非常規(guī)等離子噴涂技術(shù)及其特點(diǎn)分析

洪智亮，郭云珊，石隨林

(中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上?！?01108)

?

非常規(guī)等離子噴涂技術(shù)及其特點(diǎn)分析

洪智亮，郭云珊，石隨林

(中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研發(fā)中心，上海201108)

本文簡(jiǎn)要介紹了反應(yīng)等離子噴涂、微束等離子噴涂、層流等離子噴涂和電磁脈沖輔助-等離子噴涂等幾種非常規(guī)等離子噴涂技術(shù)的原理、特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。通過這幾種非常規(guī)等離子噴涂技術(shù)特點(diǎn)分析，以期從中獲取對(duì)未來等離子噴涂工藝發(fā)展的一些啟示。

反應(yīng)等離子噴涂； 微束等離子噴涂； 層流等離子噴涂； 電磁輔助-等離子噴涂

1　引　言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)90%的保護(hù)涂層和大部分零件的修復(fù)均采用熱噴涂工藝。根據(jù)熱源的不同，熱噴涂可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂(Plasma Spraying，PS)等。其中，等離子噴涂技術(shù)噴涂材料可選范圍廣，工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，可大面積機(jī)械化作業(yè)，因此應(yīng)用最為廣泛。傳統(tǒng)的大氣等離子噴涂(Air Plasma Spraying, APS)設(shè)備又占所有等離子噴涂設(shè)備60%以上。但在實(shí)際應(yīng)用中，APS工藝存在一些共性問題，如：原材料利用率低、能量消耗大、環(huán)境噪音大；涂層中含有較多的疏松、孔洞等缺陷，微觀組織不均勻，影響了涂層某些性能(耐腐蝕和耐摩擦)；涂層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)層片狀，損傷容限低。

面對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用對(duì)涂層質(zhì)量提出的更高要求，解決上述問題的關(guān)鍵就是，根據(jù)實(shí)際需求改進(jìn)工藝設(shè)備和方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整和控制。基于此，人們研發(fā)了不少新型等離子噴涂技術(shù)和設(shè)備。譬如，低壓和真空等離子噴涂[1]、電磁加速等離子噴涂[2]、液料等離子噴涂[3]、微束等離子噴涂[4]、反應(yīng)等離子噴涂[5]、層流等離子噴涂[6]、高效能超音速等離子噴涂[7-9]、干冰輔助-等離子噴涂[10]等。這些新型等離子噴涂方法制備的涂層有各自不同的微觀組織特點(diǎn)而具有不同的機(jī)械、物理化學(xué)性能，適用于不同的行業(yè)需求。本文從中僅選取了幾種非常規(guī)的等離子噴涂制備技術(shù)，并就其特點(diǎn)展開初步分析，以期從中獲取對(duì)未來等離子噴涂工藝發(fā)展的一些啟示。

2　等離子噴涂制備方法及涂層特點(diǎn)

2.1反應(yīng)等離子噴涂

該技術(shù)原理由前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov于1967年提出。根據(jù)在噴涂過程中發(fā)生的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng)等離子噴涂主要分以下兩種：第一種是在真空等離子噴槍或低壓(可控氣氛)等離子噴槍上，配置一個(gè)等離子反應(yīng)器，反應(yīng)器中的氣體(如甲烷、丙烯、氮?dú)獾?被引入到高溫等離子射流中，迅速發(fā)生熱分解，并使分解的粒子(如氫、碳、氮等)處于激活狀態(tài)，與噴涂金屬粒子反應(yīng)生成產(chǎn)物后，沉積到基材表面而形成涂層，因?yàn)橛袣怏w參與反應(yīng)，也稱為氣相反應(yīng)等離子噴涂，其過程見圖1。由于產(chǎn)物在原始噴涂粉末中原位合成，所以形成的涂層成分均勻，與基體結(jié)合良好。利用這種方法可以合成性能優(yōu)異的高熔點(diǎn)陶瓷涂層。如文獻(xiàn)[11]報(bào)道，利用氣體隧道式等離子反應(yīng)噴槍己經(jīng)制備出厚度為200 μm的TiN-Ti涂層。

