等離子噴涂與表面工程

（PlasmaSpraying＆SurfaceEngineering）班級：科學12-2學號：14125079姓名：江晨輝時間：2015.4.2001020304目錄等離子體概論等離子噴涂技術等離子噴涂的應用參考文獻等離子體概論11.1定義

等離子體（Plasma）又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體，其運動主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態(tài)。1.2等離子體中的組分電子基態(tài)原子（分子）和激發(fā)態(tài)原子。自由電子：從原子（分子）中釋放出來的，其能量大小由自由電子的移動速度或與此速度相當?shù)臏囟龋▎挝唬篹V）來表征。帶電離子：包括正電荷離子和負電荷離子兩種。光子：是由等離子體中粒子間的相互作用產(chǎn)生。電離是被束縛電子與其束主原子核分離的過程

1.3等離子體的各種性質物質的第四態(tài)等離子體有著許多獨特的物化性質，表現(xiàn)如下：溫度高、粒子動能大。作為帶電粒子的集合體，具有類似金屬的導電性能。等離子體從整體上看是一種導電流體。宏觀電中性：雖然等離子體包含帶電粒子（電子和離子），但在宏觀尺度上，由于正負電荷相當，它處于電中性的平衡狀態(tài)。因此，在一般情況下，等離子體是準電中性的?；瘜W性質活潑，容易發(fā)生化學反應。例如將甲烷與氫氣在閉合容器中混合并使之放電，若保持事宜壁溫，將會在壁上析出一層金剛石薄膜。

CH4+H2——>金剛石薄膜V.發(fā)光特性，可作為光源。例如：日光燈、霓虹燈等。通電等離子體相互作用過程、性質與應用等離子體中的主要作用過程等離子體的性質和應用激發(fā)AB+eAB++e退激

AB+AB+hv（光子）發(fā)光特性（光學應用）離解AB+eA+B+e化學性質（化學應用）電離AB+eAB++2eA++B+2e導電性（電氣應用）電子、離子電場中被加速高速粒子（力學應用）粒子間碰撞產(chǎn)生熱效應，粒子和固體表面的碰撞高溫（熱學應用）1.4等離子體的分類1、按存在分類（1）天然等離子體

宇宙中99%的物質是以等離子體狀態(tài)存在的，如恒星星系、星云，地球附近的閃電、極光、電離層等。如太陽本身就是一個熾熱的等離子體球。（2）人工等離子體如：日光燈、霓虹燈中的放電等離子體。

等離子體炬

氣體激光器及各種氣體放電中的電離氣體霓虹燈星云2、按系統(tǒng)溫度分類（1）高溫等離子體粒子溫度T>108-109K，有足夠的動能相互碰撞，可達到核聚變反應的條件。（2）低溫等離子體①熱等離子體

熱等離子體是稠密氣體在常壓或者高壓下電弧放電或高頻放電而產(chǎn)生的，溫度也在上千乃至數(shù)萬開爾文，可使分子、原子離解、電離、化合等。②冷等離子體

冷離字體的溫度在100-1000K之間，通常是稀薄氣體在低壓下通過激光、射頻或者微博電源輝光放電而產(chǎn)生的。等離子噴涂技術2PlasmaSprayingTechnology等離子噴涂（APS）等離子噴涂是以電弧放電產(chǎn)生等離子體作為高溫熱源，以噴涂粉末材料為主，將噴涂粉末加熱至熔化或熔融狀態(tài)，在等離子射流加速下獲得很高速度，噴射到基材表面形成涂層。工作氣體常為Ar或者N2，再加入5%~10%的H2。中心溫度可達15000℃，可熔化所有金屬，因此目前熱噴涂粉末材料幾乎都可以通過此法制備成涂層。2.1等離子弧噴涂原理、特點及應用1、等離子噴涂的工作原理

