等離子噴涂技術的應用

0表面處理技術隨著現(xiàn)代科學技術和工業(yè)的發(fā)展，材料性能的要求越來越高，材料性能的不同領域也存在很大差異。即使它是同一側的零件，也不同，性能要求也不同。因此,尋求各種性能的材料已經(jīng)成為當今世界研究的熱門課題之一。表面處理技術——等離子噴涂技術是使材料表面獲得各種功能涂層的有效手段,它可以使基材表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、隔熱、密封等性能,并且具有生產(chǎn)率高,涂層組織細密,與基材結合強度高,氣孔率低,噴涂材料來源廣、成本低等優(yōu)點,是一項應用極廣的熱噴涂技術,占噴涂工藝的40%以上。近幾十年來,該技術已經(jīng)廣泛應用于航天航空、鋼鐵冶金、機械制造、機車車輛等領域。本文綜合國內(nèi)外相關報導,主要闡述了等離子噴涂涂層的應用。1等體積噴漆技術的研究現(xiàn)狀1.1等離子涂層技術等離子噴涂是采用剛性非轉移型等離子弧作為熱源,以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。圖1為等離子噴涂工作原理圖。其噴涂原理是通過等離子噴槍(又稱等離子弧發(fā)生器)產(chǎn)生等離子射流(電弧焰流)。噴槍的鎢電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接電源負極和正極(工件不帶電),通過高頻振蕩器激發(fā)引燃電弧,使供給噴槍的工作氣體(Ar或N2)在電弧的作用下電離成等離子體。由于熱收縮效應、自磁收縮效應和機械收縮效應的聯(lián)合作用,電弧被壓縮,形成非轉移型等離子弧。送粉流輸送粉末噴涂材料進入等離子弧,并被迅速加熱至熔融或半熔融狀態(tài),隨等離子流高速撞擊經(jīng)預處理的基材表面,并在基材表面形成牢固的覆蓋層——噴涂層。從而使零件被噴涂表面獲得不同的硬度、耐磨、耐熱、耐腐蝕、絕緣、隔熱、潤滑等各種特殊物理化學性能,以滿足零件不同工作條件的要求。根據(jù)等離子噴涂的工作原理,等離子噴涂的成套設備需由電源、高頻振蕩器(引弧裝置)、控制系統(tǒng)、送粉裝置、噴槍、水冷系統(tǒng)、氣路等部分組成。圖2為國內(nèi)外等離子噴涂典型設備配置。1.2等離子噴涂法由于熱收縮效應、自磁收縮效應和機械收縮效應的聯(lián)合作用,所形成的非轉移型等離子弧可以獲得高達10000℃以上的高溫,且熱量集中,因此可以熔化各種高熔點、高硬度的粉末材料;并且等離子焰流速度高達1000m/s,噴出的粉粒速度可達180～600m/s,因此可以獲得組織致密、氣孔率低、與基材結合強度高(40～70MPa)、涂層厚度易于控制的噴涂層。等離子噴涂過程中零件不帶電,且受熱溫度低(表面溫度一般不超過250℃),因此噴涂過程中零件基本無變形,母材的組織性能亦無變化,且不改變其熱處理性質。特別適合于高強度鋼材、薄壁零件、細長零件等的噴涂。2其他涂層的制備等離子噴涂涂層依據(jù)其用途和特性,可以分為保護性涂層和功能性涂層,保護性涂層諸如耐磨、減磨、固體潤滑的涂層,抗表面疲勞涂層,耐蝕涂層,耐熱涂層,熱障涂層等,這些涂層的制備技術工藝成熟,已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。功能涂層諸如超導涂層,光學涂層,生物涂層等,目前正逐漸受到人們的重視。2.1等離子噴涂陶瓷涂層摩擦、磨損是一切機器設備工作中存在的普遍現(xiàn)象,有相當一部分零部件是由于摩擦磨損而造成失效報廢的。等離子噴涂涂層最典型的應用就是耐磨涂層。