圖1　反應(yīng)等離子噴涂示意圖Fig.1　Schematic of reactive plasma spraying

第二種是將等離子噴涂和高溫自蔓延反應(yīng)SHS相結(jié)合，利用常用氣穩(wěn)等離子設(shè)備，采用高反應(yīng)放熱體系噴涂粉末，在噴涂過程中同時(shí)完成材料的合成和沉積，稱為SHS反應(yīng)等離子噴涂。當(dāng)送粉氣流將粉末送入高溫高速等離子射流后，其溫度迅速超過2000 ℃，并發(fā)生放熱反應(yīng)合成反應(yīng)產(chǎn)物；同時(shí)，反應(yīng)粒子也被等離子射流加速，進(jìn)入飛行階段，噴涂粒子一邊受熱，一邊散熱，先前引發(fā)的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行；最后到產(chǎn)物粒子束撞擊到基體表面時(shí)，熔融粒子發(fā)生碰撞-變形-冷凝-收縮過程，形成涂層。由于硬質(zhì)相原位合成，且反應(yīng)放出大量的熱足以使硬質(zhì)相熔化，因此傳統(tǒng)等離子噴涂過程中硬質(zhì)相在噴涂過程中較難熔化、分布不均，比較粗大等缺點(diǎn)在一定程度上得到了克服。目前，利用該工藝已經(jīng)制備出Cr-CrxCy、Ti-TiC、Ti-B4C、Ti-TiN、Al-TiC、NiAl-Al2O3、Ca-TiB2、Fe-TiB2、Fe-TiC、Cu-TiB2等涂層[12]。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)充分發(fā)揮了等離子噴涂和高溫自蔓延反應(yīng)兩種工藝的優(yōu)勢(shì)，具有耗能少、產(chǎn)物純等優(yōu)點(diǎn)。但是SHS燃燒過程是典型的非均勻體系燃燒，這一過程的復(fù)雜性和瞬時(shí)高溫等特點(diǎn)，使SHS生產(chǎn)過程不易控制。

雖然在反應(yīng)噴涂技術(shù)和理論研究領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但仍有許多理論問題需要更深入的研究，如：噴涂條件下的SHS反應(yīng)及陶瓷熔體形成的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)過程、陶瓷涂層或金屬間化合物涂層與基體間熔合連接過程及界面結(jié)合機(jī)制等。

2.2微束等離子噴涂

微束等離子噴涂(Microplasma Spray，MPS)是20世紀(jì)90年代由烏克蘭巴頓焊接研究所開發(fā)。微束等離子弧屬于非轉(zhuǎn)移性弧，等離子弧的電流強(qiáng)度在幾安到幾十安之間，功率范圍在幾千瓦之間。烏克蘭巴頓焊接所利用MPS工藝制備生物陶瓷涂層取得了良好的效果，涂層雜質(zhì)相含量較低，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度與APS涂層相當(dāng)。

北京工業(yè)大學(xué)賀定勇[4,13]等也成功研制出新型微束等離子噴涂系統(tǒng)，并對(duì)羥基磷灰石涂層(HA)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，結(jié)果顯示APS涂層較MPS涂層層狀結(jié)構(gòu)更明顯(圖2)。這是因?yàn)锳PS粒子飛行速度快，粉末熔化量大，撞擊基體的動(dòng)能大，容易鋪展變形。而MPS工藝采用的工作氣體只有氫氣，無輔助氣體，HA顆粒分解并不多，因而涂層顆粒比較粗大、涂層層狀結(jié)構(gòu)不明顯。研究還發(fā)現(xiàn)，小功率條件下制備的羥基磷灰石涂層，與APS大功率條件下制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度相當(dāng)。

