摘要：内送粉等离子喷涂枪将难熔粉末送入喷枪内部的高温区，增强了粉末的熔化效果，可制备出高质量的涂层，同时获得较高的粉末沉积效率。本文总结了等离子喷涂枪内、外送粉方式的特点，综述了国内外典型内送粉等离子喷涂枪的研究与应用现状。
关键词：等离子喷涂枪；内送粉；涂层质量；沉积效率
等离子喷涂是将粉末材料送入等离子射流中，熔融或半熔融状态的粒子快速喷射至经过处理的基体表面形成涂层的一种热喷涂技术[1-3]。等离子喷涂枪作为等离子射流的发生器，是等离子喷涂系统的核心部件，而它的送粉方式对涂层性能、喷涂材料的利用率有着至关重要的影响[4-5]。目前，等离子喷涂枪的送粉方式可概括为外送粉和内送粉两种方式。
外送粉是等离子喷枪常用的一种送粉方式，它是在喷枪外部将粉末以某一角度送入等离子射流中[6]，如图 1 送粉位置 I 所示[7]。该送粉方式容易实现，对喷枪结构和喷涂工艺要求较低。但是，由于喷嘴外部湍流（等离子射流瞬时的主要流动支配区如图 3 所示[8]）和射流振动引起的冷气体卷积导致等离子射流温度急剧下降，粉末熔化效果降低，影响涂层质量，能耗高而粉末沉积效率较低。例如 S.Mihm等人[9]测量了基于 F4/MC60 的传统等离子喷枪制备多孔 YSZ 热障涂层时的沉积效率仅为 35%（等离子气流量 <30 slpm，Ar/H2约为 4/1，功率 <30kW，送粉速率 80 g/min）。
内送粉包含径向内送粉和轴向内送粉，是指在喷枪内部将粉末以某一角度送入等离子射流中，其中径向内送粉指在喷嘴处将粉末径向送入等离子射流中（如图 1 送粉位置 II 所示[7]），轴向内送粉是指将粉末轴向送入喷枪内部等离子射流中（如图 1送粉位置 III 所示[7]）。内送粉方式下粉末被送进等离子射流的较高温区（如图 2 所示区域 II 和 III，该等离子射流温度分布源自韩海玲等人的模拟结果[10）]，粉末颗粒熔化效果增强（笔者采用 Spray Watch2i 在线检测系统测量了相同条件下 BT-55 等离子喷枪内、外送粉方式喷涂 YSZ 粉末时的粒子平均温度和飞行速度，内送粉方式下粒子平均温度为3244℃，外送粉方式下粒子平均温度为 2927℃，如图 4 所示，可见内送粉方式下热等离子体对粉末传热效果增强。喷涂工艺参数如下：电流 500 A，电压80 V，Ar 流量 2100 L/h，H2流量 110 L/h，N2流量400 L/h，测量距离 65 mm），其他文献研究也已经证实内送粉方式下可获得高的涂层质量和沉积效率[20/23]。
然而熔融颗粒或颗粒团与温度较低的喷嘴接触后粘附其上，容易堵塞喷嘴。因此，保证喷涂时不堵喷嘴是内送粉能否顺利进行的关键[11]。目前的研究表明，通过喷枪结构设计和喷涂工艺优化可以在某种程度上解决堵嘴问题[12-13]。本文针对国内外典型的内送粉等离子喷枪的应用现状进行了综述，以期为等离子喷涂从业人员提供一些参考和借鉴。
1 内送粉等离子喷涂枪的应用现状
典型的内送粉等离子喷枪有加拿大 Northwest Mettch 公司开发的 Axial III，Praxair TAFA 公司开发的 SG100[14-15]，它们的结构、特点及应用如下所述。
1.1 Axial III 等离子喷枪
Axial III 是 Mettch 公司开发的一种等离子喷枪，它采用三阴极、三阳极设计，以便实现轴向送粉，如图 5 所示。研究表明，Axial III 等离子喷枪制备的 Cr2O3涂层的硬度高达 HV3001300～HV3001600，孔隙率0.3%～0.5%，此时测得的沉积效率为 45%～75%（送粉速率 30～90 g/min）[16]。邓伟东等人[17]采用Delta 等离子喷枪和 F6 等离子喷枪制备的 Cr2O3涂层的显微硬度分别为 HV3001067 和 HV3001138。
