2013-05等离子体加工要点
等离子加工.
3）等离子体喷涂
为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温，需要在其表面喷涂一层 具有特殊性能的材料。等离子喷涂是利用等离子焰流为热源的热喷涂，利用 等离子体枪产生的等离子体流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态 下喷向基体材料表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000℃，喷流速 度达300-400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。等离子喷 涂使材料得到表面强化和表面改性，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高 温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。
4）等离子体冶炼
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由于等离子体温度高、气流可控、设备简单等特点，因此它在冶炼方 面也已获得一定程度上的应用，特别是在精炼和重熔方面，等离子电弧及 高温气流可以快迅加热熔炼炉中的炉料。等离子冶炼可以用于普通方法难 于冶炼的材料,例如高熔点的锆（Zr）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）、 钨（W）等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和 TiCl中分别等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可 开发硬的高熔点粉末，例如碳化钨-钴、Mo-Co等粉末等离子体冶炼其产 品成分及微结构的一致性好。
2、等离子体加工的特点
等离子体具有极高的能量密度，主要由等离子体的三种效 应决定： （1）机械压缩效应：电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通道 对电弧产生机械压缩作用，喷嘴通道的直径和长度对机械压缩 效应的影响很大。 （2）热收缩效应：喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷 却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性 差，电弧中心电离度高，导电性好，电弧电流被迫在在电弧中 心高温区通过，使电弧的优先截面缩小，电流密度大大增加。 这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一 般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却月充分，热收缩 效应越明显。 （3）磁收缩效应：电弧电流周围磁场作用迫使电弧强烈收缩， 电流密度更大，电弧更细更稳定。
等离子制备技术PPT课件
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等离子体的基本概念
• 等离子体与气体的区别 • 等离子体是导电流体而又整体上保持电中性 • 组成中带电粒子间存在库仑力 • 等离子体的运动行为受到电磁场的影响和制约
• 并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足 以限制其自身运动时，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不 过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。
• 高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷：在SPS过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的空隙本身都 可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传热过程在SPS过程中可以忽略不计。因此烧结时间可以 大为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒陶瓷，SPS是一种很有优势的烧结手段。
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等离子放电烧结
• 电子-电子
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等离子放电烧结
• 等离子体烧结技术SPS（Spark Plasma Sintering ）：在粉末间直接通入脉冲电流进行加热烧结，也被 称为等离子活化烧结或等离子体辅助烧结
• 等离子体烧结发展始： • 1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲烧结原理 • 1965年，脉冲电流烧结技术在美国和日本等国得到应用 • 1988年，日本研制出第一台工业型等离子体烧结装置 • 1996年，日本组织了等离子体烧结研讨会，每年召开一次 • 1998年，瑞典购进等离子体烧结系统，对碳化物、氧化物及生物陶瓷等进行较多研究工作 • 2006年6月武汉理工大学购置了国内首台等离子体烧结装置，此后国内多所高校及研究所相继引进该 装置，成为材料制备的全新技术
不同材料的等离子弧焊接工艺要点浅谈
2007.07不同材料的等离子弧焊接工艺要点浅谈蒋才城（岳阳工业技术学院湖南岳阳414000）摘要：本文结合等离子弧焊接原理，具体介绍了高温合金、铝及铝合金、钛及钛合金、银与铂等金属材料等离子弧焊接的工艺要点及工艺参数。
