（含Si、B、Cr、Ni 等）制备的高非晶含量的Fe基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度在HV0.1700950内，结合强度在27 MPa以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作。另外大气等离喷涂技术在制备固体氧化物燃料电池（SOFC）方面也有相关的研究和报道。1.6 等离子喷涂的方法及其设备已经开发并应用于工程中的等离子喷涂方法，按等离子体的类型主要可分为两大类：电弧等离子喷涂和射频感应等离子喷涂。其中电弧等离子喷涂又因在不同气氛、不同的压力和介质下有多种变型。电弧与射频也可以组合。等离子喷涂法的 (1)空气等离子弧喷涂(APs)：在大气环境下，使用直流电源，以惰性气体为工作气体的等离子弧喷涂。空气等离子弧喷涂的枪体功率大多在4080kW。由于在大气中进行喷涂，被加热喷涂粒子会与空气相互作用，使涂层含有较多氧化物所以这种方法不适合与喷涂易氧化材料。这种方法是目前应用最普遍的等离子弧喷涂方法。低功率(212kwl内送粉等离子弧喷涂也是大气等离子弧喷涂的一种口。(2)高能等离子弧喷涂(HPPS)：为满足陶瓷材料对涂层密度和结合强度以及喷涂效率的更高需求，开发了高能、高速的等离子喷涂技术。在电弧电流与APS相当条件下，利用较高的工作电压(可达几百伏特)提高功率，更大的气体流量，提高射流的流速(如电弧功率200kW，马赫数5)。这种先进的技术具有高效率和高熔敷率的特点，同时，运行成本也高。HPPS应用的典型例子有：在大型高级印刷辊的表面喷涂氧化铬(Cr203)；在涡轮机过流部件表面喷涂TBC系统的陶瓷(Zr02)面层等等。(3)真空等离子喷涂低压等离子喷涂(VPSLPPS)：这是一种在真空室内进行的等离子喷涂方法。为了生产高质量的MCrAlY(一种用于热胀涂层系统底层的合会)金属涂层，于1980年出现了VPS最早的商业应用。因为VPS具有良好的工艺机动性以及高的喷涂质量和效率，是目前唯一能和电子束物理气相沉积(EB-PVD)竞争的涂层方法。使用VPS系统直接喷涂成型部件(spray forming components)，也是制造功能梯度材料(FGM)的主要方法。VPS的射流在离喷嘴出口更远的地方才会产生较大的湍流，这使得射流的速度更高(可达900irds以上)和高热区域延长，这些都有利于喷涂粒子的加热和加速，提高喷涂粒子的润湿和扁平化的程度。当喷涂室的压力到20千帕以上，可以部分补偿因气压低而带来的射流能量密度的降低，同时祢补粒子速度和驻留时间的不足。由于冷却能力和空气对流的减少，VPS会使基体材料加热到较高的温度，方面能改善涂层与基体间的扩散条件，使涂层的结合强度更高；另一方面，有助于减少喷涂部件内的残余应力。喷涂前抽真空，有效控制了氧对涂层的危害。因此，可以喷涂那些对氧高度敏感的材料，如钛和某些难熔金属等；由于喷涂粒子和基体减少了氧化，结果使涂层的结合强度、密度更高。VPS技术也有弱点：要获得预定的真空条件，需要完备的真空设备、多学科的技术支持和较高运行费用的支撑；单件喷涂，所需要的时间会LLAPS更长；残留在喷涂室内的超范围粉末，需要及时地清除；喷涂室内的对流和热传导不如APS充分，不利于低熔点基体材料的应用。(4)惰性气体等离子喷涂(IPS)：IPS是VPS的发展版本之一，和VPS使用同样的设备。二者的主要区别是：在喷涂室抽真空后，IPS前要充入一个大气压(101325千帕)的惰性气体(氩气、氮气或二者的混合气)，以防止基体和涂层材料的氧化反应，相当于在常压惰性气体环境中完成喷涂，同样也可以防止机体和涂层材料的氧化反应。IPS可以获得比VPS更为洁净的涂层。(5)控制气氛等离子喷涂(CAPS)：把VPS和IPS方法结合在一起就形成了CAPS。为获得与VPS方法性能相同涂层，可以使用IPS方法，甚至在400千帕的惰性气体高压下沉积等离子涂层。CAPS系统最大的优点是能使VPS和APS工艺在一个步骤内完成，又可以使用具有高蒸气压的材料。此外，在CAPS系统内也可以进行RPS。这种方法的最大优点是能够防止喷涂材料的蒸发，可以适于具有不同蒸汽压的材料。(6)反应式等离子喷涂(RPS)：最初的反应式等离子喷涂是对VPS进一步改进结果。该方法在真空等离子弧喷涂过程中，于喷嘴的出口处加入一股反应气(如C1-14)进入等离子射流，反应气体会与加热中的喷涂颗粒进行作用，进而得到新的生成物。例如，用这种方法获得的TiC，是用喷涂钛粉和注入甲烷反应后得到的。TiC是弥散在涂层中的，这种碳化物的精细弥散对涂层的耐磨性能极为有利。在大气中也能进行反应式等离子喷涂，并且可以使用空气+活性气体作为工作气体。该方法还能结合高能、高速的特点进行高效率喷涂。(7)遮蔽式等离子喷涂(SPS)：这种形式的等离子喷涂方法，其目的是要减少VPS对喷涂室系统的过高要求，进而降低操作成本。这与焊接技术中的遮蔽式方法类似，喷涂的现场被包围在一个惰性气体的氛围内，用以防止大气中的氧对等离子射流及其喷涂粒子的污染。同时还可以提高对基体的冷却。 (8)水稳等离子喷涂：水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷涂方法，它是在由高速旋转的水形成的隧道里产生的弧中，水蒸气分解形成02和H2的等离子工作气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比， 其焰流温度更高体积更大更长， 特别是能量更高， 因而特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。其主要优点是：输出功率大(150200 kw)， 涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的23倍， 并且涂层致密， 其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高；喷涂效率高， 喷涂能力最大为50kgm，涂层厚度可达20mm，而且可以喷涂分散性较大的粉末， 因而特别适合陶瓷部件的喷涂成形；只需水和空气，运行成本低，比其他喷涂方法经济。本方法的缺点是焰流为氧化焰，不适喷涂容易氧化的材料。此外， 喷涂枪体积较大， 比较笨重。通用等离子喷涂系统的构成主要设备是：DC电源、控制柜、喷涂枪、引弧装置(HF)、送粉器、冷却装置及供气系统等。(1)电源：等离子射流能量提供装置，以具有陡降或垂直陡降外特性的直流电源为主。新型的电源正在开发中，如大功率软开关式逆变器，显著特点是节电、可以变换外特性的类型。额定电源输出功率的大小视使用范围而定，也可以用同型号电源串并联使用以满足对喷涂工艺的要求：电源的空载电压通常要比等离子切割使用的还高，可在110240V之间；额定电流是额定功率与工作电压的商，暂载率应在60以上以供较长时间的使用；同时还要有良好的动特性和安全性。(2)控制柜：整个喷涂系统的调控中心，它要稳定可靠地存储、运行监控并显示喷涂程序；能准确地调解电、气、粉以及运动机构的各个参数。继电器等老式的程序控制方式已被淘汰；目前应用较为普遍的是PLC控制方式。更先进的是计算机数字控制方式(CNC)等离子喷涂控制系统。(3)喷涂枪：是集所有喷涂资源(电-气一粉一水)于一体的核心装置。它的工作强度大，所以对其性能的要求也高。从等离子喷涂技术的发展过程看，喷涂枪的水平反映了等离子喷涂技术的水平。等离子喷涂枪的多样化，带来了等离子喷涂技术的多样化。等离子喷涂枪有多种类型，如按功率大小分，主要有：轻型或内孔型，在40kW以下；标准型为4080kW；高能型的功率在80200kW；超级、水稳型的在200kW以上。(4)送粉器：为喷涂枪提供喷涂粉末的输送装置。送粉器的主要指标有：装粉容量、送粉速率、送粉精度、可送粉末的粒度范围等。其装粉容量影响着可连续喷涂的作业时间：送粉速率应能无级调节，调节的大小关系到喷涂质量和生产率，具有闭环控制送粉速率时，才易于使用PLC或CNC控制；送粉的精度，应该在士5以内，影响着粉末的熔化效果和涂层的均匀程度等。为了能稳定输送各类粉末(粗的、细的、金属的、非金属的)，满足不同喷涂工程的要求，送粉器应是专门设计制作的。常用的是单筒式，而双筒式送粉器可以同时输送两种粉末，用于喷涂复合涂层或制造功能梯度材料。(5)冷却装置：为喷涂枪电极提供充足的冷却介质以保证喷涂枪稳定工作的换热器。有条件的话，要配备带制冷装置的冷却系统。制冷能力要根据等离子喷涂枪在最大载荷时的有效功率或换热条件来选用、设计。从系统稳定和安全的角度，制冷能力应该宁大勿小。(6)供气系统：主要由气源(如标准气瓶)减压表、质量或体积流量计和可控气阀等组成。等离子工作气体一般要有两路，其一用于主气(如氩气)，其二用于辅助气体(如氢气)。两路气体的混合应在剂量之后且进入喷涂枪之前完成。喷涂粉末要用专门的送粉气路输送。精确地控制各气体流量，是制各高质量涂层的必备条件之一。(7)使用的引弧系统：用于引燃等离子弧的装置，常用的是高频引弧方式。1.7 等离子喷涂技术的发展趋势等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术，在现代工业中地位越来越重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不断扩展，有以下几方面的发展趋势或方向：（1）研制全方位微电脑控制的高能、高速、高焓的新型等离子喷涂设备。深入研究探索新的诊断技术，利用现代测试技术，探索应用神经网络和模糊控制策略，实现等离子喷涂过程的智能控制，完善喷涂过程的实时诊断。（2）合理选择喷涂工艺，优化工艺参数，改善粉末受热和熔化状态，减少环境对高温粒子的污染和氧化，从而形成性能优异的涂层。利用激光、超声波等现代技术，研究并应用复合工艺，使涂层结构更趋完善。（3）进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理，寻求消除或减少孔隙率的方法，以及研究涂层与基体的结合机理等，提高涂层结合强度。（4）等离子弧或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红外、紫外线等，对人眼、皮肤伤害极大。