1、等离子喷涂与表面工程等离子喷涂与表面工程 （） 01 02 03 04 目录 等离子体概论 等离子喷涂技术 等离子喷涂的应用参考文献 等离子体概论等离子体概论 3 “ ” 1.1定义 等离子体（Plasma）又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。 4 1.2 等离子体中的组分等离子体中的组分 ?电子基态原子（分子）和激发态原子。 ?自由电子：从原子（分子）中释放出来的，其能量大小由自由电子的
2、移动速度或与此速度相当的温度（单位：eV）来表征。 ?带电离子：包括正电荷离子和负电荷离子两种。 ?光子：是由等离子体中粒子间的相互作用产生。 5 电离是被束缚电子与其束主原子核分离的过程 6 1.3 等离子体的各种性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物化性质，表现如下： I. I. 温度高、粒子动能大。 II. 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。 等离子体从整体上看是一种导电流体。 III.III.宏观电中性： 虽然等离子体包含带电粒子（电子和离子），但在宏观尺度上，由于正负电荷相当，它处于电中性的平衡状态。因此，在一般情况下，等离子体是准电中性的。 IV.IV.化学性质活泼
3、，容易发生化学反应。例如将甲烷与氢气在闭合容器中混合并使之放电，若保持事宜壁温，将会在壁上析出一层金刚石薄膜。 CH4+H2金刚石薄膜 V. 发光特性，可作为光源。 例如：日光灯、霓虹灯等。 通电 7 等离子体相互作用过程、性质与应用 等离子体中的主要作用过程 等离子体的性质和应用 激发 AB + e AB+ + e 退激 AB+ AB+hv（光子） 发光特性（光学应用） 离解 AB + e A + B +e 化学性质（化学应用） 电离 AB + e AB+ + 2e A+ +B +2e 导电性（电气应用） 电子、离子电场中被加速 高速粒子（力学应用） 粒子间碰撞产生热效应，粒子和固体表面的碰
4、撞 高温（热学应用） 8 1、按存在分类、按存在分类 （1）天然等离子体 宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如恒星星系、星云， 地球附近的闪电、极光、电离层等。如太阳本身就是一个炽热的等离子体球。 （2）人工等离子体 如：日光灯、霓虹灯中的放电等离子体。 等离子体炬 气体激光器及各种气体放电中的电离气体 霓虹灯 星 云 9 2、按系统温度分类、按系统温度分类 （1）高温等离子体 粒子温度T108-109K，有足够的动能相互碰撞，可达到核聚变反应的条件。 （2）低温等离子体 热等离子体 热等离子体是稠密气体在常压或者高压下电弧放电或高频放电而产生的，温度也在上千乃至数万开尔文，可使分子、
5、原子离解、电离、化合等。 冷等离子体 冷离字体的温度在100-1000K之间，通常是稀薄气体在低压下通过激光、射频或者微博电源辉光放电而产生的。 10 等离子喷涂技术 Plasma Spraying Technology 11 等离子喷涂（APS） 等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表面形成涂层。 工作气体常为Ar或者N2，再加入5%10%的H2。 中心温度可达 15000，可熔化所有金属，因此目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层。 12 1 1、等离子喷涂的工作原理、等离子喷
6、涂的工作原理 利用非转移型弧（由喷嘴喷出后形成等离子焰）把难熔的金属或非金属粉末材料快速熔化，并以极高的速度将其喷散成较细的并具有很大动能的颗粒，当这些颗粒穿过等离子焰流撞击到工件上时，产生严重塑性变形，而后填充到已预先做好的固体工件粗表面上，从而形成一个很薄的具有特殊性能的涂层。 等离子喷涂原理图 13 2、等离子喷涂的特点 ?1）等离子焰流热量高度集中，可达万度以上，提供了能使所有材料都能熔化的必要条件。 ?2）等离子焰流气氛可控，可使还原性气体和惰性气体等作为工作气体，这样就能比较可靠的保护工件及喷涂材料不受氧化。 ?3）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能。 ?4）涂层平整光
7、滑，可精确控制厚度。 14 2 2、等离子喷涂的特点、等离子喷涂的特点 ?5）涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制 在1%10%，结合强度可6070MPa。 ?6）涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、 渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。 ?7）喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。工件受热温度可控制低于250，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。 等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层，在机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源及电子工业中得到应用。等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法。 15 2.2 等离子弧喷涂设
