超音速等离子喷涂参数对粒子速度温度的影响
陆 欢，王海军，郭永明，刘 明，傅耀宇
中国表面工程
摘 要：采用高效能超音速等离子喷涂系统，选用纯 Al2O3粉末，研究了电功率、电流、电压、气体流量、送粉量对飞行粒子速度和温度的影响。研究结果表明：Al2O3粒子的温度、速度随功率的增大分别呈持续上升与先增大后下降的趋势；在相同功率时，电流对粒子速度、温度的影响大于电压的影响；加大主气流量，粒子速度和温度均先增大后减小；增大送粉量，粒子速度先增大后减小，而粒子温度则一直减小。最后结合涂层的形貌、孔隙率、显微硬度，优化出最佳的喷涂参数。
关键词： 超音速等离子喷涂；喷涂参数；粒子速度、温度；热喷涂
0 引 言
近年来，随着先进制造技术和高新材料的发展，热喷涂技术正朝着提高喷涂射流和粒子速度的趋势发展[1]。喷涂粉末沿轴向的速度和熔化状态是影响涂层质量的重要原因[2]，而超音速等离子喷涂技术射流温度高、速度快，可喷涂材料广泛，特别是高熔点陶瓷、难熔金属等，是未来喷涂技术发展的主力军。超音速等离子喷涂的粒子速度、温度与喷涂工艺参数有着非常密切的关系，在喷涂设备和工作气体已经确定的情况下，影响喷涂质量的主要工艺参数有：主气及送粉气的流量、送粉量、电功率、电压和电流等[3~7]，文中通过喷涂粒子速度、温度与这些参数的关系来进一步讨论这个问题。
1 试验设备、材料及方法
试验采用装甲兵工程学院自行研制的高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJet)。使用的粉末为粒度范围在 30~60 μm 的纯 Al2O3。利用先进的 SprayWatch–2i CCD 在线监测系统对超音速等离子射流中的粒子速度、温度进行监控。通过相应的数据采集，经过 CCD 系统的图像处理，可在屏幕上直接观测到粒子的速度、温度分布，由此来调控和优化喷涂参数[8,9]。通过对电功率、电压、电流、主气流量、次气流量、送粉量等参数之间的调节，来比较粒子速度、温度的变化关系，在调节每两个参数时，其他参数均保持不变。最后用优化后的参数喷涂试样，进行性能分析。
采用 Quanta 200 型扫描电镜（SEM）分析涂层表面、截面的形貌特征，用灰度法测定涂层横截面的孔隙率，在ΠΜΤ–3 型显微硬度计上测试涂层截面的显微硬度。
2 结果与分析
2.1 功率对粒子速度、温度的影响
喷涂功率为 64 kW（电压 160 V，电流 400A）时得到的 Al2O3粒子的状态如图 1 所示，可以看出此时粒子平均温度达到 3 200 ℃左右，粒子平均速度约为 615 m/s。图2 为不同功率下粒子速度、温度的变化规律，可以看出，① 随着功率的增大，粒子的温度逐渐上升，这是因为用于射流加热的电弧能量增加的缘故。粒子的速度先增大后略微减小, 这是由于功率过大而导致少量粉末过熔，反而阻碍了粒子速度的
 