因此，需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机，从而从根本上改善工作环境。三位移动喷涂2.1三位移动喷涂机的基本要求2.1.1三位移动喷涂机的要求有以下几点：1） 首先必须满足加工范围，工作精度，生产率和经济性等各种要求；2） 确保实现机定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动，在经济，合理的条件下尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率;3） 确保所要求的加工精度相适应的刚度，抗震性，热变形，及噪音水平；4） 应便于观察加工过程，便于操作，调整和维修，便于输送，装卸工件和清理，注意防火，确保安全；5） 结构简单，合理可靠，便于加工和装配。动机构中各传动件因设计、制造和装配不准确及运行中产生的磨损、受外力、温度变化引起的变形等因素会影响传动机构的精度,所以对传动机构的设计要求较高。2.2 .主传动方案的拟定2.2.1 初定传动方案齿轮调速机构可以通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。以获得强力切屑时所需要的扭矩。而且齿轮传动的经度较高，但是这种结构几何尺寸较大，而且对制造精度、安装精度要求高。 2.通过皮带传动的主传动 带传动可以缓和冲击和振动，而且带传动中心距不受限制，只要陪以合适的紧链结构，理论上中心距可以达到很大。当设备承受载荷过大时可以通过打滑，提高设备的防过载能力。但带传动传递效率较低，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈，而且传动比也不明确。所以带传动一般和齿轮传动一起进行传动。 3.由调速电机直接驱动的主传动 电机的旋转速度之所以能够自由改变，是因为感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。改变频率和电压是最优的电机控制方法 但如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。因此电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小，难以保证低速时主轴的转矩。 综合上述所有问题的考虑，本次设计采用调速电机丝杆副直接驱动方式。这种传动方式不但能够保证低速时的转矩，还能使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重，更容易控制传动的精度。2.2.2 进给传动系统的选择三位移动喷涂机的进给传动是通过步进电机来实现. 步进电机也叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行元件。步进电机输出的角位移与输出的脉冲个数成正比，在时间上与输出脉冲同步。因此，只要控制输出脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，变可获得所需的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电机可以锁相。步进电机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态相应快、易于起停、正反转和无极变速也容易实现。其缺点表现为：低频时有震荡、速度不够均匀；在高速时输出转矩小。图2-1步进电机图例步进电机的分类及特点：按工作原理可分为反应式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感应式）步进电机。1.反应式步进电机：结构简单、材料成本低、驱动容易、定子和转子加工容易、步距角可以做的很小；但动态性能差、容易出现低频震荡现象、电机温升较高、断电无自锁。2.永磁式步进电机：动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电机不易发热，但制造成本高。步距角大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。断电后可以自锁。3.混合式步进电机：输出转矩大、动态性能好、驱动电流小、电动机不易发热、步距角小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。综合比较性价比较高，所以目前得到广泛的应用。为保证三位移动喷涂机进给系统的定位精度和动态性能，对进给传动机械装置有如下要求： 1.传动精度与定位精度高；2.传动刚度高和抗振性好；3.进给调速范围宽； 4.低摩擦和低惯量； 5.响应速度宽； 6.消除传动间隙； 7.速度的稳定性好。 综上所述,本设计选用负载能力强的伺服电动机，直接通过丝杠带动工作台进给，传动链短，刚度大，传动精度高。