等离子喷涂设备的工作原理
等离子喷涂工作原理
等离子喷涂工作原理
等离子喷涂是一种表面处理技术，它利用高温等离子体产生的高能粒子对待处理物体的表面进行喷涂，从而改变其性质和外观。
其工作原理如下：
1. 等离子体产生：通常使用高频电源将工作气体（如氧气、氮气等）引入到封闭的喷涂系统中，产生一定的气流。
然后通过加高电压或加热等方式，使气体中的分子形成高温等离子体。
2. 高能粒子形成：高温等离子体中的分子会被高能粒子撞击、电离和激发，从而形成高速的带电粒子流。
3. 粒子流喷涂：高速的带电粒子流通过喷嘴，被推向待处理物体的表面。
因为粒子带有正电，所以它们在电场的作用下会受到加速，从而具有很高的动能。
4. 喷涂过程：高速的带电粒子流撞击到待处理物体的表面时，会产生热能和冲击力。
热能可以使物体表面的温度升高，冲击力可以改变物体表面的形貌和结构。
5. 涂层形成：由于高温等离子体产生的高能粒子和物体表面的相互作用，物体表面的一层新的材料会被沉积或熔融，并形成一层均匀、致密、附着力强的涂层。
总结：等离子喷涂工作原理主要包括等离子体产生、高能粒子形成、粒子流喷涂、喷涂过程和涂层形成等环节。
通过这些过程，可以实现对待处理物体表面的清洁、改性和涂层形成，以达到表面处理的目的。
实验1-等离子喷涂
等离子弧几种作用形式： 等离子弧几种作用形式：
（1）非转移型弧。喷嘴接电源正极，钨极接电源负极， ）非转移型弧。喷嘴接电源正极，钨极接电源负极， 电弧建立在钨极和喷嘴内表面之间， 电弧建立在钨极和喷嘴内表面之间，等离子焰流从喷嘴内 喷出，可用于喷涂、切割等。 喷出，可用于喷涂、切割等。 （2）转移型弧。工件接电源正极，钨极接电源负极，电 ）转移型弧。工件接电源正极，钨极接电源负极， 弧建立在钨极和工件之间，用于金属切割、粉末堆焊等。 弧建立在钨极和工件之间，用于金属切割、粉末堆焊等。 （3）联合型弧。喷嘴和工件接电源正极，钨极接电源负 ）联合型弧。喷嘴和工件接电源正极， 极，非转移型弧和转移型弧并存的等离子弧。联合型弧亦 非转移型弧和转移型弧并存的等离子弧。 可用于喷涂。 可用于喷涂。
多孔Ti颗粒涂层 多孔 颗粒涂层
羟基磷灰石涂层
强生公司
Zimmer公司 Zimmer公司
3. Plasma
等离子体：指气体部分或全部电离（电弧放电、辉光放电、 等离子体：指气体部分或全部电离（电弧放电、辉光放电、高频放
电、光致电离），形成正、负离子数量相等而整体呈中性的导电体，是 光致电离），形成正、负离子数量相等而整体呈中性的导电体， ），形成正 继固体、液体、气体之后物质的第四态。 继固体、液体、气体之后物质的第四态。 等离子体是一个广义的概念。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指 等离子体是一个广义的概念。 气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。 气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。 用于喷涂的等离子电弧（简称等离子弧） 用于喷涂的等离子电弧（简称等离子弧）一般都是用等离子弧发生器产 生的压缩电弧。一般阴极采用钨铈或钨钍合金材料， 生的压缩电弧。一般阴极采用钨铈或钨钍合金材料，喷嘴阳极采用紫铜 。压缩电弧的形成是热压缩效应、自磁压缩效应和机械压缩效应联合作 压缩电弧的形成是热压缩效应、自磁压缩效应和机械压缩效应联合作 热压缩效应 用的结果。 用的结果。
等离子喷枪工作原理
等离子喷枪工作原理一、引言等离子喷枪是一种常用的喷涂设备，广泛应用于表面涂层、清洗和材料改性等领域。
本文将介绍等离子喷枪的工作原理以及其在实际应用中的特点和优势。
二、等离子喷枪的基本结构等离子喷枪主要包括喷枪架、电源、气源和喷头等组成部分。
其中，喷头是关键的部件，用于产生等离子体，并将其喷射到目标表面。
三、等离子喷枪的工作原理等离子喷枪的工作原理基于等离子体的产生和加速喷射。
其主要工作过程如下：1. 等离子体的产生通过电源提供高频交流电，将气体转化为等离子体。
在喷头的电极间形成高压放电区域，使气体分子发生电离，形成带正电的离子和带负电的电子。
2. 等离子体的加速喷射在高压放电的作用下，带正电的离子和带负电的电子在电场力的作用下加速运动，从而形成高速的等离子体束。
喷头的设计使得等离子体束能够集中喷射到目标表面。
四、等离子喷枪的特点和优势等离子喷枪具有以下特点和优势：1. 高能量密度：等离子体束的能量密度较高，可以实现高效的表面处理和材料改性，如清洗、融合和涂层等。
2. 高速喷射：等离子体束的加速喷射速度较快，可以快速覆盖大面积的目标表面，提高工作效率。
3. 精准控制：等离子喷枪可以通过调节电源和气源等参数，实现对等离子体束的能量、速度和喷射方向的精确控制。
4. 无接触处理：等离子喷枪可以实现对目标表面的无接触处理，避免了机械性磨损和污染等问题。
5. 处理范围广泛：等离子喷枪适用于多种材料和表面，可以处理金属、陶瓷、塑料等不同类型的物体。
六、等离子喷枪的应用领域等离子喷枪在许多领域都有广泛的应用，包括：1. 表面涂层：等离子喷枪可以实现金属、陶瓷和塑料等材料的涂层，提高其耐磨、耐腐蚀和耐高温等性能。
2. 清洗和去污：等离子喷枪可以通过高能量的等离子体束清洗和去除目标表面的污染物，如油污、氧化物和颗粒等。
3. 材料改性：等离子喷枪可以实现材料表面的物理和化学改性，如增加粗糙度、增强附着力和改变化学成分等。
等离子喷涂
等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。
