等离子喷涂与表面工程.pptx

1、等离子喷涂与表面工程等离子喷涂与表面工程（）班级：科学班级：科学12-212-2学学号：号：1412507914125079姓名：江晨辉姓名：江晨辉时间：时间：2015.4.20 2015.4.2001020304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1 1“”1.1定义定义 等离子体（等离子体（PlasmaPlasma）又叫做电浆，是由部分又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电子被剥夺后的原子及原子团被电离电离后产生的后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于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

2、动主要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、广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，气外，物质存在的第四态物质存在的第四态。1.2 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。电离是被束缚电子与其束主原子核分离的过程1.3 等离子体的各种性质物质的

3、第四态等离子体有着许多独特的物化性质，表现如下：I.I.温度温度高、粒子动能大。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.宏宏观观电电中中性性：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.化化学学性性质质活活泼泼，容容易易发发生生化化学学反反应应。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。发光特性，可作为光源。例如：日

4、光灯、霓虹灯等。通电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撞高温（热学应用）1.4 1.4 等离子体的分类等离子体的分类1 1、按存在分类、按存在分类（1 1）天然等离子体）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

5、的等离子体球。（2 2）人工等离子体）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霓虹灯星星云云2 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、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。等离子喷涂技术等离子喷涂技术2 2P

6、lasma Spraying Technology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。2 2.1.1等离子弧喷涂原理、特点及应用等离子弧喷涂原理、特点及应用1 1、等离子喷涂的工作原理、等离子喷涂的工作原理 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

7、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。等离子喷涂原理图等离子喷涂原理图2 2、等离子喷涂的特点、等离子喷涂的特点1 1）等等离离子子焰焰流流热热量量高高度度集集中中，可可达达万万度度以以上上，提提供供了了能能使使所有材料都能熔化的必要条件。所有材料都能熔化的必要条件。2 2）等等离离子子焰焰流流气气氛氛可可控控，可可使使还还原原性性气气体体和和惰惰性性气气体体等等作作为为工工作作气气体体，这这样样就就能能比比较较可可靠靠的的保保护护工工件件及及喷喷涂涂材材料料不不受氧化。受氧

8、化。3 3）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能）等离子焰流的流速大，粉末颗粒能够获得较大的动能。4 4）涂层平整光滑，可精确控制厚度。）涂层平整光滑，可精确控制厚度。2 2、等离子喷涂的特点、等离子喷涂的特点5 5）涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制 在在1%1%10%10%，结合强度结合强度可可606070MPa70MPa。6 6）涂层氧化物和杂质含量少，与涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、电镀、电刷、渗碳、渗氮渗氮相比，等离子喷涂层更相比，等离子喷涂层更厚厚、更硬更硬、更更具防腐具防腐效果。效果。7 7）喷喷涂涂过过程程对

9、对基基体体的的热热影影响响小小，基基体体组组织织不不会会发发生生变变化化。工工件件受受热热温温度度可可控控制制低低于于250250，因因此此也也可可在在塑塑料料、油油漆漆、玻玻璃璃、石石棉棉布布等等非非金属材料上金属材料上喷涂。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。2.2 等离子弧喷涂设备 1 1）等离子喷涂电源）等离子喷涂电源 空载空载电压电压70V70V，具有下降或垂降外特征的直流电源均可作为等离，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

10、时采用正极非转移型等离子弧。子弧喷涂电源。喷涂时采用正极非转移型等离子弧。2 2）控制柜）控制柜 是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、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，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，故障报警灯故障报警灯。等离子喷涂设备组成示意图3 3）等离子喷枪）等离子喷枪 是是集电路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：型，按功率大小可分为：轻型或内孔型枪体，其功率多在轻型

11、或内孔型枪体，其功率多在40kW40kW以下；以下；标标准型枪体，其功率为准型枪体，其功率为404080kW80kW；高能型枪体，其功率在高能型枪体，其功率在8080200kW200kW；超超级、水稳型枪体，功率在级、水稳型枪体，功率在200kW200kW以上。以上。等离子喷枪等离子喷枪是等离子弧喷涂的核心装置，它主要是等离子弧喷涂的核心装置，它主要由枪体由枪体阴极组件、枪体阳极（喷嘴）组件和绝缘体阴极组件、枪体阳极（喷嘴）组件和绝缘体。除此，还。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。4 4）送粉器）送粉器 是为喷枪提供喷涂粉末的输

12、送装置。是为喷枪提供喷涂粉末的输送装置。5 5）冷却装置）冷却装置 是是为喷枪提供充足的冷却介质，以保证喷枪稳定工作的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。换热器。6 6）供气系统）供气系统 主要主要由气源（如标准气瓶）、减压表、气体流量计和可由气源（如标准气瓶）、减压表、气体流量计和可控气阀等组成。控气阀等组成。7 7）引弧系统）引弧系统 用于用于引燃等离子电弧的装置，常用的是高频引弧方式。引燃等离子电弧的装置，常用的是高频引弧方式。2.32.3 等离子等离子喷涂的分类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

13、2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类2.3.12.3.1大气等离子喷涂（大气等离子喷涂（Air Plasma Air Plasma SprayingSpraying，APSAPS）大大气气等等离离子子喷喷涂涂是是用用ArAr、N N2 2、H H2 2作作为为离离子子气气，经经电电离离产产生生等等离离子子高高温温射射流流，将将输输入入的的材材料料熔熔化化或或熔熔融融喷喷射射到到工工件件表表面面形形成涂层的方法。成涂层的方法。大大气气等等离离子子喷喷涂涂主主要要用用于于制制备备金金属属陶陶瓷瓷、金金属属和和陶陶瓷瓷涂涂层层。该该喷喷涂涂粒粒子子速速度度一一般般在在音音速速以以下下，等

14、等离离子子喷喷涂涂的的涂涂层层质质量量不不仅仅取取决决于于喷喷涂涂设设备备和和喷喷涂涂材材料料的的质质量量，更更重重要要的的是是取取决决于于所所采采用用的的喷喷涂涂工工艺艺。合合理理选选择择等等离离子子喷喷涂涂工工艺艺是是确确保保涂涂层层质质量量的重要措施之一。的重要措施之一。大大 大气大气等离子等离子喷涂喷涂设备组成设备组成 2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类2.3.2 2.3.2 可控可控气氛等离子喷涂气氛等离子喷涂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

15、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。2.3 2.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类2.3.3 2.3.3 液液稳等离子喷涂稳等离子喷涂 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

16、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。2.32.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类2.3.4 2.3.4 反应反应等离子等离子喷涂（喷涂（Reactive Plasma SprayingReactive 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。2.3.4 2.3.4 反应反应等离子等离子喷涂喷涂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。2.32.3 等离子喷涂的分类等离子喷涂的分类2.3