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 朱  昱，魏金棟，周燕琴，張  宇，李小武，倪紅軍*

 （南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019）

摘要：概述了等離子噴涂的基本原理，并介紹了大氣等離子噴涂、超音速等離子噴涂和低壓等離子噴涂3種常用的等離子噴涂技術(shù)。綜述了該技術(shù)在制備保護(hù)性涂層、功能性涂層以及零件修復(fù)強(qiáng)化方面的應(yīng)用，展望了等離子噴涂技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

 關(guān)鍵詞：等離子噴涂；工藝參數(shù)；涂層

 中圖分類號(hào)：TC174  文章編號(hào)：0253 -4320(2016)06 -0046 -05

 DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 011

 隨著科技進(jìn)步和現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)資源的需求量日益增加，并且對(duì)機(jī)械的性能要求也越來(lái)越高，金屬作為生產(chǎn)、生活等方面不可或缺的材料，不僅資源存量不斷減少，并且其基本性能也已經(jīng)跟不上發(fā)展的需求，迫切需要尋求一種技術(shù)或材料來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)金屬材料的缺點(diǎn)和不足。在這樣的大環(huán)境下，熱噴涂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并得到了迅速的發(fā)展。利用熱噴涂技術(shù)可以在金屬表面制備出具有硬度高、耐磨、耐腐蝕等性能的涂層，金屬基復(fù)合材料保留了金屬的韌性和強(qiáng)度等基本性能，同時(shí)具備以上的優(yōu)越性能，滿足發(fā)展對(duì)機(jī)械使用性能的要求，延長(zhǎng)使用壽命，并且緩解能源緊張的問題。

 熱噴涂技術(shù)( thermal spraying)在20世紀(jì)早期出現(xiàn)，由瑞士的M．U．Schoop博士在1910年最先完成其噴涂裝置，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，形成了火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等不同熱源熱噴涂技術(shù)，在生產(chǎn)制造業(yè)中產(chǎn)生了廣泛的影響。其中等離子噴涂繼火焰噴涂和電弧噴涂后發(fā)展起來(lái)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，已經(jīng)在熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域中占據(jù)了重要的位置。廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)機(jī)械、航空航天、醫(yī)學(xué)和再制造等領(lǐng)域。

1  等離子噴涂技術(shù)的基本原理與工藝參數(shù)

1.1  基本原理

等離子噴涂技術(shù)是采用剛性非轉(zhuǎn)移等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等粉末材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法，其原理如圖1所示。工作氣體在陰極與陽(yáng)極形成的電弧中電離為等離子體，使從粉末口輸送的粉末熔融或者半熔融，隨著等離子流噴射到基體表面，形成涂層。該技術(shù)因其涂層質(zhì)量好、結(jié)合強(qiáng)度高、涂層種類多以及對(duì)基體影響小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1.2等離子噴涂重要工藝參數(shù)

在噴涂過程中采用合理的電弧功率和送粉量、等離子氣體、噴涂距離、角度和與工件相對(duì)速度等參數(shù)對(duì)于涂層質(zhì)量的提高是至關(guān)重要的。

(1)電功率和送粉量。電功率是等離子噴涂最重要的工藝參數(shù)，在噴涂過程中應(yīng)當(dāng)經(jīng)常調(diào)整變動(dòng)，否則電功率過高，使噴涂溫度過高，引起粉料的過熱和氣化，導(dǎo)致熔融和氣化粉料混合附著在基體表面，形成涂層中會(huì)含有過多的氣孔和粉料濺射，從而影響涂層質(zhì)量，出現(xiàn)硬度降低，空隙率過高，甚至開裂的問題，并且可能造成對(duì)噴槍的燒損情況；當(dāng)電功率過低時(shí)，等離子火焰溫度不夠，粉料熔化不充分，液滴附著力降低，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低，并且使噴涂效率低下。其必須與噴涂粉料的種類、送粉量等因素變化相適應(yīng)，如與供粉量適應(yīng)，若供粉相對(duì)過高，同樣會(huì)引起熔化不充分的問題，反之供粉少，則使粉末熔化嚴(yán)重，影響涂層質(zhì)量和造成基體過熱。