利用非轉移型?。ㄓ蓢娮靽姵龊笮纬傻入x子焰）把難熔的金屬或非金屬粉末材料快速熔化，并以極高的速度將其噴散成較細的并具有很大動能的顆粒，當這些顆粒穿過等離子焰流撞擊到工件上時，產(chǎn)生嚴重塑性變形，而后填充到已預先做好的固體工件粗表面上，從而形成一個很薄的具有特殊性能的涂層。等離子噴涂原理圖2、等離子噴涂的特點1）等離子焰流熱量高度集中，可達萬度以上，提供了能使所有材料都能熔化的必要條件。2）等離子焰流氣氛可控，可使還原性氣體和惰性氣體等作為工作氣體，這樣就能比較可靠的保護工件及噴涂材料不受氧化。3）等離子焰流的流速大，粉末顆粒能夠獲得較大的動能。4）涂層平整光滑，可精確控制厚度。2、等離子噴涂的特點5）涂層孔隙率低，結合度高，涂層孔隙率可控制在1%～10%，結合強度可60～70MPa。6）涂層氧化物和雜質含量少，與電鍍、電刷、滲碳、滲氮相比，等離子噴涂層更厚、更硬、更具防腐效果。7）噴涂過程對基體的熱影響小，基體組織不會發(fā)生變化。工件受熱溫度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂。等離子噴涂主要用于制備涂層質量要求高的耐蝕涂層，在機械制造、石油化工、航天航空、交通運輸、能源及電子工業(yè)中得到應用。等離子噴涂是熱噴涂技術最重要的一項工藝技術和方法。2.2等離子弧噴涂設備1）等離子噴涂電源空載電壓≥70V，具有下降或垂降外特征的直流電源均可作為等離子弧噴涂電源。噴涂時采用正極非轉移型等離子弧。2）控制柜是等離子弧噴涂設備的控制中心，主要功能包括各種水、電、氣、粉路以及運動參數(shù)的設置與程序自動控制，系統(tǒng)運行過程監(jiān)控，故障報警燈。等離子噴涂設備組成示意圖3）等離子噴槍是集電路—氣路—粉路—水路于一體的核心裝置。等離子弧噴槍由于多種類型，按功率大小可分為：①輕型或內孔型槍體，其功率多在40kW以下；②標準型槍體，其功率為40～80kW；③高能型槍體，其功率在80～200kW；④超級、水穩(wěn)型槍體，功率在200kW以上。等離子噴槍是等離子弧噴涂的核心裝置，它主要由槍體陰極組件、槍體陽極（噴嘴）組件和絕緣體。除此，還要包括送粉管件、供氣管件、水電纜及其接口件等。

4）送粉器是為噴槍提供噴涂粉末的輸送裝置。5）冷卻裝置

是為噴槍提供充足的冷卻介質，以保證噴槍穩(wěn)定工作的換熱器。6）供氣系統(tǒng)

主要由氣源（如標準氣瓶）、減壓表、氣體流量計和可控氣閥等組成。7）引弧系統(tǒng)

用于引燃等離子電弧的裝置，常用的是高頻引弧方式。2.3

等離子噴涂的分類反應等離子噴涂04可控氣氛等離子噴涂02超音速等離子噴涂05大氣等離子噴涂01液穩(wěn)等離子噴涂032.3等離子噴涂的分類2.3.1大氣等離子噴涂（AirPlasmaSpraying，APS）大氣等離子噴涂是用Ar、N2、H2作為離子氣，經(jīng)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工件表面形成涂層的方法。大氣等離子噴涂主要用于制備金屬陶瓷、金屬和陶瓷涂層。該噴涂粒子速度一般在音速以下，等離子噴涂的涂層質量不僅取決于噴涂設備和噴涂材料的質量，更重要的是取決于所采用的噴涂工藝。合理選擇等離子噴涂工藝是確保涂層質量的重要措施之一。大大氣等離子噴涂設備組成2.3等離子噴涂的分類2.3.2可控氣氛等離子噴涂等離子噴槍置于密封艙室內，由機械手進行操作，將艙室抽至真空狀態(tài)進行噴涂即為真空等離子噴涂(VPS)，艙室為低壓狀態(tài)時稱為低壓真空等離子噴涂(LPPS)，艙室的氣氛也可以為惰性氣氛或其它保護氣氛。由于低壓或氣氛可控，等離子焰流加長，粒子加熱更充分，氧化減少，涂層的質量可以得到明顯改善，并且擴大了熱噴涂在沉積金剛石膜、超導體氧化物涂層方面的應用。2.3等離子噴涂的分類2.3.3液穩(wěn)等離子噴涂液穩(wěn)等離子噴涂采用水、乙醇、甲醇作為穩(wěn)定液體，相應的產(chǎn)生氧化、中性或還原性的等離子體。1）氣穩(wěn)等離子噴涂(非轉移弧)所能提供的溫度通常為8000～14000℃，每千克等離子氣所產(chǎn)生的焓值范圍為1～100MJ/kg。由于產(chǎn)生的等離子弧空腔內壁的熱載荷的限制，提供再高的溫度或更大的熱焓值將非常困難。2）水穩(wěn)等離子噴涂由于其功率大、成本低、噴涂速度快等優(yōu)點已被廣泛采用。水穩(wěn)等離子弧則靠室壁蒸發(fā)而形成的，從而能夠提供更高的溫度及熱焓。

