影響等離子噴涂的因素解析

張益強 范文超 閆新亮

總裝駐晉中地區(qū)軍代室

引入高新技術(shù)是高新工程實現(xiàn)實際效果所不可或缺的途徑，熱噴涂技術(shù)便是這樣一種高新技術(shù)，它利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法，形成一個特殊的工作表面，使其達到：防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、防微波輻射等一系多種功能。根據(jù)熱源的不同，熱噴涂可以分為等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂等。本文詳細(xì)介紹了等離子噴涂的概念、特點、影響因素。

一、等離子噴涂的概念

等離子體是物質(zhì)的第四種形態(tài)，自然界的物質(zhì)除了固、液、氣三種形態(tài)外，還存在第四種形態(tài)，既等離子體。在物理學(xué)中把電離度大于0.1%的氣體稱為等離子體。等離子焰流的最大特點就是具有非常高的溫度和能量密度。等離子焰流的中心溫度最高達32000K，噴嘴出口處中心溫度仍達20000K。

等離子噴涂是以等離子體作為熱源將涂層材料熔化制備涂層的工藝。等離子噴涂過程主要是將熔融態(tài)或是經(jīng)加熱軟化的材料噴射到零件表面以形成涂層的過程。噴涂材料以粉末的形式被注入高溫等離子體焰流中，并被迅速加熱提速。等離子噴涂過程中，粒子的速度可為亞音速，甚至超音速。噴涂材料被加熱熔融并不斷高速噴射到基體表面堆疊，迅速冷卻后形成涂層。由于等離子噴涂中的高速等離子氣體及噴涂粒子，整個加熱，熔化及凝固過程在幾千分之一秒就可以完成。在噴涂過程中基體受熱溫度低，不會超過150oC，從而不會使基體性能發(fā)生變化，并且工件變形小，因此等離子噴涂也被稱為“冷工藝”。

二、等離子噴涂的特點

1.基體受熱小、零件不變形，不改變熱處理狀態(tài)。由于噴涂時零件不帶電，基體金屬不熔化，所以盡管等離子焰流的溫度較高，但能量非常集中，等離子弧的軸向溫度梯度很大，一般零件溫升不超過200oC，零件不會發(fā)生變形，這對于修復(fù)薄壁件、細(xì)長桿以及一些精密零件十分有利。由于在200oC以下基體金屬的熱處理性質(zhì)不會發(fā)生變化，可以對一些高強度鋼材實施噴涂。

2.能夠噴涂的材料廣泛，涂層的種類多。由于等離子焰流的溫度高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂使用的材料非常廣泛，從而也可以得到多種性能的噴涂層，如耐磨層、隔熱涂層、抗高溫氧化涂層、絕緣涂層等等。就涂層的廣泛性來說，氧乙炔焰噴涂、電弧噴涂和爆炸噴涂都不及等離子噴涂。

3.工藝穩(wěn)定，涂層質(zhì)量高。等離子噴涂的各工藝參數(shù)都可定量控制，工藝穩(wěn)定，涂層再現(xiàn)性好。在等離子噴涂中，熔融狀態(tài)粒子的飛行速度可達180m/s—480m/s甚至更高，遠比氧乙炔焰粉末噴涂時的粒子飛行速度（45m/s—120m/s）高。熔融微粒在和零件碰撞時變形充分，涂層致密，與基體的結(jié)合強度高。等離子噴涂涂層與基體金屬的法向結(jié)合強度通常為30MPa—70MPa，而氧乙炔焰噴涂一般為5MPa—20MPa。由于等離子噴涂時可以通過改換氣體來控制氣氛，涂層中的氧含量或氮含量可以大大減少。

三、等離子噴涂的工藝

等離子設(shè)備多種多樣，工藝參數(shù)千變?nèi)f化，但基本工序、流程是一樣的，首先必須把涂層材料熔化、霧化，然后以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層。各種工藝的工序流程基本包括基體的準(zhǔn)備和制備、基體的預(yù)處理、噴涂操作、涂層后處理等步驟。如上圖所示。

四、影響等離子噴涂的因素

1.表面預(yù)處理

為了提高涂層和基體間的結(jié)合強度，要求工件表面潔凈、粗糙，因此對工件表面進行預(yù)處理是一個十分重要的環(huán)節(jié)，它往往關(guān)系到整個工藝過程的成敗，必須引起高度重視。表面清洗與預(yù)處理加工又稱表面前處理，是用機械、物理或化學(xué)的方法改善基體表面狀態(tài)，為熱噴涂提供良好的基礎(chǔ)表面。表面預(yù)處理過程主要包括表面凈化處理、表面預(yù)加工、表面粗化處理和非噴涂表面的保護。

凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油脂、油漆及其它污物，關(guān)鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。凈化處理的方法有:溶劑清潔法，蒸汽清潔法，堿洗法及加熱脫脂法等。正確的表面粗化處理能起到以下作用：

（1）實現(xiàn)“拋錨效應(yīng)”，即使涂層中變形的扁平狀粒子互相交錯，形成連鎖的疊層。

（2）增大涂層與基材結(jié)合的面積。

（3）改善涂層的殘余應(yīng)力，使涂層產(chǎn)生壓應(yīng)力，減少涂層的宏觀殘余應(yīng)力，使涂層和基體產(chǎn)生更強的結(jié)合。

