等離子物理氣相沉積設(shè)備研究及發(fā)展現(xiàn)狀

劉剛

摘 要：在表面工程的領(lǐng)域中，非常重要內(nèi)容之一，就是熱涂層技術(shù)，并且已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于許多領(lǐng)域內(nèi)，發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。等離子物理氣象沉積，主要是以低壓等離子噴涂作為基礎(chǔ)，通過快速多相調(diào)控，并且在這個(gè)過程，應(yīng)用相關(guān)的涂層制備技術(shù)，獲得相關(guān)的結(jié)構(gòu)涂層。本文主要針對(duì)等離子物理氣象沉積展開詳細(xì)的研究與分析，以及展望發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：等離子物理氣相沉積;設(shè)備研究;研究現(xiàn)狀

1等離子物理氣相沉積設(shè)備的相關(guān)概述

等離子涂層技術(shù)，最初是為大氣等離子噴涂，主要是將粉末形狀的噴涂材料，通過裝入到高溫等離子的射流中，粉末在不斷高溫的狀態(tài)下，會(huì)將離子射流加熱至熔融狀態(tài)，然后再以凝固的方式，在零件的表面形成一種涂層的工藝方式。物理氣相沉積技術(shù)，主要是在真空的狀態(tài)下，通過相關(guān)物理方法的采用，將材料通過氣化的方式，再通過低壓氣體，可以形成一種涂層的方式，在基體的表面進(jìn)行沉積?；驹碇饕谟谡婵窄h(huán)境下蒸發(fā)，然后在基體表面通過沉積的方式，形成涂層。等離子物理氣象沉積設(shè)備中，主要包括等離子噴槍、送粉器、真空泵以及中央控制器等部件。在噴涂的過程中，主要是在控制器的作用下進(jìn)行控制，等離子噴槍等其他部件，基本都處于超低壓的密閉真空內(nèi)，真空泵以及過濾除塵的系統(tǒng)，保持在連接的狀態(tài)下，并且噴涂時(shí)，會(huì)在一定程度上保持真空度。

2等離子物理氣相沉積設(shè)備介紹

2.1設(shè)備主要構(gòu)造及工作過程

等離子物理氣象沉積設(shè)備的工作環(huán)境，通常是處于一個(gè)真空的密閉罐體內(nèi)，需要針對(duì)噴涂工藝的實(shí)施，提供一個(gè)良好的真空環(huán)境。在罐體的內(nèi)部，一般會(huì)有很多個(gè)工位轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)置，其中包括噴槍、機(jī)械手以及除塵接口等。設(shè)備的組成，同時(shí)還包括控制器、送粉器以及等離子電源、除塵裝置等。設(shè)備的供電及運(yùn)行，是在同一臺(tái)計(jì)算的控制下統(tǒng)一進(jìn)行的。在整個(gè)構(gòu)造中，電源起到非常重要的作用。在等離子進(jìn)行射流的過程中，不僅需要很多的能量，同時(shí)也需要穩(wěn)定電流的輸出與控制。三相交流電，在經(jīng)過降壓后，最后變成可控性好的平滑直流電。噴槍更主要是產(chǎn)生穩(wěn)定等離子射流的部件，主要決定噴層的質(zhì)量。主平臺(tái)包括控制中心以及氣體管理中心。工作時(shí)，將需要噴涂的工件，在工作臺(tái)中進(jìn)行固定，然后將罐體門關(guān)閉。用真空泵進(jìn)行真空的抽離，達(dá)到真空條件之后，送粉器經(jīng)過預(yù)熱后，將噴涂材料輸送進(jìn)入，機(jī)械手完成噴涂工作。噴涂完成后，真空卸載，打開罐體之后，再將工件取出。整個(gè)過程，都是通過控制計(jì)算機(jī)的方式，來進(jìn)行完成的[1]。

2.2研發(fā)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造的關(guān)鍵問題

由于工藝需要在真空壓力下進(jìn)行，因此，針對(duì)設(shè)計(jì)真空罐體的密封，需要引起格外的重視。不僅對(duì)密封性要求極高，同時(shí)在承壓能力方面，也需要達(dá)到可靠的效果，才能為工藝的操作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因?yàn)榈入x子物理氣相沉積技術(shù)，主要是瞬間氣化噴涂的材料，并且形成表面的沉積，這就需要具有功率很大的噴槍，才能夠完成相應(yīng)的操作。通常電流的最大強(qiáng)度，可以達(dá)到3000A，功率也需要有180KW。因此，噴槍與電源，對(duì)于技術(shù)的實(shí)施來說，都是具有非常高的要求。同時(shí)，噴槍在長(zhǎng)時(shí)間的大功率作業(yè)下，使用壽命也成為一項(xiàng)重要的指標(biāo)。噴槍的穩(wěn)定性，會(huì)對(duì)工藝的穩(wěn)定性有著非常直接的影響。目前針對(duì)等離子物理氣象沉積設(shè)備的穩(wěn)定性，以及功率不能滿足操作的問題，還沒有非常好的解決方法，需要不斷的進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的研究。解決大功率的直流電源，是目前需要研究的重要技術(shù)難題。按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的系統(tǒng)水平，還需要不斷地將工藝的參數(shù)，以及研發(fā)能力進(jìn)行逐步的提高，才能完成符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)操作[2]。

3等離子物理氣相沉積設(shè)備的展望

3.1發(fā)展趨勢(shì)

