影響等離子噴涂的因素解析

2013-10-30 05:57:50張益強范文超閆新亮

中國軍轉民 2013年2期

張益強范文超閆新亮

總裝駐晉中地區軍代室

引入高新技術是高新工程實現實際效果所不可或缺的途徑，熱噴涂技術便是這樣一種高新技術，它利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預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、導電、防微波輻射等一系多種功能。根據熱源的不同，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

等離子體是物質的第四種形態，自然界的物質除了固、液、氣三種形態外，還存在第四種形態，既等離子體。在物理學中把電離度大于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或是經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。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，零件不會發生變形，這對于修復薄壁件、細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不會發生變化，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，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.工藝穩定，涂層質量高。等離子噴涂的各工藝參數都可定量控制，工藝穩定，涂層再現性好。在等離子噴涂中，熔融狀態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，與基體的結合強度高。等離子噴涂涂層與基體金屬的法向結合強度通常為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

等離子設備多種多樣，工藝參數千變萬化，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過預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備和制備、基體的預處理、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.表面預處理

為了提高涂層和基體間的結合強度，要求工件表面潔凈、粗糙，因此對工件表面進行預處理是一個十分重要的環節，它往往關系到整個工藝過程的成敗，必須引起高度重視。表面清洗與預處理加工又稱表面前處理，是用機械、物理或化學的方法改善基體表面狀態，為熱噴涂提供良好的基礎表面。表面預處理過程主要包括表面凈化處理、表面預加工、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“拋錨效應”，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）增大涂層與基材結合的面積。

（3）改善涂層的殘余應力，使涂層產生壓應力，減少涂層的宏觀殘余應力，使涂層和基體產生更強的結合。

（4）進一步凈化表面，并起到使表面活化的作用。

2.預熱

預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合強度，減少因基體與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂。預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質，以及基體和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般情況下預熱溫度控制在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強度。

3.送粉量及電功率

送粉量及電功率這兩個工藝參數是噴涂過程中最主要的參數，又是需要經常變動的參數，而且這兩個參數是互相聯系的。在確定這兩個工藝參數時，重點是保證兩者的恰當匹配。送粉量和電功率恰當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，應當施加不同的電功率，通過調整氫氣流量來保證所需的工作電壓和射流的熱焓，通過調整電流的大小調節輸入功率。當送粉量不變時，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重，涂層中夾雜較多煙塵，熔化粒子飛濺嚴重，同樣會使沉積效率降低，涂層質量下降。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。生產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量，還會使零件受等離子焰流的影響而嚴重氧化，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加入到熔融狀態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量的影響也很大，對外送粉噴槍而言送粉氣對涂層質量的影響尤其重要，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，產生嚴重的“邊界效應”，致使涂層疏松，結合強度降低。

6.噴槍移動速度

噴槍移動速度對涂層質量和噴涂效率的影響在一定范圍內不明顯。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，噴槍掃過工件面積的多少或每次噴涂層的厚度，所以調節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。