2.2.3滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚珠和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚到滚动。为防止滚珠从滚到端面掉出在螺母和螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而行成滚珠流动的闭环通路。滚珠丝杠副的工作原理：在丝杠和螺母上加工有圆弧形螺旋槽，两者套装后形成了滚珠的螺旋滚道，整个滚道内填满滚珠，当丝杠相对螺母旋转时两者发生轴向位移，滚珠沿着滚道流动，并沿返回滚道返回。按照滚珠的返回方式，可将滚珠丝杠螺母副分为内循环和外循环两种方式。图2-2 滚珠丝杠副在现代机械运动部件中,滚珠丝杠副除具有显著的优异特性和有较高的使用价值外，还因为它像滚动轴承那样可作为配套原件由专业工厂生产和供应。过去采用滑动丝杠副或者液压缸传动的装置均可改用滚珠丝杠副以获得精确、高效、灵敏、耐用、可靠等效果，在特殊环境或特殊要求下，如在高温、低温、高压、真空、强磁场、强辐射、无润滑、腐蚀介质中工作以及要求可逆运动、同步运动、瞬时高低速转换等，均具有良好的传动性能因此，滚珠丝杠副已成为应用非常普遍的传动元件，可用于精密定位、自动控制、动力传递和运动转换，广泛应用于机床工业、航空航天、军工产品等各个领域。2.2.4 滚珠丝杠传动部件选择常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动及各种非线性传动部件等。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大的影响，特别是传动类型，传动方式，传动刚性及传动的可靠性对系统的精度，稳定性和快速反映性有重大影响。因此，应选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传动扭矩大的运动部件。根据本次设计的要求,经过在齿轮、带轮、缆绳、杠杆机构、连杆机构、凸轮机构、涡轮、链条、丝杠螺母等之间的性能比较.丝杠螺母符合要求, 而丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其具有的运动优越性使之得到广泛的应用。综上所述,本次设计选用滚动丝杠螺母作为其机械传动部件。图2-3 滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副相比，滚珠丝杠螺母副其有一下优点：（1）传动效率高，传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副传动的24倍。 （2）摩擦力小，因为动、静摩擦因数相差小，因而传动灵敏，运动平稳，低速不易产生爬行，随动精度和定位精度高。 （3）使用寿命长，滚珠丝杠副采用优质合金制成，其滚道表面淬火硬度高达6062HRC，表面粗糙度值小，故磨损很小。 （4）经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。 （5）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。 （6）滚动摩擦因数小，不能实现自锁，用于垂向位置时，为防止突然停、断电而造成主轴箱下滑，必须设置制动装置。2.2.5 联轴器的选择图2-4联轴器图样联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用来连接轴与轴（或连接轴与其他回转部件）以传递运动和转矩。此外，联轴器还具有补偿两端轴的相对位移，缓冲和减震，以及安全防护等功能。由于制造及安装误差等影响，通常根据各种相对位移有无补偿能力，将联轴器分为刚性联轴器（无补偿）和挠性联轴器（有补偿能力）两类。刚性联轴器：结构简单，安装容易，传递扭矩不大，。当传递小转矩时，可选用小型刚性联轴器。本次设计选用专业厂家生产的小型刚性联轴器，既有结构简单，安装容易等特点，也可满足缓冲和减震的效果。2.2.6 直线导轨的选择 三位移动喷涂机的直线导轨的主要功能是为运动部件提供导向和支撑，并保证运动部件在外力作用下能准确沿着规定的方向运动。导轨的精度和性能对机床加工精度，承载能力等又着重要影响运动部件在外力作用下能准确沿着规定的方向运动.控机床常用导轨按其接触面间的摩擦性质不同，主要为滑动导轨、滚动导轨两大类: 1、滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性强等优点，但其缺点是静摩擦系数大，而且动摩擦系数随着速度的变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象，影响运动平稳性和定位精度。 2、滚动导轨是在导轨工作面间放入滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间的摩擦成为滚动摩擦，这样的导轨称为滚动导轨。它可以大大降低摩擦系