关键词：等离子弧焊接焊接工艺小孔型等离子弧焊熔透型等离子弧焊微束等离子弧焊中图分类号：TG47文献标识码：A 文章编号：1007-8320(2007）07-0011-02The Technologic Point of Plasma arc Welding for Assorted MaterialJiang Caicheng（Yueyang technology institute Hunan Yueyang 414000）Abstract:This text introduces the technologic point of plasma arc welding for high temperature alloy,aluminium and alumin-um alloy,titanium and titanium alloy,argentum ,platinum,etc.Key words:Plasma arc welding ,welding technology ,keyhole-mode welding ,fusion type plasma arc welding ,micro-plasma arc welding等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法，它是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。
钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。
等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。
两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。
由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，一次可焊透的厚度如表1所示，在同样熔深下其焊接速度比TIG 焊高，故可提高焊接生产率。
等离子体加工
采用等离子体表面加工技术， 采用等离子体表面加工技术，还可提高 某些金属材料的硬度，例如： 某些金属材料的硬度，例如：使钢板表面氮 化，可大大提高钢材的硬度。 可大大提高钢材的硬度。 等离子体还用于人体器官的表面加工， 等离子体还用于人体器官的表面加工，采 用氨和氰等离子体，对人造心脏表面进行加工， 用氨和氰等离子体，对人造心脏表面进行加工， 使其表面生成一种氨基酸，这样， 使其表面生成一种氨基酸，这样，人造心脏就 不易受人体组织排斥和血液排斥， 不易受人体组织排斥和血液排斥，是人造心脏 手术更容易获得成功。 手术更容易获得成功。
一、基本原理 等离子体加工又称为等离子弧加工， 等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用 电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束， 电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束， 考局部熔化及气体去除材料的。等离子体又被成 考局部熔化及气体去除材料的。 为物质的第四种状态。 为物质的第四种状态。 等离子体是高温电离的气体， 等离子体是高温电离的气体，它由气体原 子或分子在高温下获得能量电离之后， 子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成 带正电荷的离子和带负电荷的自由电子， 带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体 的正负离子数目和正负电荷仍相等， 的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为 等离子体。 等离子体。
等离子体加工时会产生噪声， 等离子体加工时会产生噪声，烟雾和强 光，故要求对其工作地点进行控制和防护。 故要求对其工作地点由： 等离子体具有极高的能量密度，主要由： 机械压缩效应、 机械压缩效应、热收缩效应和磁收缩效应等 造成的。 造成的。 2.设备和工具 设备和工具 简单的等离子体加工装置有手持等离子体 切割器和小型手提式装置， 切割器和小型手提式装置，比较复杂的有程 序控制和数字程序控制的设备， 序控制和数字程序控制的设备，多喷嘴的设 备；还有采用光学跟踪的设备。 还有采用光学跟踪的设备。
离子束和等离子体加工
离子束与等离子体加工的原理与特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1、离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦,将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流,在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2、等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工,就是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束,靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体就是高温电离的气体,它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后,理解成带正电荷的离子与带负电荷的自由电子,整体的正负离子数目与正负电荷仍相等,因此称为等离子体,具有极高的能量密度。
3、离子束加工主要的特点(1)属于原子级逐层去除加工,加工精度高(2)加工生产污染小(3)加工应力、变形小(4)加工范围广(利用机械碰撞能量加工)(5)易实现自动化(6)设备复杂、价格贵4、等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热,因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此,等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面;等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点,而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度与火焰角度,以及喷射距离,可以利用一个电极加工不同厚度与多种材料。