8、备 16 空载电压70V，具有下降或垂降外特征的直流电源均可作为等离子弧喷涂电源。喷涂时采用正极非转移型等离子弧。 是等离子弧喷涂设备的控制中心，主要功能包括各种水、电、气、粉路以及运动参数的设置与程序自动控制，系统运行过程监控，故障报警灯。 等离子喷涂设备组成示意图 17 是集电路是集电路气路气路粉路粉路水路于一体的核心装置。等离子弧喷枪由于多种类水路于一体的核心装置。等离子弧喷枪由于多种类型，按功率大小可分为：轻型或内孔型枪体，其功率多在40kW以下；标准型枪体，其功率为4080kW；高能型枪体，其功率在80200kW；超级、水稳型枪体，功率在200kW以上。 18 等离子喷枪是等离子弧喷
9、涂的核心装置，它主要由枪体阴极组件、枪体阳极（喷嘴）组件和绝缘体。除此，还要包括送粉管件、供气管件、水电缆及其接口件等。要包括送粉管件、供气管件、水电缆及其接口件等。 19 是为喷枪提供喷涂粉末的输送装置。 是为喷枪提供充足的冷却介质，以保证喷枪稳定工作的换热器。 主要由气源（如标准气瓶）、减压表、气体流量计和可控气阀等组成。 用于引燃等离子电弧的装置，常用的是高频引弧方式。 20 2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类 反应等离子 喷涂 04 可控气氛 等离子喷涂 02 超音速等 离子喷涂 05 大气等离 子喷涂 01 液稳 等离子喷涂 03 21 2.3 2.3 等离子喷涂的分类
10、等离子喷涂的分类 2.3.1大气等离子喷涂（Air Plasma Spraying，APS） ?大气等离子喷涂是用 Ar、N2、H2作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层的方法。 ?大气等离子喷涂主要用于制备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。该喷涂粒子速度一般在音速以下，等离子喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料的质量，更重要的是取决于所采用的喷涂工艺。合理选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的重要措施之一。 22 大大 大气等离子喷涂设备组成大气等离子喷涂设备组成 23 2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类 2.3.2 可控气氛等离子喷涂 ?
11、等离子喷枪置于密封舱室内，由机械手进行操作，将舱室抽至真空状态进行喷涂即为 真空等离子喷涂 (VPS) ，舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂 (LPPS) ，舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气氛。 ?由于低压或气氛可控，等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量可以得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。 24 2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类 2.3.3 液稳等离子喷涂液稳等离子喷涂 液稳等离子喷涂采用水、乙醇、甲醇作为稳定液体，相应的产生氧化、中性或还原性的等离子体。 ?1）气稳等离子喷涂( 非转移弧) 所能提供的温度通常
12、为8000 14000，每千克等离子气所产生的焓值范围为1 100MJ/kg。由于产生的等离子弧空腔内壁的热载荷的限制，提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。 ?2）水稳等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度快等优点已被广泛采用。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，从而能够提供更高的温度及热焓。 25 2.3 等离子喷涂的分类 2.3.4 反应等离子喷涂（Reactive Plasma Spraying） 反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体的化学过程制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料的涂层方法，如 TiAl、Ti-TiC、Mo-MoSi2、MoSi2-SiC等。 ?1）粉末反应等
