等离子喷涂原理与应用详解 共40页
等离子喷涂的应用及发展趋势
由几个零部件磨损，导致北京地铁四号线电扶梯发生故障，而造成人员伤亡的案件，至今仍让人深感痛惜。
事件过后，人们不禁反思，几个小小零部件的磨损果真有这么大的威力吗？毋容置疑，得到的答案是肯定的。
事实上，据国外统计资料表明：摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源，约有80%的机器零部件都是因为磨损而失效，每年因此而造成的损失也是相当巨大。
因此，发展表面防护和强化技术，也得到世界各国的普遍关注，这也极大推动了表面工程技术的飞速发展和提高。
表面工程技术能够制备出优于本体材料性能的表面薄层，赋予零部件耐高温、耐磨损及抗疲劳等性能。
其中，等离子喷涂作为是表面工程中的一项重要技术，因其具有涂层硬度高、耐磨性能优异等优点，已在国民经济的各个领域获得广泛应用。
经过整理搜集，下面慧聪小编就为大家简单介绍下等离子喷涂技术。
一、等离子喷涂的工作原理：等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂，指利用等离子弧将金属或非金属粉末加热到熔融或半熔融状态，并随高速气流喷射到工件表面形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术。
其中等离子弧是一种高能密速热源，当喷枪的钨电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接电源负极和正极（工件不带电）时，通过高频振荡器激发引燃电弧，使供给喷枪的工作气体在电弧的作用下电离成等离子体。
由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。
等离子喷涂工作原理点击此处查看全部新闻图片二、等离子喷涂的特点：1、由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用，所形成的非转移型等离子弧可以获得高达10000摄氏度以上的高温，且热量集中，因此可以熔化各种高熔点、高硬度的粉末材料。
2、等离子焰流速度高达1000m/s，喷出的粉粒速度可达180-600m/s，因此可以获得组织致密、气孔率低、与基材结合强度高(65-70MPa)、涂层厚度易于控制的喷涂层。
3、等离子喷涂过程中零件不带电，且受热温度低(表面温度一般不超过250℃），因此喷涂过程中零件基本无变形，母材的组织性能亦无变化，且不改变其热处理性质。
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。
22-等离子喷涂快速制模技术PPT模板
8
快速制造技术及应用
4 Chp3 服务内容
母体
表面预处理
等离子喷 涂
填充 脱 模
模
零
具
件
表面形貌相反
表面形貌相同
（a）
母体 工作模 表面预处 等离子喷 填充 脱模 模 零
理
涂
具件
表面形貌相反
表面形貌相同
（b） 图7-8 等离子喷涂快速制模工艺
5 Chp3 服务内容
等离子喷 1.2 涂快速制
模工艺
等离子喷涂快速制模过程如图7-9所示。等离子喷涂法制作凹模和 凸模的过程是相同的，下面只叙述凹模的制作过程。
等离子喷 1.3 涂快速制
模的特点
➢ 等离子弧的能量高度集中，温度可达万度以上，它不仅可以喷涂金 属粉末，也可以喷涂陶瓷粉末或金属与陶瓷的复合粉末，制作的模 具型腔表面性能优良。
➢ 由于等离子弧的流速大，粉末颗粒能获得较大功能，涂层致密性较 好，可以制作型腔带有精密表面图案的模具。
➢ 等离子弧工作环境可控，可使用还原性气体和惰性气体作为工作气 体，这样就能比较可靠地保护喷涂材料不被氧化。
对具有复杂精密图案的母体表面进行预处理，主要是在母体表面 生成一定厚度的氧化膜，以便于脱模。将要求的粉末材料（金属、陶 瓷、金属和陶瓷的复合粉末等）用等离子弧喷涂到母体表面，形成一 定厚度的喷涂层。用环氧树脂或其他低熔点金属材料填充喷涂层，使 喷涂层厚度和强度增加，再将母体和喷涂层脱离，即获得带精密图案 的凹模。用同样的方法制作凸模，再将凹模和凸模组合起来，即获得 一副完整的模具。
1
快速制造技术及应用
2 Chp3 服务内容
等离子喷 1.1 涂快速制
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。
等离子热喷涂
（2）等离子热喷涂
等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为 热源, 将欲喷涂粉末材料加热到熔融或半熔 融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射 到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一 种热喷涂表面加工方法。
(3)、等离子喷涂的主要特点
1)喷涂过程对基体的热影响小,零件无变形，不改变基
体金属的热处理性质。 2)涂层的种类多。等离子焰流的温度高，可以将各种喷
涂材料加热熔融状态，因而可供等离子喷涂用的材
料非常广泛，可以得到多种性能的喷涂层。 3)工艺稳定，涂层质量高。等离子喷涂层与基体金属的 法向结合强度通常为40～70MPa。涂层孔隙率3~5%。 4) 涂层平整光滑,可精确控制厚度。