 (2)噴涂距離和噴涂角度。噴涂距離以及角度對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度、涂層質(zhì)量和噴涂效率有重要的影響。噴涂距離影響粉料的熔融程度、飛行時(shí)間、速度和溫度，對(duì)涂層質(zhì)量的影響非常大，當(dāng)噴涂距離過大時(shí)，粉末的飛行時(shí)間會(huì)增加，降低噴涂效率，并且引起粉料速度和溫度降低，液滴堆積時(shí)壓力過小、流動(dòng)性降低，導(dǎo)致涂層的結(jié)合力和致密度降低；反之，飛行時(shí)間短、速度快，導(dǎo)致加熱不充分，對(duì)基體的撞擊力大，使涂層結(jié)合強(qiáng)度低，并且可能對(duì)基體造成損壞。噴涂距離的選擇應(yīng)該在不影響涂層質(zhì)量和基體的前提下，盡可能地減小，提高工作效率。噴涂角度影響粉料的沉積效率和涂層結(jié)構(gòu)，一般越接近垂直噴涂，噴涂效果越好，如果噴涂角度偏小，涂層結(jié)構(gòu)惡化，出現(xiàn)空穴：導(dǎo)致孔隙率過高，涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度偏低。

 (3)噴涂速度。噴涂速度指噴槍和工件運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度，決定噴涂一次涂層的厚度，噴涂速度過快，每次噴涂的涂層厚度偏薄，并且涂層之間不能充分搭疊，使涂層表面不平整；反之，則可能使工件局部溫度過高，對(duì)零件造成燒傷。

 (4)噴涂氣體和流量。噴涂氣體包括主氣體和送粉氣體，主氣作用是形成等離子體，影響噴涂火焰溫度和速度，結(jié)合其他參數(shù)，會(huì)影響噴涂效率和涂層致密度、硬度等，應(yīng)選取合適的氣體和流量。而送氣體應(yīng)與主氣體匹配，約為主氣的20%~30%，否則不僅會(huì)影響噴涂質(zhì)量，可能會(huì)造成噴涂設(shè)備的損壞。

2  常用等離子噴涂技術(shù)

 按照形成等離子體的介質(zhì)和環(huán)境氣氛的不同可以分成多種等離子噴涂技術(shù)，目前最常用的等離子噴涂技術(shù)主要有大氣等離子噴涂、超音速等離子噴涂和真空等離子噴涂。

2.1大氣等離子噴涂

 大氣等離子噴涂( atmospheric plasma spraying，APS)出現(xiàn)最早并且應(yīng)用較為普遍，是一種較為常規(guī)的等離子噴涂技術(shù)，該技術(shù)是以A r、N2和H2作為工作介質(zhì)，噴涂過程在大氣環(huán)境下進(jìn)行。其中工藝參數(shù)是影響APS對(duì)零件修復(fù)強(qiáng)化質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此在零件進(jìn)行噴涂前首先要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，約200℃，這樣對(duì)于減少基體與涂層溫差，提高結(jié)合強(qiáng)度等方面具有很好的效果。噴涂電功率和送粉量參數(shù)設(shè)置得不適宜將會(huì)出現(xiàn)破壞粉末的成分或者加熱供粉不足等問題，導(dǎo)致工作效率低、結(jié)合強(qiáng)度低、涂層質(zhì)量差等后果，常用電功率為20～35 kW;噴涂距離一般可以在基體能夠承受的溫度的情況下適當(dāng)縮小，最佳噴涂角度為90，可以降低，但是最低不得低于45；相對(duì)移動(dòng)速度則與涂層每次沉積的厚度有著緊密的關(guān)系，一般情況下在30.5~100 m/min，根據(jù)不同的噴涂材料進(jìn)行選擇。Thirumalai-kumarasamy等在A231B鎂合金表面大氣等離子噴涂制備氧化鋁涂層，研究噴涂參數(shù)對(duì)涂層空隙率的影響，結(jié)果顯示，最佳參數(shù)為22. 27kW、113mm、81 L/min，制備涂層的孔隙率最低為4.44%，其中電功率對(duì)孔隙率的影響最大。劉前等利用大氣等離子噴涂技術(shù)制備Al2O3-40% TiO2陶瓷涂層，研究噴涂電壓、電流、距離和主氣流量對(duì)涂層的孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度和硬度的影響。結(jié)果表明，在最佳參數(shù)為65 V，500 A，90 mm和30 L/min的情況下，制備的涂層孔隙率僅為0.9%，硬度達(dá)到1036HV0.1，結(jié)合強(qiáng)度為37.8 M Pa。

