等离子喷涂报告.docx
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等离子喷涂报告
模具表面处理综述报告
学院（系）机械工程学院
专业班级材料10802
班级序号13
学生姓名唐俊
指导教师杨雄
日期2011年11月24日
电弧、等离子涂镀技术
一、绪论
众所周知，除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀。
此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重。
大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。
据一些工业发达国家统计，每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量10%，损失金额约占国民经济总产值的2-4%。
如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话，其数值更加惊人。
因此，发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题.随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数（高温、高压、高速度和高度自动化）和恶劣的工况条件（如严重的磨损和腐蚀）下长期稳定的运行[1]。
因此，对材料的性能也提出更高要求，采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不可能的。
所以，研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。
而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。
热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科，所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助火焰流的本身动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术[2]。
本文在低碳钢表面采用等离子喷涂技术沉积了Al2O3+13wt.%TO2复合材料涂层，对沉积的涂层进行了组织结构和硬度、磨损等性能分析测试，试验所得数据对提高零部件表面耐磨、耐蚀性能具有一定的理论意义和工程应用价值。
二、热喷涂技术概论
1、热喷涂技术分类
热喷涂技术是表面工程中一门重要的学科。
所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料
加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。
根据热源的种类热喷涂技术主要分类为：
热源
温度℃
喷涂方法
火焰
约3000
粉末火焰喷涂
陶瓷棒材火焰喷涂
高速火焰喷涂（HVOF）
爆炸喷涂（D-GUN）
电弧
约5000
电弧喷涂
等离子弧
10000以上
大气等离子喷涂（APS）
低压等离子喷涂（LPPS）
水稳等离子喷涂
2、喷涂设备
虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异，但依据热喷涂技术的原理，设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。
图为等离子喷涂的设备配置图。
（1）整流电源
喷涂用的整流电源是向喷枪供给电能的装置，其外特性、动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。
目前采用的整流电源类型仍主要是磁放大器硅整流电源及可控硅整流电源。
（2）控制柜
等离子弧喷涂控制柜的主要作用是控制向等离子喷枪供应冷却水、工作气、送粉气、工作电流及高频电流，能方便地调节水、气和电参数等并加以显示。
控制柜中还备有各种保护装置，保证设备正常的工作。
（3）喷枪
喷枪是等离子喷涂设备的核心装置。