13、离子喷涂 是以高放热反应组元为喷涂粉末，在喷涂过程中完成相的合成和涂层沉积。其原理如图所示。 26 2.3.4 2.3.4 反应等离子喷涂反应等离子喷涂 ?2）气相反应等离子喷涂 是在反应器中的气体被引入高温等离子射流中后，迅速发生分解，并使分解的离子处于激活状态，与喷涂粉末反应生成理想的产物，沉积到基材表面形成涂层。采用的气体有甲烷、丙烯、氮气、氧气、硅烷或硼烷。 已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物、硼化物和氧化物，尺寸0.005-0.5um的微小颗粒的固体薄膜。 27 2.3 等离子喷涂的分类 2.3.5 超音速等离子喷涂（Supersonic Plasma Spraying） 普通等离
14、子喷涂粒子的飞行速度约 200m/s，而超音速等离子喷涂粒子速度可达 400-600m/s，甚至更高，从而获得的涂层更加致密，涂层的内聚强度和结合强度更高， 为满足新一代耐高温、抗磨损、低摩擦系数的等离子涂层提供技术支持。 ?1）技术原理 超音速等离子喷涂是借助氩气和氮气通过Laval喷嘴产生扩展型等离子弧,再利用扩展弧来加热气体得到超音速等离子射流同时有效地加温加热喷涂粉末。超音速等离子喷涂中通过气体的旋流稳定作用与收缩作用得到稳定集聚的高热焓、超高速等离子体焰流。 28 2.3.5 超音速等离子喷涂 ?2）技术特点 超音速等离子弧喷涂功率高 ,气流量大,速度极高,具有极高的喷涂效率 ,而且
15、等离子弧不发散 ,热焓高,使涂层质量明显优于一般等离子喷涂,与爆炸喷涂和超音速火焰喷涂相近 ,而且非常适用于高熔点陶瓷材料的喷涂。 ?3）技术控制 工艺参数可通过喷涂功率、工作电压、工作电流、主气(Ar)、次气(N2)的压力和流量、喷涂距离等加以控制。 29 DH-X2 DH-X2超音速等离子喷涂设备超音速等离子喷涂设备 30 等离子喷涂的应用 Application of Plasma Spraying 31 离子喷涂技术在耐磨、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪 50年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等。近年来等离子喷涂技术在高
16、新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。 32 1 耐磨涂层 Part 3.1 传统领域的应用传统领域的应用 等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层，不仅可以使零部件具有高的硬度，优异的耐磨性，而且涂层摩擦系数小，能耗低，在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用 Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。 减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。 等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层，有优异的抗粘着磨损能力。同时，由于喷涂工艺的要求，可使涂层结合强度高，孔隙率低，质量优异且稳定，并且在相同的工况下，摩擦系数从原来的 0.11下降到 0
17、.089，显示出喷铝涂层在润滑条件下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬时的摩擦高温，是目前理想的活塞环涂层。33 2 耐热涂层 Part 3.1 传统领域的应用 耐热涂层多应用于高温工程 ，它包括抗高温氧化、高温隔热等，一般采用氧化铝作为耐热涂层，广泛用于航空发动机。燃气轮机等高温工作下零部件的表面，起隔热作用。现有的高温合金( 如高温镍合金使用的极限温度为1075) 和冷却技术都难以满足设计要求，解决这一问题的办法就是在承受高温的零部件上喷涂热障涂层，以起到阻止热的传递，防止基体金属温度升高或降低基体的受热温度等作用。 34 3 防腐蚀涂层 Part 3.1 传统领域的应用 选择这类涂层比较复
18、杂，因为零件的服役状态、环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求，一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料，通过提高涂层的致密性，堵住腐蚀介质的渗透，合理匹配涂层材料与零件基材的氧化 /还原电位，防止电化学腐蚀，常应用于耐化学腐蚀的液体泵等。 35 4 电绝缘与导电涂层 Part 3.1 传统领域的应用 这类涂层具有一定的特性，按其性质可分为 : 导电涂层、电气绝缘涂层和电磁波屏蔽涂层。一般采用氧化铝陶瓷等作为介电涂层，常用于加热器管道，烙铁焊头等 ;采用铝、铜作为导电涂层，常用于电容器、避雷器等。 36 5 恢复尺寸涂层 Part 3.1 传统领域的应用 这类涂层主要用于修补因
