等离子喷涂成形技术的应用

1 薄壁零件

    PSF技术适合于高硬度高熔点金属、陶瓷和复合材料的零件制造，可以解决其制备和加工难题，特别适合制造某些特殊形状的薄壁件。

    美国通用电气曾经利用PSF成功制备了IN718合金和Rene95合金；美国纽约州立大学用VPSF制备3mm厚的金属间化合物材料：Li2-Ni3Al合金和NiAl-Ni3Al合金；H.W.Ng等制备了金属Ni、ZrO2-Y2O3以及Ni-ZrO2交替复合材料的喷嘴和锥形件；美国的R.Goswami等将粒度为10~40μm的Mo粉通过APSF制备了MoO2纳米颗粒弥散分布的Mo-MoO2复合材料；M.V.Gopalakrishnan等用PSF制备了Al2O3-TiO2复合材料，陶瓷金属复合（ZrO2-Y2O3内层，CoNiCrAlY中间层，IN-738LC外层）；S.Seal等采用VPSF制备了大尺寸纳米结构的W-HfC圆筒件，再通过热等静压处理，致密度达99%，模量和硬度高；S.C.和J.Hale等分别采用PSF后轧制和PSF后热压的方法，制备得到了几乎全致密的TiAl基合金薄板；NASA兰利研究中心将PSF技术制备的0.1781mm厚的λ-MET合金箔与SCS-6纤维交替叠放，进行真空热压处理，获得了SCS-6f/λ-MET基复合材料薄板；我国钢铁研究总院用PSF制备了大尺寸纯W发热体；航天材料工业曾用PSF制备B/Al复合材料无纬布及板材，其优点金属基体与纤维界面密实、结合牢固，且金属几乎不与纤维发生反应。王跃明等采用PSF技术制备钨喷管、钨药型罩等薄壁或复杂形状零部件。图1是PSF制备的一些产品。

图1 PSF产品

Fig.1 PSFproducts

（a）—W坩埚；（b）—W发热体；（b）—MoSi2管；（d）—W-Mo复合喷管

2 模具

    应用PSF制造模具是一种周期短、成本低的制模方法。目前，PSF制模工艺在塑料模制造中得到一定的应用。比如日本本田公司已经利用该技术制造出可以生产几万件塑料制品的快速模具。快速金属模具的PSF制模工艺是一种基于RP原型的快速模具制造新技术，与传统钢模制造工艺相比，它周期周期可缩短60%以上，成本只有传统钢模的15%~20%，非常适合于新产品试制和小批量、多品种应急产品的生产。在PSF过程中，没有收缩，误差小，可以保证较高的精度。因此，PSF金属模具适用于制备尺寸精度高的零件。美国、英国、日本和丹麦等国家发展了PSF制模方法，喷涂金属颗粒细小，85％的颗粒是20μm或更小。

    国内，华中科技大学和西北工业大学对用PSF制模的研究较早。文献指出，等离子喷涂所用的喷涂材料和工作气体都比较昂贵，若先用等离子喷涂制作模具型腔，然后用电弧喷涂来强化和加固金属型腔，这样可提高模具型腔的硬度和强度，降低费用。PSF制模，首先要建立产品的三维CAD模型，然后将CAD模型转换成STL文件，驱动快速成形系统，制造出RP原型。对原型进行必要的后处理，再用硅胶模来精确复制RP原型的形貌。等离子喷涂产生的金属微滴温度很高，直接喷射在原型（原型材质一般为纸或塑料等不耐火材料）上会烧损原型。因此，必须翻制耐高温的无焙烧陶瓷过渡基模，再在过渡基模上喷射沉积涂层。涂层后面用电弧喷涂工艺喷涂锌合金以制作锌合金黏结层，在黏结层后面对壳层进行背衬。喷涂层相对很薄，硬度高，但强度不大，无法单独承受成型压力，所以必须通过背衬方法支撑补强，然后打掉陶瓷过渡基模，加装钢结构，形成快速模具，最后对模具进行调整试模。

3 特殊结构材料

    Agarwal等采用微米粉末原料，用VPS工艺制备出了纳米结构Al-21%（质量分数）Si复合材料。材料结构中有50~100nm的Al-Si共晶颗粒，其中亚微米的Si晶粒均匀分布在Al基体中，成形件致密，层间结合牢固，硬度比铸造Al-17%S（i质量分数）合金要高。Agarwal等还利用纳米颗粒不能抵达等离子焰流中心被熔融的特点，将纳米和微米尺寸的Al2O3粉末按照2:3混合进料，通过PSF方法制备出一种特殊结构的陶瓷材料。该材料组织中纳米Al2O3颗粒包裹着微米Al2O3颗粒，能够阻止裂纹萌生和扩散，孔隙率只有9.0%（体积分数），维氏硬度值约为1065。和传统粉末冶金压制烧结相比，PSF能够避免纳米晶粒长大，保证纳米结构特性，降低了孔隙率，提高了材料的力学性能。PSF还可以制备多层复合材料和梯度材料，这些材料用铸造和粉末冶金方法很难制备。如M.V.Gopalakrishnan等用PSF制备了Al2O3-TiO2复合材料，陶瓷金属复合（ZrO2-Y2O3内层，CoNiCrAlY中间层，IN-738LC外层）。

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