5、离子束抛光的典型应用离子束抛光就是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前,美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备,并应用于生产。
此外,日本、英国、法国等国也已开发与研究了这一新技术。
等离子加工
聚焦离子束在超精密加工检测中的应用摘要：随着科技的发展聚焦离子速在加工中的应用越来越广泛，因而本文主要介绍了聚焦离子速的加工原理、分类等，同时还着重介绍了聚焦离子速在加工超精密刀具（金刚石刀具）以及抛光方面的一些加工应用。
关键词：聚焦离子束技术、金刚石刀具、抛光引言一系统介绍离子速加工技术1离子束加工的原理：离子束加工的原理是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面，靠微观的机械撞击能量来加工的。
与电子束相比：1)相同点①在真空条件中进行②粒子束加工2)不同点①带正电荷的离子。
质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍。
②靠微观的机械撞击能量来加工的。
离子束比电子束具有更大的撞击动能[1]。
2离子束加工的物理基础：离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应、注入效应1)离子的撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件材料(或靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。
离子刻蚀(离子铣削) 、离子溅射沉积和离子镀①离子刻蚀(离子铣削) ：如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称离子铣削加工)。
②离子溅射沉积和离子镀：如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。
2)注入效应：如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。
3离子束加工的特点离子束加工技术是作为一种微细加工手段出现，成为制造技术的一个重要补充，随着电子工业和机械的发展获得成功的应用，其特点如下：（1）易于精确控制。
离子束可以通过离子光学系统进行聚焦扫描，共聚焦光斑可达到1um 以内，因而可以精确控制尺寸范围。
（2）加工时产生污染少。
加工时在较高真空状态下进行，特别适用于加工易氧化的金属、合金及半导体材料。
（3）加工应力小、变形小，对材料适应性强。
等离子体加工的原理
等离子体加工的原理
1. 等离子体加工是利用等离子体的特性来进行材料加工的技术。
2. 在真空腔室中充入工质气体,施加电压ion化气体形成等离子体。
3. 等离子体中的离子、电子、自由基、激发态原子等具有强烈的化学活性。
4. 这些活性粒子与待加工工件材料互相作用,使材料表面发生物理化学变化。
5. 根据要达到的加工目的,可以选择不同的工质气体,如氧、氮、氩气体等。
6. 通过调节工艺参数,控制等离子体的性质,选择性地与材料反应从而实现加工。
7. 应用等离子体腐蚀、溅射、沉积等效应,可以进行清洗、蚀刻、改性、镀膜等。
8. 等离子体可以精确控制,实现对材料表面层的选择性处理。
9. 等离子体表面处理可以改善材料的表面性能,提高耐腐蚀、硬度、导电性等。
等离子体加工技术
等离子体加工技术随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。
而等离子体加工方法就是一种不断发展的新型加工技术。
目前科学与工程技术的发展对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。
人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。
在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。
物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。
所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。
主要应用当光打在金属表面时，二维光或是等离子体就会被激发。
等离子体可以被看作是光子和电子的连接。
可以建立一个混合原则，由光转变成的等离子体在金属表面传播时（该等离子体的波长比原始光波的波长小的多）；等离子体能被二维光学仪器（镜子、波导、透镜等）处理，等离子体能再次转变成光或者电信号。
等离子体传感器和癌症治疗仪：NaomiHalas描述了等离子体怎样激发小金属层表面的，米粒形状的粒子能量很大，做光谱学试验的光是微分子数量级。
等离子体在米粒状粒子弯曲顶端处等离子体电场比用来激发等离子体的电场强很多，并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。
换一种说法，纳米数量级的等离子体不仅可以用来鉴定，还可以用来杀死癌细胞。
等离子体显微镜：IgorSmolyaninov、/m/products.aspx?TypeId=68&fid=t3:68:3报道称他和他的同事能够拍下来空间分辨率在60nm的物体（如果是实用材料，分辨率能达到30nm），而用激光激发只能达到515nm。
换句话说，用这种分辨率制造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多；而且，这更是远场显微镜光源不用放在少于光波长的范围内。