 APS具有噴涂效率高、涂層致密平整、結(jié)合強(qiáng)度好、工藝參數(shù)范圍廣以及工藝可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，主要用于機(jī)械零件的表面防護(hù)與修復(fù)強(qiáng)化。

 韓建軍等利用等離子噴涂技術(shù)制備Fe基非晶涂層對(duì)鍋爐管束進(jìn)行性能改進(jìn)，并通過腐蝕試驗(yàn)測(cè)試涂層耐腐蝕性，結(jié)果表明，在1000 h的鹽霧腐蝕作用下，涂層基本無(wú)腐蝕現(xiàn)象，并且具有較高的腐蝕電位，相對(duì)于基體，耐腐蝕性有顯著的提高。Lu等采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備氧化鋯涂層，表面涂層厚度200~ 400μm，通過熱循環(huán)和熱沖擊的方法研究涂層的抗熱疲勞和抗熱沖擊性能，結(jié)果顯示，在1429個(gè)周期熱循環(huán)下，涂層結(jié)構(gòu)基本無(wú)明顯的開裂和脫落，然而在較薄涂層區(qū)域出現(xiàn)部分脫落現(xiàn)象；之后在承受150個(gè)周期后涂層完全脫落，說(shuō)明增加涂層厚度可以提高其抗熱疲勞和熱沖擊性能。Al -Mutairi等通過大氣等離子噴涂和高超音速燃料噴涂( HVOF)納米級(jí)和微米級(jí)粉末制備了WC-12% Co涂層，研究4組涂層的粗糙度、硬度、黏結(jié)力等性能，結(jié)果顯示，在粗糙度、硬度等方面，2種噴涂方法制備的納米級(jí)材料涂層都優(yōu)于微米級(jí)材料涂層，粗糙度為3.1～4.3μm，硬度為1 367 HV。

 大氣等離子噴涂是最早最普遍的噴涂技術(shù)，因此工藝較為成熟，同時(shí)在在對(duì)人體傷害大、小長(zhǎng)孔無(wú)法噴涂等等離子噴涂普遍存在的問題。

2.2超音速等離子噴涂

 超音速等離子噴涂( supersonic plasma spraying，SPS)是利用超音速等離子射流對(duì)噴涂材料加熱并加速，從而制備出高質(zhì)量涂層的技術(shù)。該技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，工藝與常規(guī)等離子噴涂相同，但工藝參數(shù)有著很大的區(qū)別，主要包括電功率、送粉量、主氣與輔氣流量、噴涂距離，如表1所示。

 歐獻(xiàn)等利用超音速等離子噴涂技術(shù)制備Cr2O3涂層，研究噴涂電流、距離和空氣壓力對(duì)涂層硬度的影響。結(jié)果表明，500 A、200 mm和0.4 M Pa為最佳參數(shù)，制備的涂層品質(zhì)最優(yōu)，硬度達(dá)到2 067 HV0.3。Wang等采用52、54、58、60 kW電功率的SPS分別制備氧化鋁涂層，通過XRD、SEM測(cè)定物相和組織形貌，以及在50 N壓力下保持15 s測(cè)得涂層硬度，研究電功率變化對(duì)涂層組織和性能的影響，結(jié)果表明，隨著功率的增加，涂料顆粒融化更完全，涂層組織氣孔減少，致密度、硬度和抗彎強(qiáng)度有明顯提高，在58 kW時(shí)達(dá)到最優(yōu)，抗彎強(qiáng)度為112.8 M Pa，維氏硬度為2.8 G Pa，但是進(jìn)一步提高電功率，殘余應(yīng)力也隨之增加而導(dǎo)致出現(xiàn)開裂等問題，涂層對(duì)基體的增強(qiáng)趨勢(shì)開始減弱。范文超等利用超音速等離子噴涂技術(shù)制備AI Si -20%  Al/Ni涂層，研究噴涂電壓、電流、距離和主氣流量對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，130 V、380 A、90 mm和3.2m3/h為最佳參數(shù)，制備的涂層具有較好的致密度，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到65.5 M Pa。