2.3等離子噴涂的分類2.3.4反應等離子噴涂（ReactivePlasmaSpraying）反應等離子噴涂工藝是一種獨特的利用等離子體的化學過程制造復合材料、陶瓷、金屬間化合物等材料的涂層方法，如TiAl、Ti-TiC、Mo-MoSi2、MoSi2-SiC等。1）粉末反應等離子噴涂是以高放熱反應組元為噴涂粉末，在噴涂過程中完成相的合成和涂層沉積。其原理如圖所示。2.3.4反應等離子噴涂2）氣相反應等離子噴涂是在反應器中的氣體被引入高溫等離子射流中后，迅速發(fā)生分解，并使分解的離子處于激活狀態(tài)，與噴涂粉末反應生成理想的產(chǎn)物，沉積到基材表面形成涂層。采用的氣體有甲烷、丙烯、氮氣、氧氣、硅烷或硼烷。已證實用該種方法能合成難熔金屬碳化物、硼化物和氧化物，尺寸0.005-0.5um的微小顆粒的固體薄膜。

2.3等離子噴涂的分類2.3.5超音速等離子噴涂（SupersonicPlasmaSpraying）普通等離子噴涂粒子的飛行速度約200m/s，而超音速等離子噴涂粒子速度可達400-600m/s，甚至更高，從而獲得的涂層更加致密，涂層的內聚強度和結合強度更高，為滿足新一代耐高溫、抗磨損、低摩擦系數(shù)的等離子涂層提供技術支持。1）技術原理超音速等離子噴涂是借助氬氣和氮氣通過Laval噴嘴產(chǎn)生擴展型等離子弧,再利用擴展弧來加熱氣體得到超音速等離子射流同時有效地加溫加熱噴涂粉末。超音速等離子噴涂中通過氣體的旋流穩(wěn)定作用與收縮作用得到穩(wěn)定集聚的高熱焓、超高速等離子體焰流。

2.3.5超音速等離子噴涂2）技術特點超音速等離子弧噴涂功率高,氣流量大,速度極高,具有極高的噴涂效率,而且等離子弧不發(fā)散,熱焓高,使涂層質量明顯優(yōu)于一般等離子噴涂,與爆炸噴涂和超音速火焰噴涂相近,而且非常適用于高熔點陶瓷材料的噴涂。3）技術控制工藝參數(shù)可通過噴涂功率、工作電壓、工作電流、主氣(Ar)、次氣(N2)的壓力和流量、噴涂距離等加以控制。DH-X2超音速等離子噴涂設備等離子噴涂的應用3ApplicationofPlasmaSpraying等離子噴涂的應用離子噴涂技術在耐磨、耐蝕涂層等傳統(tǒng)領域的應用已經(jīng)較為廣泛，從上世紀50年代至今，其應用領域由航空、航天擴展到了鋼鐵工業(yè)、汽車制造、石油化工、紡織機械、船舶等。近年來等離子噴涂技術在高新技術領域如納米涂層材料、梯度功能材料、超導涂層、生物功能涂層等方面的應用研究漸漸受到人們的重視。1耐磨涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用等離子噴涂陶瓷和金屬陶瓷涂層，不僅可以使零部件具有高的硬度，優(yōu)異的耐磨性，而且涂層摩擦系數(shù)小，能耗低，在機械、航空等領域應用廣泛。噴涂材料一般選用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。

減小磨損的另一個途徑是減小相互接觸表面的摩擦系數(shù)。等離子噴涂鋁及鋁合金復合材料涂層，有優(yōu)異的抗粘著磨損能力。同時，由于噴涂工藝的要求，可使涂層結合強度高，孔隙率低，質量優(yōu)異且穩(wěn)定，并且在相同的工況下，摩擦系數(shù)從原來的0.11下降到0.089，顯示出噴鋁涂層在潤滑條件下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬時的摩擦高溫，是目前理想的活塞環(huán)涂層。2耐熱涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用