（4）進一步凈化表面，并起到使表面活化的作用。

2.預(yù)熱

預(yù)熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結(jié)合強度，減少因基體與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導(dǎo)致的涂層開裂。預(yù)熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)，以及基體和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，一般情況下預(yù)熱溫度控制在60oC-120oC之間，過高可能會引起基體表面的氧化而影響涂層的粘結(jié)強度。

3.送粉量及電功率

送粉量及電功率這兩個工藝參數(shù)是噴涂過程中最主要的參數(shù)，又是需要經(jīng)常變動的參數(shù)，而且這兩個參數(shù)是互相聯(lián)系的。在確定這兩個工藝參數(shù)時，重點是保證兩者的恰當(dāng)匹配。送粉量和電功率恰當(dāng)匹配指的是對于有一定牌號、一定粒度組成的粉末，在不同的送粉量下，應(yīng)當(dāng)施加不同的電功率，通過調(diào)整氫氣流量來保證所需的工作電壓和射流的熱焓，通過調(diào)整電流的大小調(diào)節(jié)輸入功率。當(dāng)送粉量不變時，電功率過小，則粉末熔化不良，涂層中夾雜的生粉多，粉末撞擊工件時變形不充分，并有較多的粉末彈跳損失，沉積效率低，涂層質(zhì)量下降。若電功率過大，雖然粉末的熔化和撞擊變形良好，但是粉末受熱氧化燒蝕嚴(yán)重，涂層中夾雜較多煙塵，熔化粒子飛濺嚴(yán)重，同樣會使沉積效率降低，涂層質(zhì)量下降。因此，對于一定牌號、一定粒度的粉末，送粉量的大小和電功率值要相適應(yīng)。生產(chǎn)中確定送粉量和電功率最佳匹配的方法是采用噴涂沉積效率實驗，一般取沉積效率曲線中最高點處的電功率值為最佳值。

4.噴涂距離

粉末在等離子焰流中加熱和加速都需要一段時間，因此應(yīng)有一個合適的噴涂距離，噴涂距離過近，會因粉末加熱不良，撞擊變形不充分而影響涂層質(zhì)量，還會使零件受等離子焰流的影響而嚴(yán)重氧化，同時也會使基體溫升過高，造成熱變形。噴涂距離過遠又會使已經(jīng)加入到熔融狀態(tài)的粉末在與零件接觸時溫度下降，飛行速度也開始降低，同樣影響涂層質(zhì)量，噴涂效率明顯降低。

5.主氣、輔氣及送粉氣流量

通入噴槍用于壓縮電弧并發(fā)生電離的氣體稱為主氣，等離子噴涂常用Ar氣等作為主氣，為了提高等離子弧的熱焓常在離子氣中加入N2、H2，稱之為輔氣或次氣，用于帶動粉末的氣體稱為送粉氣。主氣的流量，是重要的工藝參數(shù)之一，它直接影響到等離子焰流的熱焓和流速，繼而影響噴涂效率和涂層孔隙率等，氣流量過大或過小均會導(dǎo)致噴涂效率的降低和涂層孔隙率的增加。氣流量過大，粒子濃度減少，過量的氣體會冷卻等離子的焰流，使熱焓和溫度下降，不利于粉末的加熱，粉末熔化不均勻，使噴涂效率降低，涂層組織疏松，孔隙率增加；氣流量太小，會使噴槍工作電壓下降，使焰流軟弱無力，并容易引起噴嘴燒蝕。送粉氣的流量對涂層質(zhì)量的影響也很大，對外送粉噴槍而言送粉氣對涂層質(zhì)量的影響尤其重要，送粉氣流量過小會使粉末難以到達焰流中心，過大則會使粉末穿過射流中心，產(chǎn)生嚴(yán)重的“邊界效應(yīng)”，致使涂層疏松，結(jié)合強度降低。

6.噴槍移動速度

噴槍移動速度對涂層質(zhì)量和噴涂效率的影響在一定范圍內(nèi)不明顯。在一定送粉量下噴槍移動速度或噴槍與工件的相對速度的快與慢，影響著單位時間內(nèi)，噴槍掃過工件面積的多少或每次噴涂層的厚度，所以調(diào)節(jié)噴槍的移動速度實際上是控制每次噴涂層的厚度。每次噴涂的厚度不宜太厚，一般情況下，每次噴涂的涂層厚度不要超過0.1mm，對于要求噴涂后的涂層的零件，也應(yīng)以兩次或多次噴成為好。此外噴槍移動速度對工件的溫升也有影響。為不使基體局部溫升過高而造成熱變形或熱應(yīng)力過大，也希望在保證覆蓋的前提下，選用較快的噴槍移動速度。

五、結(jié)束語

熱噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護工藝在近20多年里發(fā)展迅速，已經(jīng)由早期制備一般的裝飾性和防護性涂層發(fā)展到制備各種功能性涂層。等離子噴涂以其諸多優(yōu)點得到廣泛的運用。等離子噴涂技術(shù)的引入對于高新工程具有巨大意義。本文通過對等離子噴涂的介紹，希望對實際操作中獲得良好的涂層提供參考。