19、磨损或加工超差的零件。对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求，常用于轴类、盘类等。 37 6 间隙控制涂层 Part 3.1 传统领域的应用 气体压力驱动的机械效率取决于机器的密封能力，因而要求转动与静止零件之间具有非常紧密的配合间隙，常用于压缩机和涡轮机部件。 38 1 纳米涂层 Part 3.2 高新领域的应用 目前采用真空等离子喷涂制备了纳米 WC/C0涂层，涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善， 40-60N载荷下，纳米WC/C0涂层磨损率仅为常规涂层的 1/6。美国康涅狄格州大学等对等离子喷涂纳米结构 9M系涂层进行了系统的研究，包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工
20、艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，研究表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比，结合强度增强100%，磨粒磨损抗力提高 300%，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。 39 1 纳米涂层 Part 3.2 高新领域的应用 中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2的结构变化和粒子注入特性，研究发现， TiO2纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构，涂层表现出良好的 Li+注入电流和电化学稳定性.陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层，获得的涂层结构致密，孔隙率约为7%，涂层和基体间
21、的结合强度为45MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。 40 2 梯度功能涂层( FGMs) Part 3.2 高新领域的应用 离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和性能评价 3个方面。由于等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层，就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以 NiCrAlY作为中间层向金属上涂覆 ZrO2涂层成为大多数等离子喷涂 FGMs结构研究的热点，已建立起很好的制备工艺。 41 2 梯度功能涂层( FGMs) Part 3.2 高新领域的应用 另外，已被研究的其它体系还包
22、括: Cu/W和 Cu/B2C、与Al2O3-Cr2O3结合Ni基合金、具有 CoCrAlY 或 NiCoCrAlY的 ZrO2、具有 Mo 的TiC、具有YSZ 涂层的 Ni-20%Cr、Ni/Al2O3、WC/Co等。对 YSZ/NiCoCrAlY体系的研究表明，与传统的双层材料相比，功能梯度涂层具有更优异的性能，得到的 FGMs的结合强度为 18MPa，双层涂层仅为9MPa，而FGMs的抗热循环寿命是双层涂层的6倍。Sudarshan Rangaraj等设计了5种不同成分的 YSZ梯度涂层，研究了涂层设计对 YSZ涂层性能的影响，结果表明，莫来石( mullite) 成分的添加会降低涂层
23、表面裂纹生长驱动力。 42 3 超导涂层 Part 3.2 高新领域的应用 等离子喷涂弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，不需要保护气氛，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7-x(YBCO)和 Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO 是一种典型的超导材料，临界温度为 94K。等离子喷涂的YBCO涂层由于喷涂过程中材料的氧损失，涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性，使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理，使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构，才能获得超导性
24、。 43 3 超导涂层 Part 3.2 高新领域的应用 YBCO涂层的热处理条件为 920 x1h，降至 400再保温 1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷从高温急冷或淬冷后，它会产生超导态，这一特性对等离子喷涂具有特别的意义，因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达 106/s的急冷冷却速率，只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。 44 4 生物功能涂层 Part 3.2 高新领域的应用 等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面，形成以韧性金属为骨架，表面有陶瓷涂层