通過前面針對(duì)工藝操作的難點(diǎn)分析，可以發(fā)現(xiàn)，以后研究等離子噴涂設(shè)備時(shí)，需要將電源的控制問題考慮在內(nèi)。不僅需要將電源的功率進(jìn)行大幅度的提高，同時(shí)也要讓電源的體積得到有效的減小，雖然目前來看是非常矛盾的問題，但是隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，相信在未來，可以向高效節(jié)能方面的方向，不斷的努力發(fā)展。將整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的優(yōu)化，也是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于目前等離子物理氣象沉積技術(shù)處于研發(fā)的初級(jí)階段，針對(duì)工藝的可靠性，以及相關(guān)的成本問題，還沒有得到有效的解決。但是通過大量的實(shí)驗(yàn)，以及未來針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際操作，作為研發(fā)的主要基礎(chǔ)，噴涂工藝也會(huì)在工藝的實(shí)施中，逐步發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方面的問題，需要不斷的針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與完善，將工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行充分的提高，才能不斷的適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求。為了在以后，將這種噴涂技術(shù)，應(yīng)用于多方面的復(fù)雜零件中，并且可以大批量的投入生產(chǎn)，可以在保證涂層質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將泵組的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并且將平臺(tái)與機(jī)械手的設(shè)計(jì)，也同步進(jìn)行優(yōu)化，方便在以后的生產(chǎn)中，節(jié)省準(zhǔn)備的時(shí)間，將生產(chǎn)的效率，進(jìn)行大幅度的提升。另外，整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行系統(tǒng)，也需要隨著科技的進(jìn)步，而逐步的進(jìn)行優(yōu)化。由于這方面的優(yōu)化內(nèi)容，包含很多參數(shù)的監(jiān)控，其中就含有壓力控制、送料控制以及電流控制等內(nèi)容。因此，針對(duì)這方面的優(yōu)化，需要在技術(shù)條件成熟的情況下，才能集中的進(jìn)行控制。針對(duì)粉末的穩(wěn)定，以及氣相沉積的快速，也是未來研究的關(guān)鍵內(nèi)容[3]。

3.2應(yīng)用前景

從目前的發(fā)展來看，等離子物理氣象沉積技術(shù)的應(yīng)用，主要是制備涂層，讓相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以及使用壽命，得到一定程度的提升，同時(shí)在航天領(lǐng)域內(nèi)，也有著非常廣闊的應(yīng)用前景。而且從其他的領(lǐng)域來看，還可以應(yīng)用于新型的高溫結(jié)構(gòu)材料中。等離子物理氣相沉積技術(shù)，在未來的應(yīng)用領(lǐng)域，可以用于阻擋層的制備，可以保持致密性更加完好，并且有效的應(yīng)對(duì)環(huán)境的侵蝕作用。隨著探月計(jì)劃的逐步實(shí)施，熱障涂層也會(huì)隨著航天器的使用，而廣泛的應(yīng)用于更多的領(lǐng)域內(nèi)，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可以讓航天器的熱端部件，保持良好性能的同時(shí)，將性能也可以得到大幅度的提升作用[4]。由于等離子物理氣象沉積技術(shù)本身就帶有低成本、高效率、以及隔熱效果超級(jí)高的特點(diǎn)，因此在未來的發(fā)展中，可能會(huì)取代傳統(tǒng)的制備技術(shù)。對(duì)于復(fù)雜零件的制備，需要應(yīng)用高質(zhì)量的涂層，才能將零件的性能得到充分的發(fā)揮，同時(shí)，這也是未來發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。通過大量的實(shí)驗(yàn)，可以證明等離子噴涂技術(shù)的制備，可以讓相關(guān)的零件得到更致密的性能，在承壓方面也有著非常卓越的表現(xiàn)。未來的發(fā)展空間，可能會(huì)將等離子物理氣象沉積技術(shù)，逐步的從高端化，向工業(yè)化不斷的邁進(jìn)，并且應(yīng)用于更多領(lǐng)域內(nèi)，將涂層純度高，以及結(jié)合力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，充分的發(fā)揮與應(yīng)用。

結(jié)論：本文主要針對(duì)等離子物理氣相沉積設(shè)備，進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析，針對(duì)目前發(fā)展的現(xiàn)狀，展開了較為具體的論述，通過對(duì)等離子物理氣相沉積技術(shù)的研究，可以將這項(xiàng)技術(shù)在未來的發(fā)展中，更好的應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)行熱障涂層的制備，不僅可以將零件的致密性得到充分的提高，并且可以將零件的性能得到良好的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇育民， 王偉平， 何箐.等離子物理氣相沉積設(shè)備研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].熱加工工藝， 2018， v.47;No.500（22）：29-34.

[2]鄧春明， 肖娟， 曹家旭，等.等離子噴涂-物理氣相沉積稀土高溫功能涂層研究進(jìn)展[J].材料研究與應(yīng)用， 2019， 013（003）：247-251，256.

[3]鄧子謙， 殷建安， 劉敏，等.等離子噴涂-物理氣相沉積用YSZ粉末制備及涂層表征[J].湘潭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2019， v.41;No.155（06）：56-64.

[4]李榮久、鄧暢光、胡永俊、鄧子謙、毛杰.等離子噴涂-物理氣相沉積熱障涂層的表征技術(shù)研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)， 2020， v.49（11）：133-149.