等离子喷涂
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。
低温等离子喷涂技术提高附着力
低温等离子喷涂技术提高附着力低温等离子喷涂技术（Low Temperature Plasma Spraying, LTPSS）是一种先进的表面处理技术，它通过将材料加热到等离子状态并喷涂到基材上，以形成具有优异性能的涂层。
这种技术因其在提高附着力方面的显著效果而受到广泛关注。
以下是关于低温等离子喷涂技术提高附着力的详细论述。
一、低温等离子喷涂技术概述低温等离子喷涂技术是一种利用低温等离子体作为热源，将粉末或线材材料熔化并加速到基材表面，形成涂层的过程。
与传统的热喷涂技术相比，LTPSS具有较低的热输入，这有助于减少基材的热影响区域，保持基材的原始性能，同时提高涂层的附着力和整体性能。
1.1 低温等离子喷涂技术的原理LTPSS技术的核心原理是利用等离子体的高温和高速特性，将材料加热至熔融或半熔融状态，并以高速喷射到基材上。
等离子体是一种部分电离的气体，具有高能量和高焓值，能够高效地传递热量，使材料迅速熔化并形成涂层。
1.2 低温等离子喷涂技术的特点LTPSS技术具有以下特点：- 低热输入：与传统的热喷涂技术相比，LTPSS的热输入较低，有助于保护基材不受热损伤。
- 高附着力：由于等离子体的高速喷射作用，涂层与基材之间的界面结合力得到显著增强。
- 优异的涂层性能：LTPSS技术能够制备出具有良好耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性的涂层。
- 广泛的材料适应性：LTPSS技术适用于多种材料的喷涂，包括金属、陶瓷、复合材料等。
二、低温等离子喷涂技术提高附着力的机制低温等离子喷涂技术提高附着力的机制主要包括以下几个方面：2.1 界面结合力的增强LTPSS技术通过高速喷射作用，使涂层材料与基材表面产生强烈的物理和化学作用，形成牢固的界面结合。
这种结合力的增强，主要得益于以下几个因素：- 表面清洁：等离子体的高温可以去除基材表面的氧化层和污染物，提供清洁的表面，有利于涂层与基材的结合。
- 表面活化：等离子体中的活性粒子可以激活基材表面，促进涂层与基材之间的化学键合。
22-等离子喷涂快速制模技术PPT模板
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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。
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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
(四) 大气等离子喷涂设备组成
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3 1 4 5
6 7
8
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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。
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(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。
等离子喷涂 参数
等离子喷涂参数
摘要：
1.等离子喷涂简介
2.等离子喷涂参数分类
3.常见等离子喷涂参数及其影响
4.参数选择与调控对等离子喷涂效果的重要性
正文：
一、等离子喷涂简介
等离子喷涂是一种表面技术，通过高速喷射等离子弧所产生的气流，使涂层材料在工件表面沉积，形成一层具有特定性能的涂层。
等离子喷涂技术广泛应用于机械、电子、航空等领域，以提高工件的耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化性等性能。
