等離子噴涂工藝的原理是改變材料的表面性能，用某種熱源將噴涂材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，將其吹成微小顆粒，通過島速氣流將其噴射到基體材料的表面，形成一種各種涂層的涂層加工方法，等離子噴涂不僅具有與其他噴涂方法相同的尺寸，而且具有零件尺寸不受限制、基體材料寬、加工邊緣小、普通基件表面的噴涂強(qiáng)化等優(yōu)點(diǎn)。
等離子噴涂原理
等離子噴涂工藝是一種比較新的熱噴涂技術(shù)，比起傳統(tǒng)的熱噴涂方法有許多優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)然而，過程沒有100%的沉積速率，因此粒子可以逃逸成。工作環(huán)境，這取決于材料和尺寸分布的噴灑顆粒，可能會造成健康和安全隱患。為了盡量減少任何可能風(fēng)險(xiǎn)，目前的做法是把作品放在一個(gè)圈子里，限制機(jī)器的機(jī)動性?？紤]到芯片電流，這是一個(gè)主要缺點(diǎn)。該系統(tǒng)的版本足夠緊湊，易于在車間周圍移動。
等離子噴涂優(yōu)點(diǎn)
1、基體受熱小、零件不變形，不改變熱處理狀態(tài)。
由于噴涂時(shí)零件不帶電，基體金屬不熔化，所以盡管等離子焰流的溫度較高，但能量非常集中，等離子弧的軸向溫度梯度很大，一般零件溫升不超過200℃，則零件不會發(fā)生變形，這對于薄壁件、細(xì)長桿以及一些精密零件的修復(fù)十分有利。由于在200℃以下基體金屬的熱處理性質(zhì)不會發(fā)生變化，可以對一些高強(qiáng)度鋼材實(shí)施噴涂。
2、能夠噴涂的材料廣泛，涂層的種類多。
由于等離子焰流的溫度高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂使用的材料非常廣泛，從而也可以得到多種性能的噴涂層，如耐磨涂層，隔熱涂層、抗高溫氧化涂層、絕緣涂層等等。就涂層的廣泛性來說，氧-乙炔焰噴涂、電弧噴涂、高頻感應(yīng)噴涂和爆炸噴涂都不及等離子噴涂。
3、工藝穩(wěn)定，涂層質(zhì)量高。
等離子噴涂的各工藝參數(shù)都可定量控制，工藝穩(wěn)定，涂層再現(xiàn)性好。在等離子噴涂中，熔融狀態(tài)粒子的飛行速度可達(dá)180～480m/s甚至更高，遠(yuǎn)比氧-乙炔焰粉末噴涂時(shí)的粒子飛行速度45～120m/s高。熔融微粒在和零件碰撞時(shí)變形充分，涂層致密，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。等離子噴涂層與基體金屬的法向結(jié)合強(qiáng)度通常為30～70MPa，而氧-乙炔焰噴涂一般為5～20MPa。由于等離子噴涂時(shí)可以通過改換氣體來控制氣氛，因而涂層中的氧含量或氮含量可以大大減少。
等離子噴涂工藝參數(shù)
1 送粉量及電功率
送粉量及電功率這兩個(gè)工藝參數(shù)是噴涂過程中最主要的參數(shù)，又是需要經(jīng)常變動的參數(shù)，而且這兩個(gè)參數(shù)是互相聯(lián)系的，在確定這兩個(gè)工藝參數(shù)時(shí)，重點(diǎn)是保證二者的恰當(dāng)匹配。送粉量和功率恰當(dāng)匹配指的是對于由一定牌號一定粒度組成的粉末，在不同的送粉量下，應(yīng)當(dāng)施加不同的電功率，通過調(diào)整氫氣流量來保證所需的工作電壓和射流的熱焓，通過調(diào)整電流的大小調(diào)節(jié)輸入功率。當(dāng)送粉量不變時(shí)，如果電功率過小，則粉末熔化不良，涂層中夾雜的生粉多，粉末撞擊工件時(shí)變形不充分，并有較多的粉末彈跳損失，沉積效率低，涂層質(zhì)量下降。反之若電功率過大，雖然粉末的熔化和撞擊變形良好，但粉末受熱氧化燒蝕嚴(yán)重，涂層中夾著較多的煙塵，熔化粒子飛濺嚴(yán)重，同樣會使沉積效率降低，涂層質(zhì)量下降。因此，對于一定牌號一定粒度組成的粉末，送粉量的大小和電功率值要相適應(yīng)。生產(chǎn)中確定送粉量和電功率最佳匹配的方法是采用噴涂沉積效率試驗(yàn)，一般取沉積效率曲線中最高點(diǎn)處的電功率值為最佳值。