 相比其他等離子噴涂，SPS具有高溫、高速的優(yōu)勢(shì)，拓寬了可噴涂材料范圍，并且加熱時(shí)間短、粒子速度快，降低了對(duì)噴涂材料的氧化和燒傷等影響，并且使涂層更加致密，結(jié)合強(qiáng)度等性能有明顯的改善，常用于噴涂高熔點(diǎn)材料、陶瓷和金屬陶瓷。  Fu等通過包埋滲法和超音速等離子噴涂技術(shù)制備SiC/Si -Mo -Cr/MoSi2和SiC/Si -Mo -Cr涂層，并在1337 K大氣中放置200 h測(cè)試其抗氧化性和在溫度為1 873 K、風(fēng)速為200 m/s的風(fēng)洞中測(cè)試耐腐蝕性，結(jié)果顯示，涂層對(duì)C/C復(fù)合材料基體的抗氧化和耐腐蝕性有明顯的提高，并且在添加MoSi，后的涂層抗氧性提高了2.3倍，耐腐蝕性提高了1.3倍。牛永輝等通過超音速等離子噴涂技術(shù)在CrZrCu基體表面制備2rO2 -MoSi2/CoNiCrA-1Y復(fù)合涂層，研究該涂層與NiCo電鍍層的耐磨性差異，通過磨損試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，該涂層耐磨性是NiCo電鍍層的5倍，并且涂層組織致密，孔隙率較低。王東生等通過等離子噴涂和激光熔覆2種技術(shù)分別制備常規(guī)陶瓷涂層和納米結(jié)構(gòu)涂層，對(duì)4組涂層進(jìn)行熱障性能對(duì)比，結(jié)果表明，相同條件下，等離子噴涂制備納米結(jié)構(gòu)涂層的隔熱性能優(yōu)于其他3組涂層，在1100℃時(shí)，350μm厚的等離子納米結(jié)構(gòu)涂層隔熱溫度達(dá)到113℃，隔熱性能良好，有效降低了零件的溫度。

  超音速等離子噴涂技術(shù)集合了常規(guī)等離子噴涂高溫和超音速火焰噴涂高速的特點(diǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，但是由于涂料加熱時(shí)間過短，因此對(duì)于涂料顆粒的粒度要求較高，需要較細(xì)的粉末，另外超音速的情況下帶來(lái)噪聲和能耗比普通等離子噴涂更大的缺點(diǎn)，提高了涂層生產(chǎn)成本，因此需要加大研究力度，進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)。

2.3低壓等離子噴涂

低壓等離子噴涂(low pressure prasma spraying，LPPS)又稱真空等離子噴涂，是指在氣氛可控的低壓密封的情況下進(jìn)行的噴涂技術(shù)，應(yīng)用于20世紀(jì)70年代。LPPS與普通等離子噴涂原理等方面基本一致，主要區(qū)別是工作氣氛是低壓環(huán)境，致使在藝參數(shù)方面也有所不同，主要是為了適應(yīng)在低真空條件工作，工作壓力一般為4~ 40kPa，在不同壓力環(huán)境下需要采用不同的工藝參數(shù)，一般壓力越低，粒子的速度越快，因此可以適當(dāng)增加噴涂的距離，使噴涂材料能夠更充分地融化，如6.5 GPa時(shí)噴涂距離為300~ 350 mm。楊焜等測(cè)試低壓等離子噴涂在不同壓力[6.7、13.3、26.7、40 kPa等和大氣壓(101.3 kPa)]下的制備涂層的性能，研究壓力對(duì)該技術(shù)的影響，結(jié)果顯示，隨著壓力的降低，噴涂沉積物中的氣孔減少，結(jié)合強(qiáng)度更高，噴涂距離增加，表面精度等級(jí)提高，在6.7  kPa時(shí)，幾乎無(wú)氣孔，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到55 M Pa。