二、等离子喷涂参数分类
等离子喷涂参数主要包括气体成分、气体流量、喷射速度、喷嘴与工件距离、弧压、电流等。
这些参数对等离子喷涂过程和涂层性能具有重要影响。
三、常见等离子喷涂参数及其影响
1.气体成分：影响涂层的化学成分和结构，选择合适的气体成分可获得优良的涂层性能。
2.气体流量：影响等离子弧的稳定性和涂层的均匀性，需根据具体应用场景选择合适的气体流量。
3.喷射速度：决定涂层厚度和涂层结构的关键参数，不同喷射速度会导致
涂层性能的差异。
4.喷嘴与工件距离：影响等离子弧的形状和涂层的均匀性，需要根据实际情况调整喷嘴与工件的距离。
5.弧压、电流：影响等离子弧的能量，弧压和电流的改变会导致等离子弧形态和涂层性能的变化。
四、参数选择与调控对等离子喷涂效果的重要性
合理选择和调控等离子喷涂参数，可以优化涂层性能，提高工件的使用寿命和可靠性。
等离子喷涂 参数
等离子喷涂参数等离子喷涂是一种先进的表面涂层技术，适用于金属、陶瓷等材料的表面处理和改性。
该技术通过将细粉末通过等离子处理，将其加热熔化后喷涂在工件表面，形成坚固而耐磨的涂层，提高了工件的耐腐蚀、耐磨和高温性能，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源等领域。
一、等离子喷涂的工艺原理等离子喷涂的工艺原理主要分为等离子产生、粉末输送和喷涂成形三个步骤。
1. 等离子产生等离子喷涂技术是利用等离子体的高能量来使粉末加热融化，并将其喷涂在工件表面。
在喷涂过程中，通过电弧或等离子火花产生高温等离子体，通过等离子体将粉末熔化并喷涂到工件表面。
2. 粉末输送将预先制备好的涂料粉末输送至等离子火花中，利用等离子产生的高温将粉末加热融化，并喷涂到工件表面。
粉末的输送方式对喷涂质量和效率有重要影响。
3. 喷涂成形在粉末融化后，通过气体喷射将粉末喷涂到工件表面形成涂层。
喷涂成形过程需要控制喷涂距离、喷涂速度和喷涂角度等参数，以保证涂层质量和均匀性。
二、等离子喷涂的参数及优化等离子喷涂的参数设置对于涂层的形成和性能起着至关重要的作用。
以下是等离子喷涂中常见的参数及其优化方法。
1. 气体流量气体流量是指喷涂时喷枪喷出的惰性气体（通常是氮气或氩气）的流量，气体流量的大小会影响涂层的密实度和均匀性。
要保证气体流量的稳定，并根据工件材料和形状进行调整，以获得最佳的喷涂效果。
2. 电弧电流和电压电弧电流和电压是产生等离子体的重要参数，它们会影响等离子体的能量和温度，进而影响粉末的熔化和喷涂效果。
合理设置电弧电流和电压能够得到均匀、致密的涂层。
3. 粉末流量粉末流量是指粉末喷涂速度和均匀性，粉末流量的大小会影响涂层的厚度和均匀性。
需要根据工件的具体要求和形状进行合理的调整，以获得符合要求的涂层。
4. 喷涂距离和喷涂速度喷涂距离和喷涂速度是影响喷涂均匀性和涂层成形的重要参数。
合理设定喷涂距离和喷涂速度，能够保证涂层厚度的均匀性和致密性。
等离子喷涂失效分析
的温度、热焓和流速。Ar气和H2气流量的增加,导致电弧
电压的增加,功率的增大,有利于获得夹杂物少、致密和均
匀的涂层,涂层的耐磨性能也越好。但是Ar气流量过大,会
使离子浓度减小,焰流温度和热烩会有所降低,等离子焰流
速度变大,粒子在焰流中加热时间变短,粉末熔化不均匀,
涂层组织疏松,孔隙率增大,涂层耐磨性能恶化。
比剥落坑深得多。
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分析认为，接触应力导致的涂层内部剪切应力变化是
涂层产生上述失效的主要原因。低接触应力条件下，涂层
内部和界面处的剪切应力较小，无法有效地破坏涂层的内
聚或涂层与基体的结合，主要发生轻微的表面点蚀或剥落
等近表层失效;高接触应力条件下，涂层与基体界面上的
剪切应力增大，过大的界面剪切应力使涂层界面上的缺陷
效模式的发生。
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5）结合强度
涂层/基体的结合强度是影响涂层服役持久性的重要