等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。
③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
<1>等离子的形成（以N2为例）：0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动；大于10°k时，开始旋转运动；大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子：N2＋Ud——>N＋N 其中Ud为离解能温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中Ui为电离能气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。
离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。
热喷涂所利用的正是这类等离子体。
<2>喷涂原理：等粒子喷涂原理如图5－9所示。
等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。
按接电方法不同，等离子弧有三种形式：①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。
这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。
等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。
②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。
这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。
等离子喷涂
(四) 大气等离子喷涂设备组成
2
3 1 4 5
6 7
8
9
10
图等离子喷涂设备组成示意图 1-冷却水;2-电源;3-控制设备;4-粉末输送设备;5-喷枪;6-等离子焰流;7-工件 ;8-工作气体;9-粉末输送气体;10-电、工作气体、冷却水输入
辅助设备包括喷涂柜，通风除尘装置，带动喷枪及工件运动的机 械装置等。喷涂设备应置于有隔音效果的喷涂室内。喷涂室内还 应有供给压缩空气的管道，在喷涂操作时作冷却气体及向防护头 盔供给新鲜空气。
14
(四) 大气等离子喷涂
（1）基体表面的清洁 1）基体表面油污、氧化膜的清除 基体表面的油污等可以采用氢氧化钠、碳酸钠、丙酮、乙 醇、汽油、三氯化乙烯和过氯乙烷乙烯等溶液，将基体表面的油 污溶解，再加以清除，也可以采用三氯乙烯蒸汽进行清洗，但三 氯乙烯对人体有害。 对于疏松基体的油污去除，需要将其加热到250℃左右， 尽量使渗透到疏松孔中的油污渗出表面，然后再将其清除。 2）基体表面氧化膜的处理 可以采用机械加工的方法，也可以硫酸或盐酸进行酸洗。 （2）基体表面的粗化处理 对基体进行粗化处理，可以提高涂层与基体的结合面积， 提高涂层与基体结合强度，因而粗化处理的效果好坏直接影响到 基层与涂层的结合强度。
自由 电弧
压缩 电弧
电弧燃烧不受任何约束，温度一般在5000~6000K 电弧燃烧由于冷却喷嘴的拘束作用而存在机械压 缩效应、热压缩效应、自磁压缩效应。电弧温度可达 4 3×104K
(一) 等离子弧组成
等离子弧可划分为阴极和阴极区、弧柱区、阳极 和阳极区三个部分，如图所示。 （1）阴极和阴极区 等离子放电的绝大多数电子是由阴极发出的。阴 极表面放电部分的总和称为阴极斑点。其电流密度 高达103~106A/cm2。阴极区是指靠近阴极电场强度 很强的区域，其距阴极约为10-4cm。电位梯度大。
等离子喷涂
表面预处理
工件表面净化
脱脂去污（碱洗），去锈（酸洗）表面来自化处理喷砂处理
喷涂打底层
镍铬铝钴氧化钇复合粉
低碳钢表面喷涂氧化铬(Cr2O3)
氧化铬(Cr2O3)是优异的抗腐蚀磨损涂层材 料，对水、光、高温腐蚀性气体（SO2、 H2S）和大气极稳定。硬度高、摩擦系数小， 耐磨和抛光性能好。 Cr2O3粉末的喷涂工艺规范宽，局部过热涂 层不易开裂。喷涂层致密，与基体结合强 度高，能够磨削到很小的表面粗糙度。涂 层具有优异的抗磨损、自配合及耐腐蚀 （适当密封处理）等综合性能。
涂层性能
密度 熔点 硬度 HRC 60-72 热胀 系数 9.6 热导 率 12.5 比热容 体积电阻 辐射率
5.12
2265~2435
0.669~0.921
2.5×10∧3
0.6~0.8
对磨材料 摩擦系数 （f）
聚四氟已烯 0.16
中碳钢 0.11
铜 0.35~0.46
石墨 0.22
不锈钢 0.43
等离子喷涂的优点
（1）温度高、热量集中，便于进行高熔点材料的 喷涂：金属、陶瓷及有机材料和金属陶瓷复合材 料等。 （2）用惰性气体作工作气体，涂层中氧化物很少， 适合喷涂易氧化的活性材料。 （3）喷涂后的涂层致密度高，孔隙率很低，且涂 层的粘结强度也很高； （4）对工件的热变形影响很小，喷涂效率高； （5）工件不带电、基体材料范围广。金属、石墨、 水泥制品、硬塑料、石棉、陶瓷、玻璃、木材等 均可。
等离子喷涂的缺点
（1）等离子喷涂设备投资大、成本较高，且工作 气体的纯度要求较高；
（2）小孔径孔内表面难以喷涂，这是因为受到喷 枪尺寸及喷距的限制的缘故； （3）等离子喷涂时，劳动保护要求高，因为在等 离子喷涂过程会产生剧烈噪声、强光辐射、有害 气体（臭氧、氮氧化物等）、金属蒸汽粉尘等。
低温等离子喷涂技术及其在汽车制造业中的应用
