等离子喷涂的常见工艺问题及展望
摘要:本文介绍了等离子喷涂设备的含义及其适用范围,并对等离子喷涂的几个工艺问题进行了着重分析,综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况,指出了等离子喷涂技术的发展方向。
关键词:等离子喷涂测量技术应用发展
等离子喷涂是一种多用途的精密喷涂方法。
由于以电弧等离子体为热电源,故能量集中,喷涂温度高达16600 °C(通常使用温度约6000～11000 °C),但传递给基体材料的热量却不多。
几乎任何一种材料都能采用等离子喷涂。
目前有多达150种以上的如金属、陶瓷、塑料、等等都可采用等离子喷涂技术。
等离子喷涂的热源能量水平较高,热能传递到粉末粒子时周围气氛的温度降低很少,因而能使粉末粒子获得有效的加热。
此外,由于粉末粒子在等离子“火焰”中的加热时间可以控制,不仅难熔材料能获得有效的加热,某些热稳定性差的材料也能免于氧化和烧损。
等离子喷涂还具有喷射速度高、涂层致密、孔隙率低、粘结强度高等优点。
因此,近几十年来,其技术进步和生产应用发展很快,已成为热喷涂技术的最重要组成部分。
本文着重就近年来等离子喷涂技术的几个工艺问题的研究现状与发展概况进行深入探讨。
1 等离子喷涂技术的特点
等离子喷涂是利用等离子火焰来加热融化喷涂粉末使之形成涂层。
等离子喷涂工作气体常用Ar或,在加入5%～10%的,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,其中心温度高达15000 K以上,并高速喷打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钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。
由于等离子喷涂火焰温度和速度极高,几乎可以熔化并喷涂任何材料,形成的涂层结合强度较高,孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广等很多优点,故在航空、冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用,在热喷涂技术中等离子喷涂占据着重要的地位。
2 等离子喷涂的应用的几个工艺问题
2.1 温度控制
2.1.1 预热
与氧—乙炔火焰喷涂一样,在等离子喷涂前对工件进行适当的预热,是提高涂层结合强度的一个有效措施。
但是,为了防止工件表面受热氧化,一般情况下,预热温度100～150 °C,最高不超过250 °C。
2.1.2 喷涂过程中工件及涂层的温升控制
在等离子喷涂过程中,必须控制工件或涂层的温度。
其原因在于控制涂层应力,防止工件变形,减少涂层和工件氧化等。
对于较大的或导热条件好的工件,可用快速移动喷枪或工件的方法,防止产生局部过热点,就能解决过热问题。
用吹风进行辅助冷却也是一种控制工件和涂层温升的常用方法。
冷却气流应针对工件上喷涂点附近的不喷涂部位,应当强调指出的是,冷却气流的介质对涂层和工件不应产生有害的影响,而且保证清洁干燥、无油。
否则,它会玷污工件或涂层,影响结合强度和涂层质量。
另一种控制工件和涂层温升的方法是“间歇喷涂”,即进行短时间的喷涂,待工件散热冷却到安全温度后再喷涂,这样交替地喷、停,也能控制工件和涂层的过热,达到控制应力,不至于破坏涂层结合的目的。
2.2 内径表面的喷涂
在工件外径表面上喷涂,涂层中的自然收缩应力有利于涂层与基体的结合。
在工件内径表面上喷涂,涂层中的收缩应力对涂层基体的结合是不利的。
在喷涂较薄的内径表面涂层时,不会产生特殊的问题。
然而,涂层较厚时,特别是喷涂具有高收缩的材料时,则会严重影响涂层与基体的结合。
除了因收缩而可能产生不利于涂层与基体的结合之外,内径表面喷涂还存在着过热和灰尘污染问题。
在喷涂内径表面时,一般全部热量集中在一个较小的面积上,而外加冷却的可能性又常常受到限制。
尤其是喷涂陶瓷热障材料时,过热问题就特别严重。
因此,必须采用辅助通风。
喷涂的孔如果两端是敞开的,空气可通过两端通孔进行冷却,
并能清除喷涂中产生的灰尘。