喷枪产生高温、高速等离子火焰，粉末经送粉器被送入等离子焰流中经过熔化加速过程最终喷射到基材表面。
喷枪是形成涂层的关键设备。
喷枪由阴极、喷嘴（阳极）、进气道与气室、送粉器、水冷密封、绝缘体及枪体构成。
（4）送粉器
送粉器是贮放和向喷枪供给粉末的装置。
送粉器的功用是向等离子喷枪均匀、定量地输送喷涂粉末。
对送粉器的主要技术要求是送粉量准确度高、送粉量调节方便，以及对粉末粒度的适应范围广等。
目前常用的是刮板式送粉器和带有小孔的转盘吹式送粉器，前者适用于固态流动性好的粉末，后者可用于固态流动性差的粉末和微细粉末。
（5）水冷系统
水冷系统是向喷枪供给一定压力和足够流量冷却水的装置，供水装置包括增压水泵和热交换器。
（6）气体供给系统
供气系统包括工作气和送粉器的供气系统，主要由气瓶、减压阀、储气筒、流量计等组成。
3、热喷涂工艺
热喷工艺过程如下：
工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理
用等离子喷涂设备在Q235钢表面喷涂一层等离子喷涂Al2O3-13wt%TiO2（以下简称为AT-13）陶瓷粉末。
基体材料为Q235钢，Q235钢属于珠光体普碳钢，其强度和韧性较好。
其主要化学成分如表所示。
选用等离子喷涂Al2O3-13wt%TiO2（简写为AT-13）陶瓷涂层的打底层材料为Ni-Al合金粉末，其粒度范围为140μm～260μm，化学成分如表2-2所示。
Ni
Al
>70
17-20
喷涂材料选用的是Al2O3-13wt％TiO2（即AT-13）金属陶瓷粉末，这是因为许多研究报告表明，在所有Al2O3–TiO2涂层中，当Al2O3–TiO2涂层中TiO2含量为13wt.%（即重量比为13％）时，涂层的耐磨性最佳。
AT-13复合粉末的化学成分和物理性能如表2-3所示。
样品
化学成分（%）（质量）
熔点（℃）
粒度（um）
密度
（g·cm3）
流动性
TiO2
Al2O3
其他
AT-13
13
余量
-----
1840
-40～+20
3.86
较好
表2-3AT-13复合粉末的化学成分和物理性能
4、涂层设计及工艺参数
先在Q235基体上喷涂粘结层Ni-Al，然后再喷涂Al2O3—13wt%TiO2（即AT-13）陶瓷粉末获得陶瓷层。
表2-5基体及各涂层厚度
厚度
Q235基体
3.88mm
Ni-Al打底层
200μm
AT-13陶瓷层
340μm
表2-6等离子喷涂工艺参数
参数
Ni-Al打底层
AT-13涂层
电流（A）
600
650
电压（V）
37
37
主气Ar（PSI）
60
60
次气H2（PSI）
50
50
送粉气Ar（PSI）
50
50
送粉速度（g/min）
2.5
2.5
喷涂距离（mm）
100
100
喷涂速度（mm/s）
800
800
5、喷涂步骤
（1）Q235钢基体表面的粗化和净化：
在喷涂前，用16＃棕刚玉砂对试样表面做喷砂处理，直至基体表面没有金属光泽，然后用酒精清洗、烘干；
（2）固定喷涂试样：
由于等离子喷涂过程中等离子焰流的吹力较大，喷涂前必须将试样固定在转台上；
（3）根据等离子喷涂参数喷涂Ni-Al粘结层；
（4）根据等离子喷涂参数喷涂Al2O3—13wt%TiO2陶瓷工作层。
6、喷涂后处理
喷涂结束后不能马上拿取工件，因为等离子喷涂温度很高，喷枪火焰中心温度在10000℃以上，所以喷出的颗粒温度也很高。
在室温下冷却至常温后取下工件，立即进行封孔处理，防止涂层吸附潮气而影响质量。
所选材料为微晶石蜡，可以借助涂层的余热溶化封孔。
三、涂层分析
1、涂层断口形貌分析
从图3-14中的断口形貌中可以看出，上边颗粒较多的是AT-13涂层，而下边则是Ni-Al涂层，AT-13涂层明显没有Ni-Al涂层那么光滑致密。
这是因为AT-13涂层中含有未完全熔化的Al2O3，而Al2O3粉末是陶瓷颗粒、熔点较高，喷涂中存在不完全熔化颗粒而致使涂层不够紧密，图中白亮处即为Al2O3颗粒；而Ni-Al涂层在喷涂过程中，Ni-Al铝金属粉末熔化比较完全，涂层贴合比较紧密，形成了典型的等离子喷涂层片状。
图3-15Ni-Al涂层断口形貌更加清晰地显示了Ni-Al涂层的层片状形貌。