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快
(薄板)
火焰切割
0.5～1mm 100mm
大
慢 (中厚度板)
慢
(薄板)
激光切割
0.05~0.2mm 25mm
小
慢
(中厚度板)
快
(薄板)
气割与等离子弧切割对比
气割原理
气割 等离子切割
改进的等离子切割
额定电流小于100A
传统的切割方法 气体保护切割（防止切割时氧化切割表面）
额定电流达到750A
水保护切割（防氧化、冷却工件和喷嘴） 水射流保护切割（水压缩）
等离子弧温度分布
等离子弧的分类
等离子喷嘴
▪ 孔径D决定对等离子弧的压缩能力，但过小时易导致等离子弧 不稳定
▪ 孔径与工作电流大小有关，1～400A时，孔径为0.5～5mm ▪ 喷嘴的长度L越长，压缩能力越强，但过长时损耗大，切割时
L/L=1.5～2.5；喷涂时L/D=5～6
电极
▪ 电极材料：
▪ 钍钨、铈钨、锆钨
医疗
真空等离子喷涂
▪ 低真空（4～13kPa）
喷气机引擎叶片 (镍合金) 汽轮机叶片
真空等离子喷涂的特点
▪ 涂层结合强度高 ▪ 热能利用率高，粉末沉积效率高 ▪ 涂层残余应力小，可以制备厚涂层 ▪ 涂层过程中喷涂粒子无氧化或被污染 ▪ 设备复杂，运行成本高
超音速等离子喷涂
▪ 金属及其合金涂层
5.2 等离子切割(Plasma Cutting)
等离子弧切割
等离子弧切割系统的组成
等离子体切割工艺指标
▪ 厚度为25mm铝板：切割速度为760mm/min ▪ 厚度为6.4mm钢板：切割速度为4060mm/min ▪ 切边的斜度：一般为2～7度；最好1～2度 ▪ 切缝宽度：
▪ 厚度小于25mm 的金属：切缝宽度为2.5～5mm ▪ 厚度150mm的金属，切缝宽度为10～20mm
③表面处理
④等离子喷涂
等离子喷涂修复过程-3
⑤磨削喷涂表面
① 已磨损件
等离子喷涂的应用——改善表面性能
等离子喷涂的应用——改善表面性能
热交换器(提高热传导) 加热管（提高高温耐蚀性）
真空等离子喷涂（Vacuum Plasma Spraying）
▪ 低真空（4～13kPa）
喷气机引擎叶片 (镍合金) 汽轮机叶片
▪ 根据对涂层的性能要求，确定涂层的材料和厚度 ▪ 确定工艺参数：压力、粒度、喷枪与工件的相对运动速度 ▪ 表面预处理：
▪ 表面清理（酸浸、机械打磨、喷砂 ）：清除油污，铁锈，漆层等 ▪ 表面粗化（喷砂、开槽车螺纹、拉毛 ）：增强结合力，消除应力
▪ 非喷涂部位的保护 ▪ 喷涂前预热工件（100~200 ℃）→喷结合层打底（厚度
单位：mm
等离子焊接样件
等离子焊接样件
SUS430 t=0.3 φ1365×H270
等离子焊接样件
焊接前
焊接后
Байду номын сангаас
5.4 等离子喷涂(Plasma Spraying )
传统的热喷涂原理
等离子喷涂
等离子喷涂
等离子喷涂结合
机体 Cr2O3
涂层剖面
涂层表面
等离子喷涂设备组成
等离子喷涂的特点
▪ 热源温度高，适用于难熔材料的喷涂 、难熔材料的 复合涂层
5.等离子体加工
(Plasma Arc Machining, PAM)
5.1 等离子体——物质的第四状态
等离子体的组成
原子的激发与电离
等离子体的产生方法
利用电场作用获得等离子体气体种类
气体种类 氦（He） 氖（Ne） 氩（Ar） 氪（Kr） 氙（Xe）
阳极层 红色 黄色 桃色
阴极辉光 桃色 橙色 暗青色 绿色 橙绿色
100~200μm，距离在般控制在180~200mm）→除去灰粉和氧 化膜
▪ 喷涂工作层：距离控制在180~200mm，相对移动速度 70~150mm/s，温度＜250 ℃
▪ 喷后工件冷却：自然冷却 ▪ 封孔→机械加工
等离子喷涂的应用——零件修复
等离子喷涂修复过程-1
① 已磨损件
②车削磨损表面
等离子喷涂修复过程-2
▪ 直径：
▪ 工作电流为1～400A时，0.25～4mm
▪ 电极端部：
▪ 30～60度锥角（电弧稳定性）
等离子弧的特点
▪ 能量密度大(106W/cm2)、温度高(5000～ 28000℃)
▪ 电弧的方向性好（刚性） ▪ 较好的稳定性和可控性（电流可小于0.1A） ▪ 有双弧现象，影响加工精度 ▪ 设备投资大
回旋气流喷枪及加工机床
回旋气流切割效果
等离子回旋气流切割法
等离子精细切割
5.3 等离子焊接(Plasma Welding)
TIG 焊接
等离子焊接
焊缝的形成
等离子焊接系统的组成
等离子焊接机器人
等离子焊接机器人
等离子焊接的特点
▪ 能量密度大，焊接速度快 ▪ 电弧方向性强， ▪ 无电极损耗，焊接过程稳定，易于自动化 ▪ 熔池内温度高，电弧搅动性好，以排除熔池内气泡 ▪ 熔透能力强，焊缝深宽比较大，热影响区小
等离子切割工艺方法
手动切割
机动切割
机器人切割
刨削
破口
打标
等离子切割工艺应用
造船行业切割钢板 各种金属结构加工
等离子切割工艺应用
各种钢材原材料切割 建筑行业各种金属结构加工
等离子切割工艺应用
装饰品的切割 切割清除
艺术品的制作 拆毁
等离子弧切割质量
改善切口质量的方法：
回旋气流切割法
存在问题
回旋气流法割法
阳极光柱 赤色~紫色
红茶色 暗红色 青紫色 白绿色
等离子弧形成过程
激活开路电压、气体流向割炬
气流稳定后，激活高频电路
利用等离子弧进行加工
关闭高频电路，同时打开主电源
常用等离子弧
▪ 等离子弧形成中的三效应
▪ 机械压缩效应，热收缩效应，磁收缩效应
▪能量密度：106 W/cm2 ▪温度：5000～28000℃ ▪速度：104～107m/s
▪ 加工精度：
▪ 孔径10mm以内，钢板厚度4mm时，±0.25mm ▪ 钢板厚度35mm，精度为±0.8mm
▪ 表面粗糙度
▪ Ra1.6～3.2m，热影响层分布的深度为1～5mm
三种切割方法对比
①
②
③
切割精度 最大切割厚度 热影响 切割速度 切割速度
等离子切割
0.2~0.8mm 40mm
小
快 (中厚度板)
▪ 射流速度大（几十至几百米／秒），涂层结合强度 高、气孔率低（体积百分比：15%左右）
▪ 喷涂过程对基体的热影响较小（30～180℃），可 对已成型工件进行表面喷涂
▪ 采用惰性气体保护和加氢气体还原等方法，降低喷 涂颗粒氧化
▪ 喷涂工艺规程稳定，操作比较简便，喷涂效率较高
等离子喷涂
等离子喷涂工艺