低温等离子喷涂技术及其在汽车制造业中的应用第一章概述低温等离子喷涂技术是近年来新兴的喷涂技术，由于其优异的喷涂效果，目前在各行业中得到了广泛的应用，汽车制造业也不例外。
本文将重点探讨低温等离子喷涂技术在汽车制造业中的应用。
第二章低温等离子喷涂技术原理低温等离子喷涂技术是基于等离子体物理原理的一种喷涂方式。
喷涂过程中，先将液态材料喷向被涂物表面，然后通过等离子体的强烈激励将液滴气化，并在气体中形成离子化状态，最后在被涂物表面冷凝。
由于低温等离子喷涂技术是基于气体状态下的喷涂技术，所以相比于传统的热喷涂技术，具有喷涂精度高、材料损伤小的优点。
第三章低温等离子喷涂技术在汽车制造业中的应用3.1 表面涂层制备汽车表面涂层是汽车生产中的重要环节之一，可以保护汽车表面不被腐蚀和磨损。
传统的汽车表面涂层制备方式通常是采用喷涂或电泳等方式，但这些方式存在着涂层粘附力较差、涂层厚度不均等缺点。
而低温等离子喷涂技术可以在保证涂层质量的前提下，能够做到涂层的薄型化，减小了涂层对汽车整体重量的影响。
3.2 地盘制备汽车地盘也是汽车生产中的重要组成部分，直接关系到行驶时的稳定性和舒适性。
在汽车地盘制备过程中，一般采用的是铆钉等固定方式，但会存在着螺栓松动的问题。
而利用低温等离子喷涂技术可以实现地盘的无孔配合，使得地盘不会因为螺栓松动而引起行驶时的危险。
3.3 发动机薄膜制备汽车发动机薄膜制备可以提高发动机的耐磨性、塑性和耐蚀性。
传统的发动机薄膜制备方式通常采用的是物理喷涂或化学气相沉积等方式，但这些方式存在着薄膜质量不稳定、成本高等问题。
而低温等离子喷涂技术可以做到制备的薄膜质量稳定，且成本低廉。
第四章低温等离子喷涂技术未来发展趋势低温等离子喷涂技术作为新兴的喷涂技术，未来的发展趋势也值得关注。
一方面，随着科技的发展，低温等离子喷涂技术的精度和稳定性会更加优化，涂层质量将会得到提高。
另一方面，随着环保意识的加强，低温等离子喷涂技术也将更多地应用于环保材料的制备以及原材料的节约。
单电极等离子喷枪工作原理
单电极等离子喷枪工作原理
单电极等离子喷枪是一种常用的喷涂工具，其工作原理如下：
1. 电源产生高电压：通过电源，喷枪电极被施加高电压。
这使得电极成为正极，形成强电场。
2. 雾化液体：被喷涂的液体通过管道进入喷枪，经过喷嘴，形成细小的液滴。
3. 液滴离子化：由于强电场的作用，液滴在喷嘴附近被离子化，形成带电的液滴。
4. 离子加速：带电的液滴被电场加速，速度增加。
在这个过程中，液滴的表面电荷被拉伸形成细长的涡旋状，称为涡旋云。
5. 涂层形成：涡旋云与喷涂表面发生相互作用，涡旋云中的离子被表面化学反应吸附，从而形成均匀的涂层。
总结起来，单电极等离子喷枪通过高电压形成强电场，将液滴离子化，并加速这些带电液滴，使其与喷涂表面发生化学反应，最终形成涂层。
这种喷枪适用于各种涂层喷涂，包括涂漆、涂层修复等领域。
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等离子喷涂设备的工作原理
等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。
等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。
③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
<1>等离子的形成（以N2为例）：
0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动；
大于10°k时，开始旋转运动；
大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子：
N2＋Ud——>N＋N 其中 Ud为离解能
温度再升高，原子会发生电离: N＋Ui——>N＋＋e 其中 Ui为电离能
气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100％，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1％，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1％以上的气体被电离，具有几万度的温度。
离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。
热喷涂所利用的正是这类等离子体。
<2>喷涂原理：
等粒子喷涂原理如图5－9所示。
等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。
按接电方法不同，等离子弧有三种形式：
①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。
这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。
等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。
②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。
这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。
等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的是这类等离子弧。
③③联合弧:非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。