当喷涂盲孔时,不仅需要散热,而且还要除尘。
因此,常常需要用辅助通风管伸到盲孔里,从孔底供给新鲜空气,使喷涂表面得以适当的通风。
在喷涂内径表面时,要适当地提高工件的预热温度,使基体结构产生预膨胀,以弥补涂层冷却时的收缩,提高涂层与基体的结合强度。
在操作时采用快速多次扫过的喷涂法,既可以在表面未严重污染之前把基体盖住,又可以避免产生热点。
2.3 阶梯涂层
阶梯涂层是由许多薄层(0.05～0.1 mm)组成的,或者是在整个喷涂过程中,连续改变混合涂层材料中两种成分的比例。
为了达到喷涂连续阶梯涂层的目的,采用双送粉器和双送粉口喷嘴的等离子喷枪,可以喷涂出连续改变粉末成分比例的涂层,没个送粉器有单独的送粉速度控制装置,因此，两种成分的比例在喷涂过程中可以连续地改变。
2.4 低压等离子喷涂
在大气中,等离子喷涂用的火焰是紊流。
焰流一离开喷嘴就从周
围吸入大量空气。
距离喷嘴越远,吸入空气越多。
通常在100 mm喷距时,吸入空气量可占等离子体的90%这样就使得喷涂材料氧化。
为防止工件基体的氧化,解决一些有毒材料(如铍及氧化铍)不能再大气下喷涂的问题,所以,目前一些工业发达国家正发展低压等离子喷涂工艺和设备,我国也已开始研究这种喷涂工艺和设备。
低压等离子喷涂就是在低真空下进行等离子喷涂,它具有下列优点:(1)涂层均匀、致密,抗腐蚀性好,纯度高;(2)涂层沉积率高,喷涂室真空度为40～50托时,沉积率为3～4 kg/时;(3)涂层结合强度高;(4)操作环境噪声低,无粉尘。
3 等离子喷涂技术的发展趋势与展望
3.1 等离子喷涂技术的发展趋势
等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术,在近代工业中地位越来越重要,应用范围也在随着高新技术的发展而不断扩展,但仍存在许多问题需要解决,有以下几方面的发展趋势或方向。
(1)研制全方位微电脑控制的高能、高速、高焓的新型等离子喷涂设备。
深入研究探索新的诊断技术,利用现代测试技术,探索应用神经网络和模糊控制策略,实现等离子喷涂过程的智能控制,完善喷涂过程的实时诊断。
(2)合理选择喷涂工艺,优化工艺参数,改善粉末受热和熔化状态,减少环境对高温粒子的污染和氧化,从而形成性能优异的涂层。
利用激光、超声波等现代技术,研究并应用复合工艺,使涂层结构更趋完善。
(3)进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理,寻求消除或减少孔隙率的方法,以及研究涂层与基体的结合机理等,提高涂层结合强度。
(4)等离子弧或等离子火焰产生时,发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官,并辐射出红外、紫外线等,对人眼、皮肤伤害极大。
因此,需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机,从而从根本上改善工作环境。
3.2 等离子喷涂技术的展望
等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧化腐蚀方面已经有了广泛的应用,近年来正试图在生物、超导和复合材料等高科技领域发挥特长,而且取得了一定的应用。
在喷涂工艺设备方面,发展了超音速等离子喷涂、三阴极等离子喷枪等,提高了喷涂粒子的熔化程度、速度;应用低压等离子喷涂和用液料的等离子喷涂等,可以控制涂层的相结构和晶粒尺寸;而微弧等离子喷涂使等离子喷涂设备向小型化发展。
等离子喷涂参数多达几十种,而且很多参数之间相互影响,如何对喷涂工艺的控制实现智能化,并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入解决的问题。
另外由于等离子涂层硬度较高,
所以必须提高涂层的厚度控制技术,使之近终形成型,尽量减少涂层的精加工过程。
随着等离子喷涂技术,设备和工艺的不断改进和完善,进一步提高效率降低成本,并与其他的表面技术复合来扬长避短,这项技术将会有更加广阔的推广使用前景。
参考文献
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