耐熱涂層多應用于高溫工程，它包括抗高溫氧化、高溫隔熱等，一般采用氧化鋁作為耐熱涂層，廣泛用于航空發(fā)動機。燃氣輪機等高溫工作下零部件的表面，起隔熱作用?，F(xiàn)有的高溫合金(如高溫鎳合金使用的極限溫度為1075℃)和冷卻技術都難以滿足設計要求，解決這一問題的辦法就是在承受高溫的零部件上噴涂熱障涂層，以起到阻止熱的傳遞，防止基體金屬溫度升高或降低基體的受熱溫度等作用。3防腐蝕涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用選擇這類涂層比較復雜，因為零件的服役狀態(tài)、環(huán)境溫度和各種介質對涂層材料都有一定的要求，一般采用鈷基合金、鎳基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質的滲透，合理匹配涂層材料與零件基材的氧化/還原電位，防止電化學腐蝕，常應用于耐化學腐蝕的液體泵等。4電絕緣與導電涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用這類涂層具有一定的特性，按其性質可分為:導電涂層、電氣絕緣涂層和電磁波屏蔽涂層。一般采用氧化鋁陶瓷等作為介電涂層，常用于加熱器管道，烙鐵焊頭等;采用鋁、銅作為導電涂層，常用于電容器、避雷器等。5恢復尺寸涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用這類涂層主要用于修補因磨損或加工超差的零件。對涂層材料的選擇主要取決于零件的使用要求，常用于軸類、盤類等。6間隙控制涂層

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3.1傳統(tǒng)領域的應用氣體壓力驅動的機械效率取決于機器的密封能力，因而要求轉動與靜止零件之間具有非常緊密的配合間隙，常用于壓縮機和渦輪機部件。1納米涂層

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3.2高新領域的應用目前采用真空等離子噴涂制備了納米WC/C0涂層，涂層硬度、韌性和耐磨性較常規(guī)涂層都有較大的改善，40-60N載荷下，納米WC/C0涂層磨損率僅為常規(guī)涂層的1/6。美國康涅狄格州大學等對等離子噴涂納米結構9M系涂層進行了系統(tǒng)的研究，包括納米粉末噴霧干燥團聚重構、等離子噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化、工藝診斷、模擬以及涂層結構與性能的分析，研究表明涂層具有雙態(tài)顯微結構，表現(xiàn)出獨特的優(yōu)異性能。與對應的常規(guī)涂層相比，結合強度增強100%，磨粒磨損抗力提高300%，壓痕開裂抗力、彎曲和杯突試驗表現(xiàn)的剝落抗力要高得多。1納米涂層

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3.2高新領域的應用中國上海硅酸鹽研究所祝迎春等人研究了等離子噴涂過程中納米TiO2的結構變化和粒子注入特性，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2納米顆粒由無定型轉化為銳鈦礦結構和金紅石結構，涂層表現(xiàn)出良好的Li+注入電流和電化學穩(wěn)定性.陳煌等利用大氣等離子噴涂技術在不銹鋼基體上制備了氧化鋯納米涂層，獲得的涂層結構致密，孔隙率約為7%，涂層和基體間的結合強度為45MPa，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)氧化鋯涂層與基體的結合強度。2梯度功能涂層(FGMs)

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3.2高新領域的應用離子噴涂制備梯度功能材料是目前材料學中倍受關注的研究領域之一，其研究范圍主要為梯度功能材料的設計、制備和性能評價3個方面。由于等離子焰流溫度高，特別適用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復合材料涂層，就為功能梯度材料的發(fā)展提供了更廣闊的空間。目前以NiCrAlY作為中間層向金屬上涂覆ZrO2涂層成為大多數(shù)等離子噴涂FGMs結構研究的熱點，已建立起很好的制備工藝。2梯度功能涂層(FGMs)

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3.2高新領域的應用另外，已被研究的其它體系還包括:Cu/W和Cu/B2C、與Al2O3-Cr2O3結合Ni基合金、具有CoCrAlY或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo的TiC、具有YSZ涂層的Ni-20%Cr、Ni/Al2O3、WC/Co等。對YSZ/NiCoCrAlY體系的研究表明，與傳統(tǒng)的雙層材料相比，功能梯度涂層具有更優(yōu)異的性能，得到的FGMs的結合強度為18MPa，雙層涂層僅為9MPa，而FGMs的抗熱循環(huán)壽命是雙層涂層的6倍。SudarshanRangaraj等設計了5種不同成分的YSZ梯度涂層，研究了涂層設計對YSZ涂層性能的影響，結果表明，莫來石(mullite)成分的添加會降低涂層表面裂紋生長驅動力。3超導涂層