指标，通过疲劳试验可以发现，结合强度较低的涂层，以
快速而严重的分层失效为主，涂层寿命较短，且分散程度
高；而结合强度较高的涂层主要发生表面磨损和剥落失效，
涂层寿命较长，且分散程度低，易于进行寿命预测。
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6）接触应力
涂层表面粗糙度是指涂层工作状态下的接触表面的光
滑程度。粗糙度较高的涂层接触疲劳寿命较低，反之寿命
较高。分析认为，在相同的润滑条件下，粗糙度较大时，
由于涂层润滑不充分，表面微凸体相互挫伤，形成局部裂
纹，裂纹扩展最终导致磨削后涂层中出现表面磨损、剥落
等近表层失效，涂层寿命短；粗糙度较小时，涂层滑条
件良好，对摩副分离充分，表面未受到直接冲击，近表面
防腐、耐高温等性能的表面防护涂层，提高工件的使用寿
表面等离子喷涂
表面等离子喷涂1. 概述表面等离子喷涂是一种常用的表面处理技术，通过使用等离子体生成的高能粒子对物体表面进行涂覆，以改善其性能和外观。
本文将介绍表面等离子喷涂的原理、应用领域以及未来发展方向。
2. 原理表面等离子喷涂的基本原理是利用等离子体产生的高能粒子对物体表面进行喷射。
这些高能粒子可以是离子、电子或中性气体分子。
在喷射过程中，这些高能粒子与物体表面发生碰撞并附着，形成一层均匀、致密的涂层。
3. 工艺流程表面等离子喷涂的工艺流程包括以下几个步骤：3.1 前处理在进行表面等离子喷涂之前，需要对待处理物体进行前处理。
这包括清洗、除油、除锈等步骤，以确保物体表面干净，并且没有杂质和污染物。
3.2 等离子生成通过加入适当气体，如氩气、氮气等，在真空或大气环境下产生等离子体。
等离子体可以通过射频放电、直流放电或微波放电等方式生成。
3.3 等离子喷涂在形成稳定的等离子体后，将待处理物体放置在喷涂室中，并通过控制喷涂参数，如喷涂距离、喷涂速度、喷涂角度等，将高能粒子喷射到物体表面。
高能粒子与物体表面发生碰撞并附着，形成一层均匀、致密的涂层。
3.4 后处理完成等离子喷涂后，需要进行后处理。
这包括退火、固化等步骤，以提高涂层的结晶度和附着力。
4. 应用领域表面等离子喷涂技术在许多领域都有广泛应用。
以下是一些常见的应用领域：4.1 汽车工业在汽车工业中，表面等离子喷涂技术可用于制造汽车零部件的保护性和装饰性涂层。
例如，在发动机部件上使用陶瓷涂层可以提高其耐磨性和耐腐蚀性。
4.2 航空航天工业在航空航天工业中，表面等离子喷涂技术可用于制造飞机发动机叶片、涡轮等部件的高温涂层。
这些涂层可以提高零部件的抗氧化性能和耐高温性能。
4.3 电子工业在电子工业中，表面等离子喷涂技术可用于制造半导体器件、显示屏等的保护性涂层。
这些涂层可以提高器件的稳定性和寿命。
4.4 医疗器械在医疗器械领域，表面等离子喷涂技术可用于制造人工关节、牙科种植体等的生物相容性涂层。
等离子喷涂失效分析
在进行涂层结构设计时，应充分考虑涂层的厚度、孔隙率、晶粒尺寸等因素，以确保涂 层具有足够的韧性和耐腐蚀性。同时，应避免设计过于复杂的结构，以降低涂层开裂、
剥落等失效风险。
选择合适的喷涂材料
总结词
选择合适的喷涂材料是防止等离子喷涂失效的重要措 施之一，材料的质量和性能直接影响涂层的可靠性和 使用寿命。
等离子喷涂失效分析
目录
• 等离子喷涂原理及特点 • 等离子喷涂失效现象及原因 • 等离子喷涂失效分析方法 • 等离子喷涂失效防止措施 • 等离子喷涂失效分析案例
01
等离子喷涂原理及特点
等离子喷涂技术介绍
等离子喷涂技术是一种先进的表面处理技术，利用等离子弧的高温、高速和高能密度等特性，将金属 、陶瓷等粉末状材料熔化并高速喷射到基材表面，形成一层具有特殊性能的涂层。
VS
详细描述
在等离子喷涂过程中，如果喷涂参数控制 不当或涂层太厚，会导致涂层内部产生过 多的孔隙。这些孔隙不仅会影响涂层的外 观和性能，还可能成为腐蚀介质进入涂层 的通道，加速涂层的失效。
涂层硬度不足
总结词
涂层硬度不足可能是由于喷涂材料选择不当 或喷涂工艺参数控制不严格所导致。
详细描述