层片状的Ni-Al涂层由于贴合比较紧密，在断裂过程中呈片状脱离，因而其断口形貌呈坑洼状，并可看到片层间脱离后留下的凹坑和光滑片层。
图3-16AT-13涂层断口形貌则含较多未完全熔化颗粒，这是由于部分Al2O3在喷涂过程中未能完全熔化所致，在未熔化颗粒较多处应力比较集中，因而在断裂过程中颗粒与颗粒之间分离、脱落，从而暴露出其内部真实形态。
形貌中的灰色处为熔化了的Al2O3，而黑色部分为孔隙。
图3-14涂层断口形貌
图3-15Ni-Al涂层断口形貌图3-16AT-13涂层断口形貌
2、涂层密度及孔隙率检测
测量涂层孔隙率的方法很多，本实验采用直接称量法，先测定的涂层密度与涂层材料的真密度进行比较，即利用公式：
试验结果列于下表表3-17。
N1
N2
N3
N4
N5
平均值
涂层密度（g/mm3）
3.66
3.62
3.65
3.62
3.64
3.64
涂层气孔率
（%）
5.2
6.2
5.4
6.2
5.6
5.7
3、AT-13涂层硬度试验分析
从图3-19和表3-18中可以明显地看出，随着测试点离AT-13涂层越远，硬度明显下降。
这说明在等离子喷涂AT-13涂层中，AT-13涂层的硬度最高，Ni-Al涂层其次，最后才是基体Q235。
涂层硬度较高主要原因是由于Al2O3本身为高硬度材料，在图上可以看到等离子涂层的硬度曲线呈现三个阶段，分别为陶瓷层、过渡层、和基体，随着涂层深度的变化涂层中各种元素成分也发生了变化，涂层组成元素决定着涂层的性能，在陶瓷层中Al2O3占主要部分，显示高硬度，随着涂层深度的增加Al2O3随之减少，硬度下降，通过过渡层到基体，硬度值趋于稳定。
AT-13陶瓷涂层的硬度高，但是由于在Al2O3中添加了TiO2，而TiO2的硬度仅为Al2O3硬度的一半左右，虽然提高了涂层的致密度，却使涂层的硬度下降了。
曲线图所选用的数据为各个点的平均硬度值，尽量减小了由测量误差降低的准确性。
表3-18维氏硬度试验数据（HV）
涂层
压痕对角线长（um）
HV
AT-13涂层
52.8
52.8/4=13.2
1064
53.2
53.2/4=13.3
1048
59.2
59.2/4=14.8
847
镍包铝涂层
68.4
68.4/4=17.1
321
69.1
69.1/4=17.2
317
70.3
70.3/4=17.5
303
基体Q235
88.8
88.8/4=22.2
188
4、AT-13涂层快速磨损试验分析
由表3-21快速磨损试验数据可以看出，AT-13涂层在本试验中的磨损性能比Ni60涂层要差些。
这是因为快速磨损实验中AT-13涂层中的未熔化的Al2O3脱落，AT-13涂层的耐磨性下降；在Al2O3陶瓷材料中加入TiO2，增加了涂层的致密度，提高了涂层的粘结性。
Al2O3的硬度要比Ni高，在同样载荷同样磨料的前提下，脱落的未熔化的Al2O参入到磨损中，使得AT-13涂层的耐磨性要低于Ni60涂层。
图3-20显示的是快速磨损试验后的磨损表面形貌图，而表3-21表示的则是AT-13涂层快速磨损试验的试验数据。
图3-20快速磨损表面形貌图
表3-21快速磨损试验数据
（载荷：
5Kg，硬质合金磨轮：
30×2.5mm，转速：
675r/min，转数：
3000r）
试样
磨痕宽度L
磨损体积V（mm3/1000）
平均值V（mm3/1000）
AT-13涂层
296277279
77.88463.8265.213
68.972
Ni60涂层
192181189
21.2417.820.263
19.768
四、结论
（1）在Q235钢表面用等离子喷涂方法制备Ni-Al粘结层和Al2O3-13wt％TiO2陶瓷涂层，喷涂时熔化结晶形成层片状结构，孔隙率为5.7%，AT13陶瓷涂层中有部分未完全熔化的Al2O3，涂层表面微观上粗糙不平；
（2）AT13陶瓷涂层具有较高的显微硬度，其显微硬度最高平均值HV=1064，涂层组成元素决定着涂层的性能，在陶瓷层中Al2O3占主要部分，显示高硬度，随着涂层深度的增加Al2O3随之减少，硬度下降；
（3）实验表明在金属表面采用等离子喷涂工艺方法喷涂Ni-Al+Al2O3-13wt％TiO2陶瓷涂层作为表面涂层，可提高工件表面硬度及耐磨性能。
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