这种情况喷嘴，工件均接在正极。
等离子喷焊采用这种等离子弧。
进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达; 15000～20000°k。
焰流速度在喷嘴出口处可达
1000～2000m/s，但迅衰减。
粉末由送
粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。
图5-10 等离子焰流温度分布
<3>等粒子喷涂设备：等离子喷涂设备主要包括：
①喷枪：实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电，气，粉，水等。
②电源：用以供给喷枪直流电。
通常为全波硅整流装置。
③送粉器：用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。
④热交换器：主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。
⑤供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统。
⑥控制框：用于对水，电、气、粉的调节和控制。
<4>等粒子喷涂工艺：
在等粒子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，主要有：
①等离子气体：气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，N2气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。
Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar 气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵。
气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。
流量过高，则气体会从等离子射流中带走有用的热，并使喷涂粒子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态，结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低；相反，则会
使电弧电压值不适当，并大大降低喷射粒子的速度。
极端情况下，会引起喷涂材料过热，造成喷涂材料过度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集，然后以较大球状沉积到涂层中，形成大的空穴。
②电弧的功率：电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。
此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。
而电弧功率太低，则得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。
③供粉：供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。
送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。
④喷涂距离和喷涂角：喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。
喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。
在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。
喷涂角：指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。
该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。
⑤喷枪与工件的相对运动速度：喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。
也就是说，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。
⑥基体温度控制：较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。
近几年来，在等离子喷涂的基础上又发展了几种新的等离子喷涂技术，如：
3.真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂）：真空等离子喷涂是在气氛可控的，4～40Kpa的密封室内进行喷涂的技术。
因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的材料。
4.水稳等离子喷涂：前面说的等离子喷涂的工作介质都是气体，而这种方法的工作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是：喷枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧。
由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此，可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高。