 該技術(shù)彌補(bǔ)了常規(guī)等離子噴涂等離子流不穩(wěn)定、不能噴涂有毒和無(wú)法暴露在大氣中的材料的局限性，并且噴涂真空氣氛可控，因此對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)突破具有顯著的促進(jìn)作用。

 黃平等在一段股骨上采用等離子噴涂納米氧化鈦涂層并在兔左右股骨髁分別植入有涂層與無(wú)涂層2種股骨，在經(jīng)過4、8、12、24周后取出，進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果顯示，無(wú)涂層組不具有統(tǒng)計(jì)意義，而中長(zhǎng)期對(duì)比中，氧化鈦涂層的剪切強(qiáng)度不斷增大，在12周達(dá)到最大，表明隨時(shí)間推移，有涂層骨顯示了牢固的骨面結(jié)合力，更具有生物穩(wěn)定性。易德亮等對(duì)真空和大氣等離子噴涂制備鎂黃長(zhǎng)石陶瓷涂層穩(wěn)定性進(jìn)行比較，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，APS制備涂層中含有大量無(wú)定形相，該相溶解度高，因此SBF溶液中容易形成富硅層，使涂層脆性大，產(chǎn)生斷裂，而VPS制備涂層結(jié)晶度高，不會(huì)產(chǎn)生上述狀況，化學(xué)穩(wěn)定性較高，并且細(xì)胞在VPS涂層上有較快的增殖，因此，VPS制備鎂黃長(zhǎng)石陶瓷涂層是一種良好的骨科涂層。黃利平等利用真空等離子噴涂制備摻鉭HA涂層，在模擬體液中浸泡，研究該涂層的結(jié)合強(qiáng)度較HA涂層的變化，結(jié)果顯示，摻Ta后的涂層結(jié)構(gòu)更為致密，并且Ta降低了涂層的膨脹系數(shù)，使其能夠更好地與Ti合金基材匹配，因此Ta使涂層的結(jié)合強(qiáng)度有明顯的提高，結(jié)合強(qiáng)度為37.2 M Pa．是HA涂層的1.9倍。

低壓等離子噴涂因其工作氣氛的獨(dú)特性，而被應(yīng)用于其他噴涂技術(shù)不能加工的空白領(lǐng)域，并且因不接觸大氣而避免了涂料被氧化和成分變化的缺點(diǎn)，但是同時(shí)因?yàn)槠涞驼婵盏臍夥仗攸c(diǎn)，使其噴涂受低壓室大小限制，因此加工零件的大小和形狀受限，并且投資相對(duì)較大，因而主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域。

3  總結(jié)

等離子噴涂技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展，已經(jīng)逐步走向成熟，新型功能材料和裝備也在不斷發(fā)展更新，然而目前等離子技術(shù)以下方面還需要研究和改進(jìn)。

 (1)實(shí)現(xiàn)綠色制造。生產(chǎn)制造利用等離子技術(shù)進(jìn)行涂層的制備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高分貝的噪音以及刺眼的強(qiáng)光，對(duì)生產(chǎn)工人造成嚴(yán)重的聽力和視力的損傷，需要通過裝備等方面的改進(jìn)來(lái)彌補(bǔ)這方面的缺陷，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)來(lái)降低其危害。

 (2)制備更高品質(zhì)的涂層，不斷改進(jìn)涂層配方

以及研究最佳的噴涂參數(shù)，提高涂層在傳統(tǒng)保護(hù)功能方面的性能，開發(fā)具有更多特殊功能的涂層，滿足社會(huì)和生產(chǎn)的需求。

 (3)加深涂層形成的耦合機(jī)理的認(rèn)知，研究噴涂過程中涂層的形成過程沉積物和物相的變化過程和規(guī)律，能夠有效控制其變化，增大有利于涂層性能提高的物相比例，從而得到更加優(yōu)越的涂層。

 (4)結(jié)合現(xiàn)代科技及其他表面工程技術(shù)，如采用計(jì)算機(jī)控制噴涂過程、噴涂技術(shù)與SHS技術(shù)的結(jié)合等，提高等離子噴涂效率、涂層質(zhì)量，將等離子技術(shù)推向?qū)�業(yè)化、高效化、產(chǎn)業(yè)化。