25、的人工骨与人工关节，此方法充分发挥了金属和陶瓷 2类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石(HA) 涂层和钛涂层的研究报导较多，并成功地应用于临床试验。 45 4 生物功能涂层 Part 3.2 高新领域的应用 羟基磷灰石涂层对生物体无毒，耐体液腐蚀，且对生物体组织有良好的适应性和亲和性，耐长期运动过程中的磨损，有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性，并且与组织结合良好，与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用，这些涂层既利用了不锈钢的强度，又利用了钛涂层的生物相容性，防止不锈钢中有毒元素的释放。上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取
26、得了较好的进展。 46 4 生物功能涂层 Part 3.2 高新领域的应用 47 5 固体氧化物燃料电池 Part 3.2 高新领域的应用 在建设节约型社会大力开发新能源的背景下，固体氧化物燃料电池由于其高的能量转换效率和环保而受各国所重视。随着固体氧化物燃料电池堆功率的提高，电池元件的数量也大大增加，高效率、低成本制备这些元件非常重要。采用一定的工艺，等离子喷涂技术为大规模制备符合要求的固体氧化物燃料电池的元件或组件提供了可能。 48 5 固体氧化物燃料电池 Part 3.2 高新领域的应用 (1)通过等离子喷涂工艺的优化，在较高的基体温度下，提高粒子运动速度和降低涂层中的残余应力是制备致密
27、电解质涂层的技术关键。采用新型的粉末材料和送粉方式，等离子喷涂制备致密的纳米尺度或者掺杂型的高离子导率的电解质，为降低SOFC 的运行温度至中温范围展现良好的前景。 (2) 在 LaMnO3中添加过量的 MnO2，在等离子焰流下可抑制 LaMnO3分解。在等离子喷涂中降低急冷小液滴直径对制备多孔阴极有明显的益处，粒子悬浮液等离子喷涂为获得多孔阴极涂层开辟了道路。 49 5 固体氧化物燃料电池 Part 3.2 高新领域的应用 (3)工艺优化，选择新型的粉末材料是等离子喷涂制备多孔阳极涂层的关键。 (4)采用等离子喷涂制备 SOFC功能电池组件可以制备电解质、阴极和阳极涂层厚度均为 3050 m
28、，电池总厚度低于 100120m，固体氧化物燃料电池的运行温度降低到 800 下。 50 6 其它应用 Part 3.2 高新领域的应用 等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达 105-106/s ，这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂 Fe基非晶合金粉末( 含 Si、B、Cr、Ni等) 制备的高非晶含量的Fe基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度大于 850HV，结合强度在 27MPa以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件，需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电做功元件阵列的制作。 51 参考文献 References 52 References
29、 References 参考文献 1 1 赵青，刘述章，童洪辉编著 .等离子体技术及应用M.北京：国防工业出版社 ,2009.2:1-8. 2 (印)约翰（P.I.John）著；王守国等译 .等离子体科学与财富创造M.北京：科学出版社， 2013.9:28-225.3 饶琼，周香林，张济山，孙东柏 .超音速喷涂技术及其应用J.热加工工艺，2004，10：49-52. 4 邹莉.等离子喷涂技术及其应用J.昆明冶金高等专科学校学报， 2005,21（5）：52-55. 5 陈丽梅，李强.等离子喷涂技术现状及发展J.热处理技术与设备， 2006,27（1）：1-5. 6 王吉孝，蒋士芹，庞凤祥 .等
30、离子喷涂技术现状及应用J.机械制造文摘焊接分册， 2012,1:18-22. 7 徐滨士，王海军等.高效能超音速等离子喷涂技术的研究与开发应用J.制造技术与机床，2003,2:30-33. 8 邓春明，周克崧等.等离子喷涂技术在固体氧化物燃料电池的应用 .中表面工程，2005,18（6）：1-4.9 丁传贤，薛卫昌等.等离子喷涂人工骨涂层材料.中国有色金属学报，2004,14（1）：306-309. 10 刘英凯，江斌等.等离子喷涂陶瓷涂层的现状与应用.山东陶瓷，2009,32（1）：19-22. 53 谢谢聆听 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION THANK YOU FOR YOUR ATTENTION 944708995 http:/ 54