等离子喷涂材料的种类和成分对涂层的硬度 有很大影响。如果选择不当，可能会导致涂 层硬度不足。此外，喷涂工艺参数如喷枪距 离、喷涂速度和电流等也会影响涂层的硬度。 如果这些参数控制不严格，也可能导致涂层 硬度不足。
涂层厚度可控
生产效率高
通过调整喷涂参数，可以控制涂层的厚度 和均匀性，满足不同应用需求。
等离子喷涂技术可以实现连续作业，提高 生产效率，降低生产成本。
等离子喷涂技术的应用领域
01
航空航天领域
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山东科技大学«材料表面工程基础»课程论文专业：无机非金属材料工程班级:无极13-2姓名：梁浩学号：201301130412等离子喷涂所用粉料摘要近年来,表面工程已成为材料科学的一个重要分支,在人们的生产生活中发挥越来越重要的作用, 其最大优势是能够制备出优于本体材料性能的表面薄层,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能,以及超导、光电磁、生物相容性等功能, 这与制作部件的整体材料相比,厚度薄,面积小,但却承担着工作部件的主要功能。
目前,表面工程中的热喷涂技术已在材料表面防护与强化等领域得到了较为广泛的应用。
特别是等离子喷涂技术的采用,扩大了热喷涂材料种类及其涂层的应用范围,解觉了难熔材料和陶瓷材料的喷涂问题。
此外,通过等离子喷涂在金属基底上喷涂陶瓷涂层,能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来,使材料兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性等性能。
因此,等离子喷涂大幅度地提高了涂层质量,延长了产品使用寿命,有显著的经济效益和社会效益,已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到应用。
关键词：等离子喷涂结构图层一等离子喷涂的原理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。
等离子喷涂工作气体常采用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,其中心温度高达15000 K以上,经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。
喷涂粉末被粉气载入等离子焰流,很快呈熔化或半熔化状态,并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形,粘附在零件表面。
各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。
随着喷涂时间的延长,零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层。
目前已发展了数十种等离子喷涂技术。
根据等离子介质、喷涂环境、电源功率、特性等的不同,可分为气稳等离子喷涂( 氩、氢、氮、氦)、水稳等离子喷涂、空气等离子喷涂; 大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂、水下等离子喷涂、常规等离子喷涂、高能等离子喷涂、超高能等离子喷涂;直流等离子喷涂、脉冲等离子喷涂、射频等离子喷涂、高频感应等离子喷涂大牛等。
等离子喷涂具有许多优点: ①零件无变形,不改变基体金属的热处理性质。
因此,可以对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件实施喷涂。
②涂层的种类多。
由于等离子焰流的温度高,可以将各种喷涂材料加热到熔融状态,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,特别适用于喷涂陶瓷等难熔材料。
③工艺稳定,涂层质高。
在等离子喷涂中,熔融状态颗粒的飞行速度可达180 ～ 480 m/s ,远比氧-乙炔焰粉末喷涂时的颗粒飞行速度45～120 m/s 高。
