等离子喷涂技术现状及应用
王吉孝， 蒋士芹， 庞凤祥
机械制造文摘———焊接分册
摘要: 等离子喷涂在热喷涂技术领域中占有相当重要的地位，特别是随着现代航空、航天技术的发展，高性能的陶瓷涂层是一种具有较大发展前景的新型高温材料，它既具有无机材料的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优良性能，又能保持与原有基材的结构强度，是目前解决高科技中材料热障、不耐磨、易腐蚀的最现实的技术方案之一，日益受到人们的广泛重视，
是一项具有广阔应用前景的技术。
关键词: 等离子喷涂; 表面技术; 现状; 应用
0 前言
表面技术是材料科学领域中的关键技术之一。热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分，它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。热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧作为热源，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。热喷涂技术主要用于对缺损部件的修复，高温、耐磨等部件的预保护，功能涂层的制备等，可使工件获得所需要的尺寸和性能。热喷涂技术是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的，研究和应用结果表明，热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优良，具有良好的应用前景。如美国海军已将热喷涂 Al2O3－TiO2纳米涂层作为新型耐磨涂层应用于船舶和舰艇。纳米氧化锆热障涂层和纳米氧化铬耐磨抗腐蚀等陶瓷涂层正在研究中。热喷涂的工艺方法有很多种，其中应用较广泛的方法有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂( APS) 、爆炸喷涂，近年来又发展了超音速火焰喷涂( HVOF) 技术。本文对等离子喷涂技术做一综述。
1 等离子喷涂技术现状
等离子体是一个广义的概念，自然界除了固、液、气 3 种物质形态外，还存在物质的第四态—等离子体。当气体电离度大于 0． 1%时，正离子和电子数量增多且相等，其空间电荷为零，呈中性状态，处于这种状态下的气体称为等离子体。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层。等离子喷涂工作气体常用 Ar 或 N2，再加入 5% ～ 10% 的 H2，气体进入电极腔的弧状区后，被电弧加热离解形成等离子体，其中心温度可达 15 000 ℃以上，经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉器载入等离子焰流，很快呈熔化或半熔化状态，并高速喷射在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形，粘附在零件表面。各熔滴之间依靠塑性变形而相互连接，从而获得结合良好的层状致密涂层。等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法。目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层。等离子喷涂正在应用的有普通大气、超音速、可控气氛和液体稳定等离子喷涂方法，处于研究状态的有脉冲、射频、感应耦合［1］，以及反应、用三阴极枪等离子喷枪喷涂和微等离子喷涂。
1．1 等离子喷涂的基本原理
等离子喷涂基本原理如图 1 所示。它是将非金属(或金属) 粉末送入刚性非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并伴随等离子焰流高速喷射并沉积到预先经过处理过的工件表面上，从而形成一种具有特殊性能的涂层。
1．2 等离子喷涂的特点
等离子喷涂技术具有如下特点:
( 1) 可以获得各项性能的涂层。由于等离子喷涂火焰温度极高、速度极快，几乎可以熔化并喷涂任何材料，形成的涂层具有结合强度较高、孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广等优点，故在航空、冶金、机械、机车车辆等方面得到广泛的应用，在热喷涂技术中等离子喷涂占据着最重要的地位。
( 2) 涂层平整光滑，可精确控制厚度。
( 3) 涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在 1% ～10%，结合强度可达 60 ～70 MPa。
( 4) 涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。
( 5) 喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。工件受热温度可控制低于 250 ℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。
1． 3 等离子喷涂的分类
等离子喷涂的主要类型如图 2 所示。
1． 3． 1 大气等离子喷涂
大气等离子喷涂是用 Ar、N2、H2作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层的方法。大气等离子喷涂主要用于制备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。该喷涂粒子速度一般在音速以下，等离子喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料的质量，更重要的是取决于所采用的喷涂工艺。合理选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的重要措施之一。图 3 是 PRAXAIR 大气等离子喷涂系统。
1． 3． 2 可控气氛等离子喷涂
等离子喷枪置于密封舱室内，由机械手进行操作，将舱室抽至真空状态进行喷涂即为真空等离子喷涂( VPS) ，舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂( LPPS) ，舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气氛。由于低压或气氛可控，等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量可以得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。
1． 3． 3 液稳等离子喷涂
液稳等离子喷涂采用水、乙醇、甲醇作为稳定液体，相应的产生氧化、中性或还原性的等离子体。水稳等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度快等优点已被广泛采用。气稳等离子喷涂( 非转移弧) 所能提供的温度通常为 8 000 ～14 000 ℃，每千克等离子气所产生的焓值范围为 1 ～100 MJ/kg。由于产生的等离子弧空腔内壁的热载荷的限制，提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，从而能够提供更高的温度及热焓。目前，市场上可提供的水稳等离子喷涂设备，其功率可达 120 ～200 kW，最高温度可达 50 000 ℃ ，每小时可喷涂 100 kg金属，30 ～60 kg 陶瓷粉［2］。由于这种喷涂方法的功率很大，所以特别适合喷涂高熔点的陶瓷材料。水稳等离子技术现已投入大规模的产业化生产，在美国、日本、法国、德国、捷克和俄罗斯都得到了广泛的应用。在我国，太原钢厂首先引进了一台水稳等离子喷涂系统，多年的生产实践证明了该水稳等离子设备的先进性和高效性。
1． 3． 4 反应等离子喷涂
反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体的化学过程制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料的涂层方法，如 TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN，Mo-MoSi2，MoSi2-SiC 等。其工艺过程是: 在热等离子源中，反应物( 粉末状颗粒) 和反应气体进入等离子焰流中，并在喷射向基体的过程中，颗粒表面形成化合物，到达工件表面和其它材料的颗粒产生化学反应形成涂层。尽管在等离子焰流中，反应物停留时间短，温度梯度大，但在反应喷涂期间用气体和固体可以合成碳化物、硼化物以及氧化物，使产品的质量和均匀性都能达到冶金方法的水平。已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物、硼化物和氧化物，尺寸为 0． 005 ～ 0． 5 μm 的微小颗粒的固体薄膜。反应等离子喷涂工艺采用的气体有甲烷、丙烯、氮气、氧气、硅烷或硼烷。这种方法的研究刚刚开始，不久将用于生产。
1． 3． 5 超音速等离子喷涂
普通等离子喷涂粒子的飞行速度约 200 m/s，而超音速等离子喷涂粒子速度可达 400 ～ 600 m/s，甚至更高，从而获得的涂层更加致密，涂层的内聚强度和结合强度更高［3］，为满足新一代耐高温、抗磨损、低摩擦系数的等离子涂层提供技术支持。在普通喷涂方法的装置上，对喷涂枪和电流进行改进而发展了超音速等离子喷涂，它的等离子焰流能量密度更高、焰流速度更快，提高了涂层质量。而通过改变次气，使用丙烷等气体，并通过高压点火，操作更加安全，图 4 是哈尔滨焊接研究所引进乌克兰巴顿电焊研究所的超音速等离子喷涂系统。
参考文献略
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