等離子噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層,不僅可以使零部件具有高的硬度,優(yōu)異的耐磨性;而且涂層摩擦系數(shù)低,能耗小,在機械、航空等領域應用廣泛。噴涂材料一般選用A12O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。如大型水利工程及海洋開發(fā)用的液壓油缸大型活塞桿,采用等離子噴涂A12O3+TiO2陶瓷涂層代替鍍硬鉻,當獲得的涂層厚度為200～350μm,硬度900～1200HV,表面粗糙度Ra0.3～0.35μm時,該活塞桿運行總行程超過1200km仍保持完好狀態(tài)。減小磨損的另一個途徑是減小相互接觸表面的摩擦系數(shù)。等離子噴涂鉬及鉬合金復合材料涂層,在邊界潤滑條件下,可表現(xiàn)出極好的耐磨性,有優(yōu)異的抗粘著磨損能力。同時,由于噴涂工藝的要求,可使涂層結合強度高,孔隙率低,質量優(yōu)異且穩(wěn)定。如在內(nèi)燃機釩鈦灰鑄鐵活塞環(huán)上等離子噴涂Mo+28%NiCrBSi復合材料涂層代替鍍鉻,涂層厚度0.5～0.8mm,硬度1100HV。即使在較高溫度下,即使時間延長,涂層硬度也不會發(fā)生改變;并且,在相同的工況下,摩擦系數(shù)從原來的0.110下降到0.089,顯示出噴鉬涂層在有潤滑條件下,具有良好的抗咬合性,并能承受瞬時的摩擦高溫,是目前理想的活塞環(huán)涂層。2.2納米熱障涂層材料熱障涂層廣泛應用于航空發(fā)動機、燃氣輪機等高溫工作下零部件的表面,起隔熱作用。如燃氣輪機的受熱部件如噴嘴、葉片、燃燒室等均處于高溫氧化和高溫氣流沖蝕的惡劣工作環(huán)境中,承受溫度高達1100℃,現(xiàn)有的高溫合金(如高溫鎳合金使用的極限溫度為1075℃)和冷卻技術都難以滿足設計要求。解決這一問題的辦法就是在承受高溫的零部件上噴涂熱障涂層,以起到阻止熱的傳遞,防止基體金屬溫度升高或降低基體的受熱溫度等作用。典型的熱障涂層都設計成雙層結構,即由金屬結合層和陶瓷層組成。金屬結合層多采用MCrAlY(M為金屬Ni、Co或Ni+Co),其作用是抗氧化,并使基體和陶瓷層緊密結合起來。熱障涂層工作層材料通常都是陶瓷材料,目前都選擇加入少量Y2O3的氧化鋯(ZrO2)。如在某航空發(fā)動機的研制中,經(jīng)常出現(xiàn)高壓一級渦輪導向器進氣邊燒蝕,加力燃燒室隔熱屏燒蝕變形和出現(xiàn)裂紋等故障,直接影響了發(fā)動機的可靠性和使用壽命,為解決這一問題,采用CeO2-Y2O3-ZrO2三元熱障涂層材料等離子噴涂技術。實踐證明,這種熱障涂層材料隔熱效果顯著,并具有良好的抗熱震性和高溫抗氧化性,消除了燃燒室隔熱屏局部燒蝕變形及裂紋等故障。此外,陶瓷-金屬功能梯度復合涂層是近年來隨著現(xiàn)代航空、航天、兵器等尖端技術的發(fā)展迅速開發(fā)出來的一種新型熱障涂層,其涂層的化學成分沿涂層厚度方向呈梯度分布,能緩和由于溫度梯度產(chǎn)生的熱應力,涂層抗熱震性能也得到顯著提高。如在火箭推進器燃燒室的內(nèi)壁采用等離子噴涂技術噴涂一層鎳-部分穩(wěn)定氧化鋯功能梯度涂層后,經(jīng)熱循環(huán)試驗結果表明,功能梯度材料涂層的內(nèi)壁耐熱性明顯高于沒有功能梯度涂層的內(nèi)壁。2.3生物活性羥基磷灰石涂層材料等離子噴涂技術是制備醫(yī)用生物涂層材料的一種有效方法。國內(nèi)外對等離子噴涂羥基磷灰石涂層和鈦涂層的研究報導較多。羥基磷灰石的化學式為Ca(PO4)6(OH)2,簡稱HV,其化學成分和晶體結構與人體骨骼和牙釉質的化學成分和晶體結構相似,具有優(yōu)良的生物活性和生物相容性,能與骨組織產(chǎn)生骨性結合,傳導骨生長。