總之，與APS工藝相比，可歸納MPS噴涂的特點(diǎn)如下：呈現(xiàn)層流等離子射流特性、功率低(<1～3 kW)、其MPS陽極斑點(diǎn)小(束斑直徑小于5 mm)、能量集中、氣體消耗量少(<2SPLM)、噪音低(30～50 db)、基體受熱低、工藝粉末利用率高等；可噴涂人工齒根等小型醫(yī)用植入體，非常適合制備小型和薄壁零件的表面涂層；噴涂系統(tǒng)僅需簡(jiǎn)單的氣體供應(yīng)裝置和冷卻循環(huán)水供應(yīng)裝置，噴涂裝置小型輕便，適合于現(xiàn)場(chǎng)施工維修等。這對(duì)于進(jìn)一步拓展等離子噴涂應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的理論和實(shí)際意義。

圖2　MPS(a)與APS(b)方法制備的涂層微觀形貌比較Fig.2　Comparison of HA micrographs between MPS and APS methods

圖3　層流等離子噴涂焰流特性Fig.3　Character of laminar flow flame

2.3層流等離子噴涂

直流弧湍流等離子體射流容易產(chǎn)生并且具有很高的能量密度，被廣泛應(yīng)用于航空航天材料表面改性領(lǐng)域。但是，由于其流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定和涉及的物理過程比較復(fù)雜，難以調(diào)控所形成的等離子體射流的狀態(tài)，僅能用于對(duì)精度和可重復(fù)性要求不太高的工藝過程，很難把握射流參數(shù)的空間分布和時(shí)間變化，造成耗能較大(30～40 kW)，粉末沉積效率較低，容易造成零件過熱，涂層結(jié)合強(qiáng)度降低，噪音大(130 dB)等弊端。一般地，湍流焰流的長(zhǎng)度為30～50 mm，且隨弧電流值變化不大，而層流的長(zhǎng)度為500 mm(如圖3所示)，且隨弧電流值變化明顯。層流射流的高溫區(qū)長(zhǎng)度是湍流高溫區(qū)長(zhǎng)度的幾十倍，粉末的加熱和加速時(shí)間延長(zhǎng)，避免了湍流射流對(duì)周圍空氣的吸卷，降低了粉末的氧化程度。層流噴涂可以用較低的功率噴涂各種高熔點(diǎn)粉末，而且層流噴涂噪聲低(70 dB)，具有明顯優(yōu)于湍流等離子體射流時(shí)的工藝穩(wěn)定性和可控性。這樣的結(jié)果歸結(jié)于層流等離子體射流的參數(shù)脈動(dòng)低、在射流軸線方向上變化梯度小等特點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)層流等離子噴涂研究則主要集中在理論研究，實(shí)際上用于噴涂的設(shè)備比較少[14-17]。具有代表性的是，北京航空制造工程研究所張東輝等研制了層流等離子噴涂設(shè)備[6,18]，并進(jìn)行了噴涂工藝探索研究，如噴涂的Cr2O3涂層氣孔率小于1%，耐磨和熱震性能均超過了湍流等離子噴涂水平[19]?？傊?，層流等離子噴涂仍是一項(xiàng)新工藝，還需要進(jìn)一步對(duì)層流等離子與粉末交互作用機(jī)理及噴涂工藝進(jìn)行探索。

2.4電弧超聲輔助-等離子噴涂

圖4　未引入超聲(a)和30 kHz(b)超聲前后涂層表面形貌圖對(duì)比Fig.4　Surface morphologies of coating fabricated by 0 kHz (a) and 30 kHz (b) ultrasonic APS

圖5　在無超聲和加入脈沖情況下，涂層厚度比較Fig.5　Comparison of coating thickness under 0 kHz (a) and 30 kHz (b)ultrasonic pulse APS

所謂電弧超聲，是指充分利用電弧的變阻性負(fù)載特征，在具備良好動(dòng)特性電源的驅(qū)動(dòng)下，使電弧受到外加高頻調(diào)制，激發(fā)出超聲，從而使作為加工熱源的電弧同時(shí)成為一種可控的超聲發(fā)射源。等離子噴涂過程中存在電弧等離子體，可以利用此原理采用高頻調(diào)制的方法激發(fā)出超聲，直接作用于噴涂過程中的等離子焰流、粉末粒子和涂層，通過超聲的一系列效應(yīng)對(duì)噴涂過程產(chǎn)生作用，提高超聲能量的利用率，獲得與傳統(tǒng)的等離子噴涂不同的噴涂效果，提高涂層的質(zhì)量。

