等離子噴塗

等離子噴塗是一種材料表面強化和表面改性的技術，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高温氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。 等離子噴塗技術是採用由直流電驅動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態，並以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附着牢固的表面層的方法。 等離子噴塗亦有用於醫療用途，在人造骨骼表面噴塗一層數十微米的塗層，作為強化人造骨骼及加強其親和力的方法。

等離子噴塗技術是繼火焰噴塗之後大力發展起來的一種新型多用途的精密噴塗方法，它具有：①超高温特性，便於進行高熔點材料的噴塗。②噴射粒子的速度高，塗層緻密，粘結強度高。③由於使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴塗材料不易氧化。

（以N₂為例）：

0°k時，N₂分子的兩個原子呈啞鈴形，僅在x,y,z方向上平動；

大於10°k時，開始旋轉運動；

大於10000°k時，原子間產生振動，分子與分子間碰撞，則分子會發生離解變為單原子：

N2+Ud——>N+N 其中 Ud為離解能

温度再升高，原子會發生電離: N+Ui——>N++e 其中 Ui為電離能

氣體電離後，在空間不僅有原子，還有正離子和自由電子，這種狀態就叫等離子體。

等離子體可分為三大類：

①高温高壓等離子體，電離度100%，温度可達幾億度，用於核聚變的研究；

②低温低壓等離子體，電離度不足1%，温度僅為50～250度；

③高温低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的温度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近於熱平衡。熱噴塗所利用的正是這類等離子體。

等粒子噴塗是利用等離子弧進行的，離子弧是壓縮電弧，與自由電弧相比較，其弧柱細，電流密度大，氣體電離度高，因此具有温度高，能量集中，弧穩定性好等特點。

按接電方法不同，等離子弧有三種形式：

①非轉移弧：指在陰極和噴嘴之間所產生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上，工件不帶電，在陰極和噴嘴的內壁之間產生電弧，工作氣體通過陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱，造成全部或部分電離，然後由噴嘴噴出形成等離子火焰(或叫等離子射流)。

等粒子噴塗採用的就是這類等離子弧。

②轉移弧：電弧離開噴槍轉移到被加工零件上的等離子弧。這種情況噴嘴不接電源，工件接正極，電弧飛越噴槍的陰極和陽極（工件）之間，工作氣體圍繞着電弧送入，然後從噴嘴噴出。

等離子切割，等離子弧焊接，等離子弧冶煉使用的是這類等離子弧。

③聯合弧:非轉移弧引燃轉移弧並加熱金屬粉末，轉移弧加熱工件使其表面產生熔池。這種情況噴嘴，工件均接在正極。

等離子噴焊採用這種等離子弧。進行等粒子噴塗時，首先在陰極和陽極（噴嘴）之間產生一直流電弧，該電弧把導入的工作氣體加熱電離成高温等離子體，並從噴嘴噴出，形成等離子焰，等離子焰的温度很高，其中心温度可達30000°k，噴嘴出口的温度可達15000～20000°k。焰流速度在噴嘴出口處可達1000～2000m/s，但迅速衰減。粉末由送粉氣送入火焰中被熔化，並由焰流加速得到高於150m/s的速度，噴射到基體材料上形成膜。

等粒子噴塗設備：等離子噴塗設備主要包括：

①噴槍：實際上是一個非轉移弧等離子發生器，是最關鍵的部件，其上集中了整個系統的電，氣，粉，水等。

②電源：用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。

③送粉器：用來貯存噴塗粉末並按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。

④熱交換器：主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達到使噴嘴延壽的目的。

⑤供氣系統：包括工作氣和送粉氣的供給系統。

⑥控制框：用於對水，電、氣、粉的調節和控制。等粒子噴塗工藝：

在等粒子噴塗過程中，影響塗層質量的工藝參數很多，主要有：

①等離子氣體：氣體的選擇原則主要根據是可用性和經濟性，N₂氣便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利於粉末的加熱和熔化，但對於易發生氮化反應的粉末或基體則不可採用。Ar氣電離電位較低，等離子弧穩定且易於引燃，弧焰較短，適於小件或薄件的噴塗，此外Ar氣還有很好的保護作用，但Ar氣的熱焓低，價格昂貴。

氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴塗效率，塗層氣孔率和結合力等。流量過高，則氣體會從等離子射流中帶走有用的熱，並使噴塗粒子的速度升高，減少了噴塗粒子在等離子火焰中的“滯留”時間，導致粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀態，結果是塗層粘接強度、密度和硬度都較差，沉積速率也會顯著降低；相反，則會使電弧電壓值不適當，並大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會引起噴塗材料過熱，造成噴塗材料過度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集，然後以較大球狀沉積到塗層中，形成大的空穴。