2）等离子喷涂：由于等离子喷涂的涂层结 合力通常在40～70MPa之间，很难解决磨 蚀问题，但这一结合力可以很好的解决气蚀 问题，可以对水轮机叶片受沙石冲击面采用 煤油超音速喷涂，以解决磨蚀问题，对于叶 片的背面（以气蚀为主的面）采用等离子超 音速喷涂以解决气蚀问题。这样可以很好的 解决各自的主要问题，并且可以降低成本， 这是由于等离子喷涂的成本只是煤油超音速 喷涂成本的1/3。
(1)对等离子喷涂的陶瓷涂层进行封孔理。 (2)等离子射流中温度场和速度场分布的实 验数据和理论分析的比较还有一定困难。 (3)涂层间的结合、涂层与基体的结合、气 孔率及未融粒子的控制等。
谢 谢！
(4)、等离子喷涂设备：
1)等离子喷枪；
2)电源及控制柜； 3)送粉器 4)热交换器
（5）、等离子喷涂技术的应用
1、耐磨涂层(水轮机中的气蚀问题)
2、耐腐蚀涂层 3、热障涂层 4、生物医学功能陶瓷涂层
等离子喷涂技术简介及其应用前景.
3
等离子喷涂技术介绍
热喷涂技术
热喷涂的工艺方法有很多种，根据加热源的不同可分为： 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂( APS) 、爆炸喷涂
4
等离子喷涂技术介绍
等离子喷涂技术
等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之 形成涂层的热喷涂方法。
等离子体：自然界物质的第四态——等离子体。当气体 电离度大于0.1%时，正离子和电子数量增多且相等，其 空间电荷为零，呈中性状态，处于这种状态下的气体称 为等离子体 等离子喷涂工作气体常用Ar 或N2，再加入5% ～ 10% 的 H2，气体进入电极腔的弧状区后，被电弧加热离解形成等 离子体，其温度可达15000 ℃以上。
（2）合理选择喷涂工艺,优化工艺参数 （3)进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理,寻求消除 或减少孔隙率的方法
（4）研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生 气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机
35
Thank You！
2014年5月22日
36
27
等离子喷涂技术应用
（1）纳米涂层
等离子喷涂技术作为一个传统的涂层制备手段用于喷涂纳 米涂层具有独特的优势。如低成本、高效率，适于工业化 生产，所得涂层硬度高、耐磨性好、与基体结合强度高。
等离子喷涂
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。
③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。
喷涂原理
等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧相比较，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)。
特点
等离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。
等离子的形成
（以N2为例）： 0°k时，N2分子的两个原子呈哑铃形，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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1946年朗道证明当朗缪尔波传播时，共振电子会吸收波的能量造成波衰减，这称为朗道阻 尼。朗道的这个理论，开创了等离子体中波和粒子相互作用和微观不稳定性这些新的研究 领域。
等离子喷涂的发发展史
19世纪30年代英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放 电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。
1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。
美国的I.朗缪尔在1928年首先引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世。
2）条件不同 等离子喷涂可以直接在大气环境下 气相沉积必须在高真空下进行
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
3）涂层组织结构与厚度不同 等离子喷涂涂层的组织为层状堆积，涂层存在大量粒子间界面和气孔等
缺陷。 气相沉积涂层是致密的几微米厚的薄膜材料
4）性能上的不同 等离子喷涂在某种程度上提高了涂层的性能， 气相沉积大大提高了材料的性能
等离子喷涂时，喷涂后基体组织不发生变化，工件几乎不产生变形。 4）效率高
等离子喷涂时，生产效率高，采用高能等离子喷涂时，粉末的沉积速率 达8Kg/h。
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