何龍標(biāo)等[20]將電磁超聲引入等離子噴涂工藝，改善了熱障涂層抗熱震性能，證實(shí)利用外場(chǎng)技術(shù)控制熱噴涂的霧化過程是控制涂層質(zhì)量的有效途徑。姜宇[21]則發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲頻率為50kHz時(shí)熱障涂層表面應(yīng)力為壓應(yīng)力，揭示了超聲的引入可改變熱障涂層的應(yīng)力狀態(tài)。馬駿等[22]認(rèn)為電弧超聲輔助等離子噴涂工藝系統(tǒng)改善了ZrO2熱障涂層綜合性能：涂層孔隙率和裂紋較少(圖4)；涂層較厚，粉末利用率高，浪費(fèi)較少(圖5)；抗熱震壽命得了到較大改善。陸志慶等[23]進(jìn)一步研究了超聲熱噴涂的聲場(chǎng)特點(diǎn)，認(rèn)為超聲空化及機(jī)械作用會(huì)對(duì)噴涂粉末產(chǎn)生作用，電弧超聲激勵(lì)信號(hào)的加入，引起電弧的周期性收縮和擴(kuò)張，從而在等離子噴槍內(nèi)部激發(fā)出超聲波。超聲能量通過機(jī)械擾動(dòng)、沖擊等方式作用于從粉末熔化、飛行及沉積的整個(gè)噴涂過程，從而改變涂層結(jié)構(gòu)，改善涂層性能。盡管電弧超聲-等離子噴涂取得了研究進(jìn)展，但對(duì)超聲作用機(jī)理的探索仍不夠深入，這將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

3　結(jié)論與展望

本文所介紹的幾種等離子噴涂工藝，并不是常規(guī)的等離子噴涂技術(shù)，但其發(fā)展仍是著眼于實(shí)際應(yīng)用需求，從原材料體系、等離子體產(chǎn)生過程、噴射粒子速度與溫度、沉積機(jī)理和涂層結(jié)構(gòu)等多個(gè)層面進(jìn)行噴涂工藝優(yōu)化甚至設(shè)備改進(jìn)，解決常規(guī)等離子噴涂工藝中存在的問題。這與SULZER METCO、加拿大Mettech和美國(guó)PRAXAIR-TAFA公司等國(guó)際知名主流等離子噴涂技術(shù)和設(shè)備供應(yīng)商在開發(fā)包括水穩(wěn)等離子噴涂、雙電極等離子、活性RF等離子噴涂、Axial III三陰極軸向送粉等離子噴涂等技術(shù)和產(chǎn)品的思路并無二致。因此，利用電磁、激光、超聲等現(xiàn)代輔助技術(shù)和外在手段，研發(fā)新型等離子噴涂技術(shù)，改變焰流特性，改善涂層結(jié)構(gòu)，使涂層性能能夠滿足要求，是當(dāng)前發(fā)展等離子噴涂工藝的思路和趨勢(shì)。

致 謝：衷心感謝北京航空制造工程研究所靳磊、周國(guó)棟等人提供的資料！

[1]尹志堅(jiān),王樹保,傅衛(wèi),等.熱噴涂技術(shù)的演化與展望 [J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào), 2011,26(3): 225-232.

[2]劉宗德,陳蘊(yùn)博,劉靜靜,等.電磁加速等離子噴涂法制備碳化硼涂層初步分析 [J]. 材料熱處理學(xué)報(bào). 2005,26(5): 49-51.

[3]許艷華,李強(qiáng).懸浮液等離子噴涂與常規(guī)等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的研究 [J]. 中國(guó)表面工程, 2010,23(1): 51-56.

[4]趙秋穎,賀定勇,李曉延,等.熱處理對(duì)微束等離子噴涂羥基磷灰石涂層的影響 [J]. 中國(guó)表面工程, 2010,23(4): 60-69.

[5]毛正平.反應(yīng)等離子噴涂TiB2-TiC0.3N0.7基復(fù)合涂層組織性能及其表面激光重熔研究 [D]. 上海交通大學(xué), 2011.