可见，Axial III 等离子喷枪制备的涂层显微硬度较高。此外，Axial III 也可用于轴向悬浮液等离子喷涂，制备新型结构 YSZ 热障涂层，如图 6 所示[18]。
1.2 SG100 等离子喷枪
SG100 是 Praxair TAFA 公司开发的一种 80kW 级等离子喷枪，内部结构如图 7 所示。该喷枪的主要特点如下：①根据涂层性能要求有三种工作模式：亚音速、马赫 I、马赫 II；②可选用内 / 外送粉模式或混合使用，可多角度送粉以满足不同需要。
M. Arai 等人[19]利用 DPV2000 飞行粒子检测系统测量 SG100 等离子喷枪（Ar 流量 48.7 slpm，送粉气流量 6.2 slpm，送粉速率 38 g/min，测量距离 100mm）喷涂 SULZER METCO 204NS YSZ 的粒子飞行速度和温度，如表 1 所示。R. S.Lima 等人[20]利用诊断 工 具 （Accuraspray, Tecnar Automation, Saint Bruno, QC, Canada）测量了 9MB 等离子喷枪喷涂相同 YSZ粉末时的粒子飞行速度和温度分别为 148m/s和 2700℃（喷涂参数按照 Sulzer Metco 公司推荐的标准参数调整）。可见，SG100 在低喷涂功率下粒子温度达 3248℃（3521 K），远高于 2700℃，说明内送粉方式下粒子熔化效果较好。
王常春等人[21]对比研究了内送粉 SG100 与外送粉 9MB 等离子喷枪喷涂 W-Cu 电子封装材料的钨沉积效率和涂层性能。图 8（a）、（b）分别是 25 kW下 SG100 和 9MB 等离子喷枪制备的涂层微观组织，灰色部分为 W，黑色部分为 Cu，少量白色区为孔隙。由图可见，内送粉条件下，复合材料中钨的含量比外送粉条件下的高，说明内送粉方式下钨的沉积效率较高。此外，氧化行为分析表明，内送粉方式下功率对铜氧化的影响不明显，而外送粉方式下，随着功率的提高，铜的氧化明显增多。
1.3 内送粉高能等离子喷枪
国内韩志海等人[22-23]采用“双温区、双通道”内送粉高能等离子喷涂枪（如图 9 所示），使金属和陶瓷粉末均熔化良好，获得了非常细密、连续分布的梯度功能热障涂层系统（FG-TBCs），显示出比普通双层或多层结构 TBCs 系统具有更好的热匹配和热应力缓冲功能，同时也具有更好的抗热震、抗高温氧化能力和热稳定性。
翟长生等人[23]采用内送粉高能等离子喷枪制备 Al2O3涂层，并与常规外送粉等离子喷枪制备的涂层做了对比研究。结果表明，内送粉高能等离子喷枪制备的涂层质量（结合强度、孔隙率、显微硬度）有了明显提高，如表 2 所示。
2 结论
随着国内外热喷涂技术人员对等离子喷枪内送粉结构的研究，业已开发出多种类型的内送粉等离子喷枪。目前的试验研究表明，它们在制备高质量涂层、特殊结构涂层及提高粉末沉积效率方面表现出巨大的应用潜力。正如大多数研究人员所期盼的那样，随着等离子喷涂技术在航空航天、石油化工、机械等众多领域应用的日趋成熟，多元化送粉结构的等离子喷枪的研究与开发方兴未艾，它们在涂层生产及科学研究中发挥着各自独特的作用。
参考文献略
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