1. 与火焰喷涂的区别 等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种精密喷涂方法。
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。
从20世纪30年代起，磁流体力学及等离子体动力论逐步形成。等离子体的速度分布函 数服从福克－普朗克方程。
苏联的Л .Д .朗道在1936年给出方程中由于等离子体中的粒子碰撞而造成的碰撞项的碰撞 积分形式。
1938年苏联的A.A.符拉索夫提出了符拉索夫方程，即弃去碰撞项的无碰撞方程。朗道碰撞 积分和符拉索夫方程的提出，标志着动力论的发端。
等离子体的高温足以瞬间熔化目前已知的任何材料，从而使等离子喷涂 的材料更为丰富，特点是喷涂高熔点陶瓷材料，等离子喷涂具有很大优势。
火焰喷涂只适合一些熔点较低的喷涂材料。
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图 等离子喷枪结构及喷涂原理示意图
等离子喷涂与其它表面改性技术的区别
热喷涂技术最早于1910年由普博士发明，当时命名：“金属喷镀” 1943年美国METCO公司首次出版了《金属喷镀》手册 1959年美国METCO公司第七次出版改名《火焰喷涂》手册 1973年9月10—14日在英国伦敦召开第七届有关国际热喷涂会议，改名“金属喷涂” 1979年9月27—10月1日在美国Florida州一著名休养地Miami城召开第八届国际热喷涂 会议，就采用“热喷涂”，这一名词，这就是“热喷涂”名词的由来 上世纪五十年代，在一些发达国家的军工科研机构开始研究等离子喷涂，等离子弧焰 温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高（40～80MPa），孔隙率小于 5％，在军工部门得到广泛应用，在之后的几年内，等离子喷涂技术逐渐运用到民用产品。
等离子喷涂的发发展史
从1935年延续至1952年，苏联的H.H.博戈留博夫、英国的M.玻恩等从刘维定理出发， 得到了不封闭的方程组系列，名为BBGKY链。由它可导出符拉索夫方程等,这给等离子体动 力论奠定了理论基础。
1950年以后，因为英、美、苏等国开始大力研究受控热核反应，促使等离子体物理蓬 勃发展。热核反应的概念最早出现于1929年，当时英国的阿特金森和奥地利的豪特曼斯提 出设想，太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源，这是天然的 自控热核反应。1957年英国的J.D.劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件，即劳孙判 据。
等离子喷涂的定义、原理 和特点
等离子喷涂具有以下特点：
1）可喷材料及为广泛 由于等离子喷涂时焰流温度高、热量集中，弧柱化一切高熔点和高硬度材料。这是其它喷涂方法所不 能实现的。 2）涂层致密，结合强度高（相对一火焰喷涂）
因为等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以，喷 涂获得的涂层致密度，一般在90%-98%之间，结合强度可达65-70MPa。 3）对工作热影响小
等离子喷涂的基材表面预处理
喷砂，sand blasting，利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程。
基体的表面准备是热喷涂作业中非常重要的环节，涂层的结合质量直接与 表面的清洁度
等离子喷涂的定义、原理 和特点
plasma coating;plasma spraying
等离子喷涂等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，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。 等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热 源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向 经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。
2. 与气相沉积的区别
1）根本方法不同（定义） 等离子喷涂是将材料输送到高温等离子射流中，粉末颗粒在高温等离子射
被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以单个颗粒为单元分别凝固在零件表面 形成层片状堆积涂层
气相沉积是将一种或数种材料通过电阻加热、离子轰击或者电子束照射方 法使其气化（化化学分解），以直接气－固沉积方式（或发生化学反应）在零 件表面形成几微米的致密涂层。
章源投资控股有限公司
ZhuangYuan Investment Holding Co. Ltd.
等离子喷涂基础知识与实例分析
主讲人：唐炜 July. 2, 2019
目录
1. 等离子喷涂的定义、原理 和特点 2. 等离子喷涂与其它表面改性技术的区别 3. 等离子喷涂的发展史 4. 等离子喷涂的基材表面预处理 5. 等离子喷涂涂层的检测方法 6. 等离子喷涂设备 7. 等离子喷涂应用举例