[6]張東輝,郝勇超. 層流等離子噴涂設(shè)備及工藝初步研究 [J]. 機(jī)械工人(熱加工), 2006, (1): 55-56, 60.

[7]謝兆錢,王海軍, 郭永明, 等. 高效能超音速等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層性能研究 [J]. 熱加工工藝, 2011,40(14): 110-112.

[8]徐濱士,王海軍, 朱勝, 等. 高效能超音速等離子噴涂技術(shù)的研究與開發(fā)應(yīng)用 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2003,2:30-33.

[9]王海軍,謝兆錢, 郭永明, 等. 高效能超音速等離子噴涂粒子特性及涂層特點(diǎn) [J]. 中國(guó)表面工程, 2010,23(3): 84-88.

[10]董淑娟,宋波, Bernard Hansz, 等.干冰微粒噴射工藝對(duì)等離子噴涂金屬涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].中國(guó)表面工程,2012,25(6):10-14.

[11]陳海龍,楊暉.反應(yīng)等離子噴涂TiN的反應(yīng)過程及涂層形成機(jī)理研究 [J]. 材料熱處理技術(shù), 2009,38(20): 104-106.

[12]Lugsheider E,Jokiel P,Remer P,et al.Themral Spray Indusrital Applied [M]. ASM Intemational,1994: 79.

[13]賀定勇,孫旭峰,趙力東.微束等離子噴涂羥基磷灰石涂層 [J]. 無機(jī)材料學(xué)報(bào), 2007,22(4): 754-758.

[14]王海興,陳熙,潘文霞,等.層流與湍流等離子體沖擊射流特性比較 [J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2007,28(4): 652-654.

[15]程凱,陳熙,潘文霞.層流與湍流等離子體射流特性的模擬研究 [C]. 中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)第十一屆年會(huì), 2005.

[16]孟顯.層流等離子體射流的流動(dòng)與傳熱特性研究[D].中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所, 2006.

[17]Ma W,Pan W X,Wu C K.Preliminary investigations on low-pressure laminar plasma spray processing [J].Surfaceandcoatingstechnology,2005,191(2-3): 166-174.

[18]Pan W X,Zhang W H,Zhang W H,et al.Generation of long, laminar plasma jets at atmospheric pressure and effects of flow turbulence[J].Plasmachemistryandplasmaprocessing,2001,21(1): 23-35.

[19]武洪臣,楊向東.層流等離子射流特性及其制備WC/Co涂層的初步工藝試驗(yàn) [J]. 航空制造技術(shù), 1997, (1): 28-29.

[20]何龍標(biāo),文雄偉,郝紅偉,等.電弧超聲改善堆焊和熱噴涂質(zhì)量的試驗(yàn)研究 [J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2007,18(7): 760-763.

[21]姜宇.等離子噴涂涂層的殘余應(yīng)力分析 [D].北京：清華大學(xué)學(xué)位論文, 2006.

[22]馬駿.電弧超聲對(duì)等離子噴涂熱障涂層性能的影響與優(yōu)化研究 [D]. 2007.

[23]陸志慶.電弧超聲在等離子噴涂中的應(yīng)用研究 [D].北京：清華大學(xué)學(xué)位論文, 2005.

Review on Several Kinds of Unconventional Plasma Spraying Technique

HONGZhi-liang,GUOYun-shan,SHISui-lin

(AVIC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd., R&D Center, 3998 S. Lianhua Road,Shanghai 201108,China)

Principle, characteristic and progress of several kind of Unconventional plasma spraying technique, such as reactive plasma spraying, micro plasma spraying, laminar flow spraying and electromagnetic assisted plasma spraying was reviewed briefly in this work.Some inspiration on the future development for plasma spraying was excepted to be drawn from this review.

reactive plasma spraying;micro plasma spraying;laminar flow spraying;electromagnetic assisted plasma spraying

上海市科委基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(12DJ1400400)；上海市科委科技攻關(guān)項(xiàng)目(13521101100)

洪智亮(1984-)，男，博士，工程師.主要從事高溫防護(hù)涂層方面的研究.

TG174

A

1001-1625(2016)05-1532-04