②電弧的功率：電弧功率太高，電弧温度升高，更多的氣體將轉變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉變為活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，這可能使一些噴塗材料氣化並引起塗層成分改變，噴塗材料的蒸汽在基體與塗層之間或塗層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。

而電弧功率太低，則得到部分離子氣體和温度較低的等離子火焰，又會引起粒子加熱不足，塗層的粘結強度，硬度和沉積效率較低。

③供粉：供粉速度必須與輸入功率相適應，過大，會出現生粉（未熔化），導致噴塗效率降低；過低，粉末氧化嚴重，並造成基體過熱。

送料位置也會影響塗層結構和噴塗效率，一般來説，粉末必須送至焰心才能使粉末獲得最好的加熱和最高的速度。

④噴塗距離和噴塗角：噴槍到工件的距離影響噴塗粒子和基體撞擊時的速度和温度，塗層的特徵和噴塗材料對噴塗距離很敏感。

噴塗距離過大，粉粒的温度和速度均將下降，結合力、氣孔、噴塗效率都會明顯下降；過小，會使基體温升過高，基體和塗層氧化，影響塗層的結合。在機體温升允許的情況下，噴距適當小些為好。

噴塗角：指的是焰流軸線與被噴塗工件表面之間的角度。該角小於45度時，由於“陰影效應”的影響，塗層結構會惡化形成空穴，導致塗層疏鬆。

⑤噴槍與工件的相對運動速度

噴槍的移動速度應保證塗層平坦，不出線噴塗脊背的痕跡。也就是説，每個行程的寬度之間應充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴塗操作時，一般採用較高的噴槍移動速度，這樣可防止產生局部熱點和表面氧化。

⑥基體温度控制

較理想的噴塗工件是在噴塗前把工件預熱到噴塗過程要達到的温度，然後在噴塗過程中對工件採用噴氣冷卻的措施，使其保持原來的温度。

①相比較氧一乙炔火焰噴塗，等離子焰流温度高，能量束很集中，可以熔化所有一切高硬度、高熔點的粉末，因此可作噴塗用材料範圍廣泛，可以用來製備多種多樣化的塗層。

②由於噴塗粒子的飛行速度可高達200-500m/s，所以得到的塗層平整光滑、緻密度高，而且粉末沉積率很高。

③噴塗過程中基體不帶電、不熔化，基體與噴槍相對移動速度快，使得基體組織不發生變化。不會因為受熱而對基體的形狀和性能造成影響。

④工作氣體為惰性氣體，保護了基體和粉末不會受到氧化，塗層內雜質少。

⑤操作簡單，設備維護成本低，調節性能好 ^[1]  。

在等離子噴塗的基礎上又發展了幾種新的等離子噴塗技術，如：

1.真空等離子噴塗（又叫低壓等離子噴塗）

真空等離子噴塗是在氣氛可控的，4～40Kpa的密封室內進行噴塗的技術。

因為工作氣體等離子化後，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合於對氧化高度敏感的材料。

2.水穩等離子噴塗

前面説的等離子噴塗的工作介質都是氣體，而這種方法的工作介質不是氣而是水，它是一種高功率或高速等離子噴塗的方法，其工作原理是：

噴槍內通入高壓水流，並在槍筒內壁形成渦流，這時，在槍體後部的陰極和槍體前部的旋轉陽極間產生直流電弧，使槍筒內壁表面的一部分蒸發、分解，變成等離子態，產生連續的等離子弧。由於旋轉渦流水的聚束作用，其能量密度提高，燃燒穩定，因此，可噴塗高熔點材料，特別是氧化物陶瓷，噴塗效率非常高

3.氣穩等離子噴塗

氣穩等離子噴塗的原理是由等離子噴槍（等離子弧發生器）產生等離子射流（電弧焰流）。噴槍的電極（陰極）和噴嘴（陽極）分別接整流電源的正、負極，向噴槍供給工作氣體（Ar、N2等），通過高頻火花引燃電弧。電弧將氣體加熱到很高的温度，使氣體電離，在熱收縮效應、自磁收縮效應和機械效應的作用下，電弧被壓縮，產生非轉移性等離子弧。高温等離子氣體從噴嘴噴出後，體積迅速膨脹，形成高温高速等離子射流。送粉氣流推動粉末進入等離子射流後，被迅速加熱到熔融或半熔融狀態，並將等離子射流加速，形成飛翔基材的噴塗離子束，陸續撞擊到經預處理的基材表面，形成塗層。大氣等離子噴塗用氬氣、氮氣、氫氣作為等離子氣。