提高。② 在功率为 61 kW 前，粒子温度的增加幅度逐渐减小，温度的这种变化是受到粒子速度的影响，因为随着功率的增加，粒子速度增加，粒子在射流中驻留的时间减少，从而没有足够的时间受热而导致粒子温升变缓。功率较大后，粒子速度略有降低，温度升高幅度加大。因此功率选在 61 kW 附近，既能保证粒子有较高的速度和温度，还能使粉末温度保持在合适的范围内。
2.2 电压与电流的匹配对粒子速度、温度的影响
从图 3 中可以看出，① 在功率不变的情况下(61 kW），温度、速度的变化趋势与电流变化趋势一致，即电流的增加，粒子速度、温度均增加。②随着电流的增大，即电压的减小，这种变化逐渐趋于平缓。因此选择较大的电流值，能保证粒子有较高的速度、温度值。
2.3 主气流量与电功率的匹配对粒子速度、温度的影响
① 从图 4(a)、(b)中看出，当主气流量不变时，随着功率的增大，粒子温度逐渐增大，粒子速度在功率较小时（61 kW 以下）增长明显，到功率变大时（61 kW 以上）增长不明显或略微下降。② 从图 5(a)、(b)中可以看出，当功率不变时，随着主气流量的增大，粒子温度先增大后减小，粒子速度亦是如此，但减小的幅度不明显。这是由于主气流量增大，会增加焰流的刚性，使粒子的速度、温度升高；而主气流量过大则会降低焰流的热量，导致粒子温度降低，粉末也因此不能完全熔化而导致粒子速度降低。粒子速度一般在主气流量达到 3.4 m3/h附近后开始缓慢减小，而粒子温度的减小一般发生在速度减小之前，且减小的幅度比速度大。③ 当主气流量逐渐增大时，同电压下所需的 H2量逐渐减小，这是因为主气量的增大对电压的增大亦起到一定作用。因此当主气流量为 3.4 m3/h 和功率为 61kW 相匹配时，粒子有较好的速度和温度值。
 
2.4 送粉量与电功率的匹配对粒子速度、温度的影响
① 从图6(a)、(b)中看出，当送粉量不变的情况下，随着功率的增加，粒子的温度逐渐升高，而粒子速度开始增长较快，至61 kW附近后速度值缓慢增大或略微减小。其中当送粉量为25和30 g/min时的速度、温度值较好。② 从图7(a)、(b)中可以看出，当功率不变的情况下，粒子速度随着送粉量的增大先上升后下降，这是由于功率和送粉量之间存在最佳的匹配关系。送粉量过小，粉末容易过熔，过熔粒子相互撞击、团聚会导致射流紊乱，从而影响速度的提高。送粉量过大，用于加速单个粒子的能量降低，也影响速度的提高。且送粉量越大，粒子速度达到最大值所需的功率也就越大。而粒子温度则随着送粉量的增大一直降低，这是由于每种功率下的焰流温度是一定的，送粉量的增加使得消耗能量的粒子数增多。而且当粒子速度开始下降时，粒子温度降幅变小，这是由于粒子速度的下降使粒子加热时间增加的缘故。
当功率为61 kW和送粉量为25和30 g/min匹配时，粒子有较好的速度、温度值。两者粒子速度值相差不大，但送粉量为25 g/min时能得到更高的粒子温度，故选择送粉量为25 g/min。
 
2.5 涂层的制备及性能分析
使用以上优化后的参数制备 Al2O3涂层，功率61 kW（电压 157 V，电流 390 A），主气流量 3.4 m3/h，氢气流量 0.4 m3/h， 喷涂距离 100 mm， 送粉量25 g/min。① 从图 8(a)中可以观察到，喷涂层粒子变形充分，呈扁平状铺展在基体表面，没有明显的气孔。② 从图 8(b)中可以观察到，涂层非常致密，无分层、裂纹和明显的孔隙。③ 测得涂层的孔隙率仅为 1.5 %，显微硬度 HV0.3平均达到 1000 以上。
3 结 论
(1) 在其它条件不变的情况下，粒子温度随功率的增大而增大，而粒子速度先增大后略微减小。相同功率下，电流增加粒子速度和温度均增加。随着主气流量的增大，粒子速度和温度先增大后减小，其中粒子速度减小的幅度不明显。增大送粉量，粒子速度先增大后减小，而粒子温度则一直减小。
(2) 超音速等离子喷涂 Al2O3获得最佳粒子速度、温度的工艺参数为：功率 61 kW (电压 157 V，电流 390A)，主气流量 3.4 m3/h，氢气流量 0.4 m3/h，喷涂距离 100 mm，送粉量 25 g/min。在这个参数下，粒子平均速度达到 650 m/s，平均温度达到 3 100 ℃。
(3) 在以上优化后的参数下制备出的 Al2O3涂层，具有涂层致密，无分层和裂纹，孔隙率低，显微硬度高等显著特点。
参考文献：
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