目前這種涂層廣泛用于人工髖關節(jié)和人工牙齒植入材料。但多孔羥基磷灰石是脆性材料,韌性差,強度低,難以在生物體的承載部位使用。但若采用等離子噴涂技術把羥基磷灰石粉末噴涂在金屬基體如鈦合金的表面,得到金屬基生物活性羥基磷灰石涂層材料則具有良好的綜合性能。研究表明,等離子噴涂方法可制備厚度>30μm的涂層材料,涂層與基底的結合強度>60MPa。通過摸擬體液和體液中的培養(yǎng)試驗,證明等離子噴涂HV/Ti合金復合材料是一種理想的骨替代材料。2.4高速冷卻時涂層的非晶態(tài)相組織非晶態(tài)合金具有很高的強度、硬度,優(yōu)良的耐磨耐蝕性能和良好的磁學性能。研究表明,含有相當高硼的一些化合物能在高速冷卻時形成非晶態(tài)結構,等離子噴涂時熔粒的冷卻速度可達105～106K/s,這種冷卻速度可使涂層中產(chǎn)生非晶態(tài)相的組織。采用大氣等離子噴涂鐵基非晶態(tài)合金粉末制備的高含量的鐵基非晶態(tài)合金涂層,致密度高、孔隙率低氧化物含量少,硬度達700～900HV,結合強度>27MPa。2.5納米燃料的使用用等離子噴涂壓電陶瓷涂層制作的壓電元件無需粘貼,尤其適合于大面積壓電傳感元件和壓電元件陣列的制作。等離子噴涂Y-Ba-Cu-O超導粉末后,為恢復超導相,將涂層在氧氣中、750～930℃的溫度范圍內(nèi)加熱可制得高質量的Y-Ba-Cu-O超導涂層。在切削刀具上用真空等離子噴涂技術輔助沉積人造金剛石薄膜,可以實現(xiàn)難加工材料的加工;也可以應用于噴管噴嘴、計算機硬盤、擠壓模和拉伸模、火箭發(fā)動機系統(tǒng)、飛機發(fā)動機系統(tǒng)以及汽車引擎中的軸承等方面。固體氧化物燃料電池是一種新型的高效率、環(huán)境友好的能量轉換裝置。等離子噴涂工藝由于能夠高效率地獲得理想的層狀結構和優(yōu)良結合強度的涂層,在中溫平板式固體氧化物燃料電池的陽極、電解質和陰極制備中均有應用,是一種制備中溫平板式固體氧化物燃料電池最有前途的工藝。3等離子噴涂技術的應用隨著科學技術的飛速發(fā)展,等離子噴涂技術也正朝著高效、大功率方向發(fā)展。等離子噴涂在傳統(tǒng)的耐磨、耐熱、抗氧化、耐腐蝕等方面已經(jīng)有了十分廣泛的應用,近年來,正試圖在生物、超導、復合材料以及材料近凈成形和超細微粉制備等高科技領域發(fā)揮優(yōu)勢,而且已得到了一定的應用。傳統(tǒng)的等離子噴涂系統(tǒng)由于采用的硅整流式電源,能耗高,體積大且笨重,不便于現(xiàn)場使用,目前采用逆變技術使等離子噴涂設備實現(xiàn)節(jié)能、高效、大功率和小型化已成為一個重要的研究方向。如黃石生等人將激磁電感實現(xiàn)軟開關的電路拓撲應用到等離子噴涂逆變器的研究中,將電流注入移相控制技術與大功率軟開關技術相結合,成功地研制出全范圍大功率軟開關的等離子噴涂逆變器。此外,等離子噴涂是一個十分復雜的工藝過程,需要控制的工藝參數(shù)多達數(shù)十個,很多參數(shù)之間相互影響,并且任何一個參數(shù)稍有變化都將影響到涂層質量。因此如何對噴涂過程實施在線診斷,對工藝參數(shù)與涂層性能之間的關系進行有效的控制,并對噴涂工藝的控制實現(xiàn)智能化,是一個有待深入解決的問題。目前人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制理論極大地豐富了現(xiàn)代控制的內(nèi)容,也為等離子噴涂工藝實現(xiàn)智能化控制提供了有力的工具。在噴涂工藝方法上,近年來也有許多改進,如噴涂后涂層在氬氣保護下用熱等靜