2 噴涂距離
粉末在等離子焰流中加熱和加速都需要一段時(shí)間，因此應(yīng)有一個(gè)合適的噴涂距離，噴涂距離過近，會因粉末加熱不良，撞擊變形不充分而影響涂層質(zhì)量，還會使零件受等離子焰流的影響而嚴(yán)重氧化，同時(shí)也會使基體溫升過高，造成熱變形。噴涂距離過遠(yuǎn)又會使已經(jīng)加熱到熔融狀態(tài)的粉末在與零件接觸時(shí)冷了下來，飛行速度也開始降低，同樣影響涂層質(zhì)量，噴涂效率會明顯降低。
3 主氣、二次氣及送粉氣的流量
通入噴槍用于壓縮電弧并發(fā)生電離的氣體稱為主氣，等離子噴涂常用Ar氣等作為主氣，為了提高等離子弧的熱焓常在離子氣中加入N2、H2，稱之為二次氣或次級氣，用于帶動粉末的氣體稱為送粉氣。主氣的流量，是重要的工藝參數(shù)之一，它直接影響到等離子焰流的熱焓和流速，繼而影響噴涂效率和涂層孔隙率等，氣流量過大或過小均會導(dǎo)致噴涂效率的降低和涂層孔隙率的增加。氣流量過大，離子濃度減少，過量的氣體會冷卻等離子的焰流，使熱焓和溫度下降，不利于粉末的加熱，粉末熔化不均勻，使噴涂效率降低，涂層組織疏松，孔隙率增加；反之氣流量太小，會使噴槍工作電壓下降，使焰流軟弱無力，并容易引起噴嘴燒蝕。送粉氣的流量對涂層質(zhì)量的影響也很大，對外送粉噴槍而言送粉氣對涂層質(zhì)量的影響尤其嚴(yán)重，送粉氣流量過小會使粉末難以到達(dá)焰流中心，過大則會使粉末穿過射流中心，產(chǎn)生嚴(yán)重的“邊界效應(yīng)”，致使涂層疏松，結(jié)合強(qiáng)度降低。
4．噴槍移動速度
噴槍移動速度對涂層質(zhì)量和噴涂效率的影響在一定的范圍內(nèi)并不明顯。在一定送粉量下噴槍移動速度或噴槍與工件的相對速度的慢與快，意味著單位時(shí)間內(nèi)，噴槍掃過工件面積的多少或每次噴涂層的厚度，所以調(diào)節(jié)噴槍的移動速度實(shí)際上是控制每次噴涂層的厚度。每次噴涂的厚度不宜太厚。一般情況下，每次噴涂的涂層厚度不要超過0.25mm，對于要求噴涂厚度為0.25mm的涂層，也應(yīng)以兩次或多次噴成為好。此外噴槍移動速度對工件的溫升也有影響，為不使基體局部溫升過高而造成熱變形或熱應(yīng)力過大，也希望在保證覆蓋的前提下，選用較快的噴槍移動速度。
5．基體金屬的溫度
基體金屬的溫度是噴涂工藝一項(xiàng)重要的參數(shù)。多數(shù)工件在噴涂前，需進(jìn)行一定的預(yù)熱，目的是為了去除濕氣，并使表面活化，有利于涂層與基體的結(jié)合，以及控制基體相對涂層的熱膨脹。對于一些薄壁件，可減小噴涂后冷卻時(shí)由于零件和涂層的收縮不一致而造成的應(yīng)力，從而有利于涂層與基體的結(jié)合。噴涂前預(yù)熱還可以使零件在噴涂后的抗疲勞強(qiáng)度下降量減少。但是當(dāng)金屬零件的預(yù)熱溫度超過200℃時(shí)，零件表面開始出嚴(yán)重的氧化膜，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度顯著下降。一般況下預(yù)熱溫度為100~150℃，在噴涂WC-Co粉末時(shí)，為減少碳的燒損，基體應(yīng)保持更低溫度。
