等离子喷涂常用的工艺气体(H2、N2、Ar、He)

通常认为， 热源的温度越高，加热能力就越大，这种认识并不全面。虽然温度是热源的一个重要参数，但反映热源加热能力大小的主要是它的热功率，即单位时间内它能传递多少热能。等离子弧的热功率除与弧电流和弧电压有关外，还与喷嘴直径、喷嘴长度、喷嘴几何形状、电极与喷嘴及工件间相对位置以及工作气体成分等有关。其中气体成分对等离子弧热功率的影响是十分显著的。这里先讨论工作气体对热功率的影响，其他因素在后面再讨论。

在等离子弧作为热源时，等离子气体主要起到了传导热量的作用。等离子气体被送到电弧的弧柱中进行分解、电离，并被加热到很高的温度，这几个过程都要吸收热量，当这样的气体射流即等离子体接触到温度较低的喷涂粉末时，则会放出在上述过程中吸收的热量，这个热量就传递给了喷涂粉末。显而易见，气体在加热、分解、电离以及温度升高时吸收的热量越多，它传递热量的能力也就越大。

常用等离弧的工作气体主要有氢(H2)、氮(N2)、氩(Ar)、氦(He)、空气(N2 +O2)、水蒸气(H2O)等。它们有的是单原子气体，有的是双原子或多原子气体。当双原子或多原子气体被加热时，首先要吸热分解为单原子，然后再进行电离。而单原子气体则没有热分解过程，直接被加热电离。因此相对而言双原子气体在加热、分解、电离过程中吸收的总热量(也称为气体的热焓值)是很高的。图5-7是几种气体热焓随温度变化的情况。图5 - 8是几种气体的导热率随温度变化的情况。

在选用等离弧的工作气体时,除了要考虑工作气体的热焓外，还要考虑工作气体的起弧和维弧性、对阴极(通常是钨电极)和阳极(紫铜喷嘴)材料的腐蚀性、与被喷涂材料是否会发生有害反应以及安全环保和工业成本等因素。

(1)氢气(H2)是典型的双原子气体，也是热焓及导热率最高的气体。它具有最强的热传递能力，这有助于粉末在等离子气体中的熔化。工作气体中混入氢，会明显地提高等离子弧的电压和热功率，因此在等离子喷涂难熔材料和陶瓷材料时氢是不可缺少的气体。对绝大多数金属材料来说，由于氢是种还原性的气体。加入氢可有效地防止材料的氧化。但同时高温下氢可溶于很多金属中，侵入钢基体的氢会引起钢基体的氢脆现象。此外，氢气的制取、保存都比较困难，成本较高，安全性要求高等，限制了氢在一些场合的使用。

(2)氮气(N2)是双原子气体，它具有很高的热焓值。它在电离过程中吸收的热量大，能量利用率高，且来源方便，价格便宜，已成为等离子喷涂中较为常用的工作气体。但是氮气的保护性能差，具有一定的氧化性，不适用于喷涂容易氧化的粉末。氮溶解于钢中形成氮化物，会使基材塑性降低。在等离子喷涂中常用来提高弧电压以及对粉末的传热。

(3)氩气(Ar)是单原子气体，它的弧电压较低，热焓值不高，低于双原子气体。它在温度升高过程中没有离解过程，而是直接吸收热量进行电离，电离升温很快，导热率比较小。氩气的引弧性能和稳弧性能比双原子气体好。氩气是典型的惰性气体，具有很好的保护性能，这在喷涂化学活性较强的金属时是十分有利的。氩气是最常用的等离子气体之一。在等离子喷涂中，常混入氢气或氮气来提高等离子焰流的热焓。

(4)氦气(He)是单原子气体。虽然它在电离时没有分解过程，但是其电离电位(24.5V)要远远高于其他工作气体，在电离过程中要吸收很多热量，因此在高温的状态下具有很高的热焓值。氦气是惰性气体，其物理和化学性能非常稳定，黏度也是各种等离子体中最高的，因此在等离子体中加入一定量的氦气能够有效地稳定电弧。但是,氦气在空气中的含量极低，提取成本非常高，限制了其在工业中的应用。

(5)水蒸气和空气的热量传递的能力也相当高(图5-7)，且来源广泛、方便，成本很低。因而人们已在考虑使用水蒸气和空气作为等离子喷涂的气体源，并取得定的成果。例如目前已有商品化的大功率水稳等离子喷涂设备问世，但结构十分复杂，喷涂时等离子射流稳定性欠佳。此外水蒸气和空气等离子射流的氧化性很强，除了喷涂些不怕氧化的陶瓷材料外，在其他方面很少应用。