等离子喷涂的工艺参数

2017-03-14 5373

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     1、电弧等离子

    ·工作气体成分:典型气体为Ar或者Ar+H2, Ar+He及Ar+N2混合气体,有时候用N2,及N2+H2混合气体,通常气体流量大约是40~50L/min,但是有些设备可达到80L/min。高能喷枪甚至可使气体流量达到500L/min(Jungklaus等,1996)。一些设备制造商推荐三种气体的成分,比如,Ar+He+H2或者Ar+He+N2。在等离子射流中,每种气体都有它自己的作用(Janisson等,1999):
    Ar稳定喷嘴中的电弧:He,N2或者H2具有高的热导率,增强了对颗粒的传热效果。
    三元混合气体已经可以从市场购得,比如Spral 22TM,Air  Liquide。在水稳等离子喷枪中,水蒸气形成了等离子气体,水消耗量约为5L/h  WSP 500 ,1997。也可以使用活性等离子形成气体,如碳氢化合物或者二氧化碳。但是要有产生这样一种活性等离子的喷枪,必须使用石墨为阴极(Fridlyand,1995)..电弧电流为几百安,电压则取决于两个主要的参数:
    -阴极和阳极的距离,距离越长,电压越高;
    -辅气的种类(双原子气体,比如氢气,可提高电压)。
    等离子喷枪通常工作电压为30~70V,有代表性的如Sulzer Metco的F4喷枪或者PraxairST公司的SG100喷枪。这些喷枪产生等离子温度大约在14000K,射流出口处的速度可达到800m/s,据报道水冷等离子喷枪温度可达到28000K,而高能等离子弧喷涂系统的速度可达到2900m/s(Plazjet,1995).工作气体主要影响喷涂颗粒的熔化程度,当采用分子气体时后者更易熔化,这是因为分子气体(如水蒸气(水冷等离子喷枪)和氢气(常规的等离子喷枪))比单原子气体的热导率更高。另外一方面,单原子气体可以达到高的速度,这是为什么单原子气体与分子气体混合气通常被使用,以便于较好的熔化颗粒并且具有高的喷涂速度。单原子气体He由于具有高的热导率,并且形成很窄的喷涂射流,所以也被用于辅气(Ingham和Fabel,1975)。
    ·电源功率,常规的稿子喷枪可达到80kw,但是水冷喷枪可达到200kw(WSP 500,1997),高能等离子喷枪甚至可达到250kw(Plazjet,1995)。
    ·电极形状,对于不同的工作气体,阴极头具有不同的形状。阳极的尺寸影响了等离子流的形态、温度及其速度 。比如,有报道采用收敛-发散的阳极喷嘴减小了电弧的波动(Schwenk等,2003)。电弧在一个或者很多位置与阴极和阳极接触(弧根)会产生损耗和磨损(Fisher,1972).在一些场合中,比如网纹辊上,有必要监控,这种破坏以减少由阴极或阳极向涂层过渡的金属。造成电极磨损是由于电弧中的热流密度很高(10 8W/m2)(Fridlyand,1995)。
    ·等离子射流的稳定化通常过使用工作气体的鞘层或者涡漩实现。水稳等离子喷枪也已经有商业化的产品。(WSP500,1997)
    2、粉末     
    ·颗粒尺寸通常在20~90υm范围
    ·粉末类型:最常用的是氧化物陶瓷。
    3、粉末注入
    ·注入方向:
     -径向送粉,这是常规等离子弧喷涂送粉方向,可以安置在阴极-阳极外(见图3-5和3-6及Sulzer-Metco的F4喷枪),或者在里面㈢(如PraxairST公司的SG100喷枪)。
    -轴向送粉,将后面讨论,三阴极喷枪,如Axial ⅢTM。
    ·注入角度,通常是90度,尽管有时候也用向后60度或者向前60度。
    ·送粉口,通常只有一个,尽管有时候使用两个或者三个,多个送粉口可以用来喷涂复合涂层。
    ·送分器,通常是旋转刮板型。
    ·送粉速率,通常在50~100g/min,但是在HPPS中可达到200/min.有报道水稳等离子喷枪(WSP 500,1997)达到1650g/min.
    ·载气量,在3~10L/min之间。
    4、主要的工艺参数
    ·喷涂距离:60~130mm.
    ·喷涂气氛是普通大气。
    ·喷枪相对基材的扫描速度,在50~2000mm/s之间。
    ·基材温度,当在金属基体上喷涂陶瓷时,由于会产生残余应力,基材温度是一个重要的参数(如图3-6中的压缩空气冷却喷嘴)。在这种情况下,基材温度需要保持在373~473K之间。
    ·后处理,通常用来提高涂层密度及其他性能,特别值得一提的有:炉内处理;激光处理;有机或者无机封孔剂封孔;放电等离子处理。