等离子喷涂层与基体金属的法向结合强度通常为 30 ～70 MP a ,而氧-乙炔焰粉末喷涂一般为 5 ～ 10 MPa 。
此外,等离子喷涂还和其他喷涂方法一样,具有零件尺寸不受严格限制,基体材质广泛,加工余量小,可用于喷涂强化普通基材零件表面等优点。
二等离子喷涂涂层研究及应用根据等离子喷涂涂层的作用不同,可将其分为结构涂层和功能涂层。
结构涂层是指超硬和耐磨涂层,抗氧化、耐热和阻燃涂层,耐腐蚀和装饰涂层等。
功能涂层是赋予基体所不具备的性能,从而获得传统涂层所没有的功能。
例如消光、光反射和光选择吸收的光学涂层,导电、绝缘和具有半导体特性的电学涂层,以及氧敏、湿敏和气敏的敏感特性涂层,生物活性涂层等。
结构涂层在工业生产中的广泛而重要的应用,使其成为当前学术界研究的热点,因此近年来取得了相当程度的进展。
1耐磨涂层耐磨涂层是等离子喷涂涂层的典型应用。
在影响表面涂层摩擦磨损的众多因素中,涂层与基体的硬度搭配关系是比较重要的,据此可将耐磨涂层分为软、硬两种类型。
硬涂层应用于摩擦环境比较恶劣、零件表面须承受很大载荷的工况之中。
硬涂层由于材料剪切强度很高,即使其表面受到一定的摩擦力,涂层表面的材料也不容易剥落下来,因此使用硬涂层可以减少零件表面的磨损。
软涂层则主要应用于要求降低摩擦因数、减小摩擦力的场合。
因为摩擦力近似于材料的剪切强度与接触面积之积。
软涂层在与摩件发生摩擦并受到一定的压应力时,虽然它与摩件的接触面积较之于硬涂层要大一点,但其材料的剪切强度却比硬涂层要小得多,因此使用软涂层可以起到降低摩擦力的效果。
制备耐磨涂层的关键是涂层材料的选择,比较常用的耐磨涂层材料是陶瓷材料和自润滑材料。
目前的研究主要集中在WC 、Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2C3、Cr2O3等常用陶瓷及陶瓷基复合涂层,这些属于硬涂层; 石墨基和MoS2基、锡铅铜等软金属基以及氧化物和氟化物自润滑涂层,这些属于软涂层。
等离子喷涂 WC /Co涂层具有优良的抗滑动磨损、磨料磨损和冲蚀磨损性能 ,有些微动磨损的场合,等离子喷涂 WC /Co涂层得到了应用,如飞机发动机压气机叶片减震凸台阻尼面。
近年来的研究发现,涂层纳米化可大大提高耐磨性。
人们在对耐磨涂层的研究中发现,等离子喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关。
添加稀土提高了金属陶瓷涂层的致密性,从而提高涂层的内聚强度和减缓微裂纹的产生和扩展,提高耐磨性。
涂层的磨损性能还会受温度的影响,这在对Al2O3涂层的研究中得到了较好的证实。
Al2O3陶瓷的硬度高、耐磨性好,因而常被用作涂层材料。
在对低压等离子喷涂Al2O3涂层从室温至800 ℃时的摩擦学特性的研究中发现, 摩擦磨损性能强烈地受温度的影响,随温度的升高磨损加剧。
室温下涂层表面由于摩擦化学反应产生的氢氧化物薄膜减少了摩擦和磨损; 中温( 400600 ℃)时, Al2O涂层的磨损行为取决于颗粒的破碎和Al2O3晶粒的拔出; 700 ℃以上,由于细晶粒层的形成和变形,以及细氧化铝晶粒造成的磨粒磨损,更进一步促进了Al2O3涂层摩擦和磨损。
实际工作中, Al2O3涂层的磨损还与载荷和滑动速度有关,且存在一个最大磨损量的载荷。
在Al2O3中加入TiO2和ZrO2等陶瓷材料和固体润滑剂,有利于改善其摩擦磨损性能。
Fe -Al金属间化合物的性能介于钢和陶瓷之间,同Al2O3具有较好的适配性,被称作半陶瓷材料,可以预期,将 Fe-Al金属间化合物同Al2O3陶瓷复合, 有可能制备出同钢表面具有较高结合强度的复合涂层,从而显著改善钢的抗磨性能。
过去几十年,人们对传统ZrO2陶瓷作为耐磨材料的应用也进行了广泛的研究。
近年来,对等离子喷涂的纳米ZrO2涂层也进行了大量的试验,研究发现,纳米ZrO2涂层具有较好的耐磨性能,其在20 ～ 80N载荷作用下的磨损率约为传统 ZrO2涂层的 2/5,这要归因于其内部的合理的组织结构和良好的力学性能,这些均提高了材料的塑性变形能力。