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3.2高新領域的應用等離子噴涂弧溫很高，特別適用于噴涂復合氧化物陶瓷，不需要保護氣氛，能夠噴涂具有復雜形狀的超導制件，沉積效率高，容易制備厚膜涂層和大面積涂層。適于等離子噴涂的超導陶瓷涂層材料主要有YBa2Cu3O7-x(YBCO)和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一種典型的超導材料，臨界溫度為94K。等離子噴涂的YBCO涂層由于噴涂過程中材料的氧損失，涂層結構中的孔隙、裂紋和粒子間的不均勻接觸等不均勻性，使涂層并不具有超導特性。只有對涂層在氧氣或空氣氣氛中進行適當?shù)臒崽幚恚雇繉有纬芍旅?、均勻且較穩(wěn)定的晶體結構，才能獲得超導性。3超導涂層

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3.2高新領域的應用YBCO涂層的熱處理條件為920℃x1h，降至400℃再保溫1h。當將Bi2Sr2Cu2CaOy

陶瓷從高溫急冷或淬冷后，它會產(chǎn)生超導態(tài)，這一特性對等離子噴涂具有特別的意義，因為等離子噴涂能使涂層材料獲得高達106℃/s的急冷冷卻速率，只要調整好等離子噴涂條件和工藝參數(shù)，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy

的噴涂態(tài)涂層具有超導特性。4生物功能涂層

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3.2高新領域的應用等離子噴涂技術是制備醫(yī)用生物涂層材料的有效方法。將特定組分的粉末材料經(jīng)高溫熔化后沉積于金屬人工骨植入物表面，形成以韌性金屬為骨架，表面有陶瓷涂層的人工骨與人工關節(jié)，此方法充分發(fā)揮了金屬和陶瓷2類材料的優(yōu)點。國內外對等離子噴涂羥基磷灰石(HA)涂層和鈦涂層的研究報導較多，并成功地應用于臨床試驗。4生物功能涂層

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3.2高新領域的應用羥基磷灰石涂層對生物體無毒，耐體液腐蝕，且對生物體組織有良好的適應性和親和性，耐長期運動過程中的磨損，有足夠的力學性能。鈦質植入體具有較好的化學穩(wěn)定性，并且與組織結合良好，與體液相容。用真空等離子噴涂在不銹鋼牙根和接骨板上噴涂鈦涂層在臨床上已有成功的應用，這些涂層既利用了不銹鋼的強度，又利用了鈦涂層的生物相容性，防止不銹鋼中有毒元素的釋放。上海硅酸鹽研究所在生物涂層材料的研究方面也取得了較好的進展。4生物功能涂層

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3.2高新領域的應用5固體氧化物燃料電池

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3.2高新領域的應用在建設節(jié)約型社會大力開發(fā)新能源的背景下，固體氧化物燃料電池由于其高的能量轉換效率和環(huán)保而受各國所重視。隨著固體氧化物燃料電池堆功率的提高，電池元件的數(shù)量也大大增加，高效率、低成本制備這些元件非常重要。采用一定的工藝，等離子噴涂技術為大規(guī)模制備符合要求的固體氧化物燃料電池的元件或組件提供了可能。5固體氧化物燃料電池

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3.2高新領域的應用(1)通過等離子噴涂工藝的優(yōu)化，在較高的基體溫度下，提高粒子運動速度和降低涂層中的殘余應力是制備致密電解質涂層的技術關鍵。采用新型的粉末材料和送粉方式，等離子噴涂制備致密的納米尺度或者摻雜型的高離子導率的電解質，為降低SOFC的運行溫度至中溫范圍展現(xiàn)良好的前景。(2)在LaMnO3中添加過量的MnO2，在等離子焰流下可抑制LaMnO3分解。在等離子噴涂中降低急冷小液滴直徑對制備多孔陰極有明顯的益處，粒子懸浮液等離子噴涂為獲得多孔陰極涂層開辟了道路。5固體氧化物燃料電池

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3.2高新領域的應用(3)工藝優(yōu)化，選擇新型的粉末材料是等離子噴涂制備多孔陽極涂層的關鍵。(4)采用等離子噴涂制備SOFC功能電池組件可以制備電解質、陰極和陽極涂層厚度均為30~50μm，電池總厚度低于100~120μm，固體氧化物燃料電池的運行溫度降低到800℃下。6