自润滑材料在与其他材料对磨过程中,能在两表面之间形成一层固体润滑膜而起到润滑作用。
自润滑材料一般较软,是通过减小摩擦因数来增加耐磨性的。
这些材料用做涂层材料,无需外加润滑剂, 是很有发展前途的。
石墨和 MoS2是层状结构的晶体,层间结合力很弱,极易发生层间剪切,当与其它材料对磨时,显示出低的摩擦因数,从而表现出自润滑性能。
为了更好发挥石墨和 MoS2的摩擦磨损性能,实际应用中多采用以这两种材料为基的复合材料。
在 16Mn钢基体上喷涂一层 Ni /MoS2涂层,因涂层具有很好的自润滑性而摩擦系数很低, MoS2含量为 20%的涂层自润滑性能最好。
2耐热涂层耐热涂层又叫热障涂层。
耐热涂层可以阻止热的传递,防止基体金属达到其熔点或降低基体金属的受热温度。
耐热涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作的热屏蔽涂层,其厚度一般小于 1 mm。
TBC硬度高、化学稳定性好,可显著降低基材温度、从而提高发动机效率,减少燃油消耗,延长使用寿命。
典型的 TBC由金属结合层和陶瓷层组成,在金属层中加入陶瓷,形成多层的由金属底层逐渐向陶瓷工作层过渡的阶梯式梯度涂层。
金属层多采用 MCrAl (M为 Ni 、Co 或Ni+Co) ,主要作用是在底层与面层之间提供一粘结层,同时保护基体不受氧化、腐蚀。
氧化锆具有熔点高 ( 约 2680 ℃) 、导热系数低 (λ=1. 03 ～ 2 W/m℃ ) 的特点,是一种理想的绝热材料,可以作为陶瓷涂层。
氧化锆在高温下会发生晶型转变,由单斜转变为四方晶要产生 4%左右的体积膨胀变化,因此喷涂用的氧化锆都要经过稳定化处理,常采用部分稳定的氧化锆(ZrO2 +6% ～ 8%Y2O3)进行喷涂 , 此时涂层有良好的稳定性。
目前,氧化钇稳定的Z rO2涂层作为热障涂层正获得广泛应用。
与常规陶瓷相比,纳米陶瓷的塑韧性大幅度提高,抗热冲击和抗断裂能力相应增强,并且有人观察到Y2O3稳定的ZrO2纳米陶瓷超塑性达 200%～ 500%,纳米材料的比热比常规材料大,相应地热导率低,用作涂层时隔热效果更好。
当纳米陶瓷用作 TBC面层时,陶瓷面层与合金粘结层间的热膨胀系数差值减小,热应力降低, TBC开裂的可能减少,由此可见,纳米陶瓷涂层用作 TBC隔热面层有很多优势。
已有许多文献报道通过等离子喷涂获得了纳米ZrO2涂层,可见氧化锆纳米涂层将具有更为广阔的应用前景。
Al2O3作为耐热涂层材料也有一定范围的应用,它具有稳定的物化性能,熔点高,硬度高,抗氧化性能好。
此外，涂层的孔隙率,尤其是通孔率是影响涂层抗氧化性能的关键因素，氧化铝梯度涂层的良好过渡也有利于抗氧化性能的提高。
Fe3Al金属间化合物具有长程有序的特殊结构, 从而带来一些特殊的物理、化学和力学性能,不仅表现出很多金属特性,而且还表现出反常的屈服行为、独特的形变特征和室温脆性,是介于高温合金与陶瓷之间的一种新型高温材料,被称为半陶瓷材料,它与Al2O具有较好的适配性能。
Fe3Al/Al2O3复合材料界面不产生化学反应,没有界面相生成,具有较好的界面结合和一定的润湿性能。
可见, Fe3Al 金属间化合物有望成为金属基体( 钢材)与Al2O3涂层之间过渡层的较为理想的材料。
3耐腐蚀涂层耐腐蚀涂层材料中,目前应用较广的是 Al2O3、 Cr2O3、TiO2、ZrO2等金属氧化物陶瓷。
有报道称采用等离子喷涂制备的Al2O3和Cr2O3两种金属氧化物陶瓷涂层的耐蚀性试验, 结果表明, Cr2O3涂层具有优异的耐蚀性, 而 Al2O3涂层具有较好的耐盐、碱腐蚀性。
采用等离子喷涂方法制备了 Cr2O3陶瓷涂层,在喷涂粉末中添加适量的CeO和SiO2可降低涂层的孔隙率,减少孔洞尺寸,从而提高了涂层的耐蚀性。
把复合材料与梯度材料的概念应用到陶瓷涂层,采用等离子喷涂技术在 Q235 钢表面形成 Ni /Al 13wt % TiO2/Al2O3梯度复合陶瓷涂层, 对其在沸腾的5% HCl 溶液中的腐蚀行为进行了研究。