直流等离子喷枪等离子弧稳定方面的研究
Andreas Wank，Alexander Schwenk，沈希华
热 喷 涂 技 术2010 年 3 月
摘 要：对传统的单阳极—阴极喷枪、新型的三阴极—单阳极喷枪和三阳极—单阴极喷枪三种不同的方案就等离子弧稳定的基本原理及其工艺特性、易损件的使用寿命以及它们在喷涂各种材料时所能达到沉积效率和喷涂效率进行解析。
关键词：等离子喷涂； 等离子弧；流体力学； 三阴极—单阳极； 三阳极—单阴极
直流等离子喷涂工艺自六十年代初期开发并投入到工业应用以来，由于它具有可采用各种材料生产高附加值的涂层及优异的涂层性能重复再现的能力，从而得到了非常广泛的应用[1-2]。随着超音速火焰（HVOF）喷涂在工业领域的广泛应用，它逐步替代了原采用真空等离子喷涂的一些主要应用领域，如在飞机发动机叶片上喷涂 MCrAlY 涂层等，使得真空等离子喷涂的市场大大降低，但是，在如今的产品市场上还没有一种经济、性能可靠的工艺能取代大气等离子喷涂在氧化物陶瓷材料方面的应用，特别是采用等离子工艺生产耐磨、绝缘、隔热以及发动机高温段封严的氧化物陶瓷涂层方面的应用。
传统的等离子喷枪采用大都是柱型的阴极和环型的阳极喷嘴的结构，如 F4/F6/P2，9MB 及 SG100喷枪等，在使用过程中，由于等离子弧在阳极根部与阳极内壁之间的运动而产生电压的高频率波动，同时为了避免因过热而对喷嘴造成侵蚀，特别是当喷嘴内部出现磨损点时等离子弧将更加严重地重复侵蚀它，使得喷嘴在短时间内被烧损，为了避免这一现象的发生，等离子弧在阳极根部的运动是必须的，由于每种喷枪的电压波动差异很大，所以不同的喷枪在喷涂生产中的参数都是不同的[3-9]。如同因电压的变化会对等离子弧在阳极根部的轴向运动产生变化一样，当等离子弧长度发生变化时同样会对这种运动造成变化。这时，在喷枪内部形成的电功率会产生波动，因而会造成热能和动能的波动，从而影响到等离子气流并影响最终喷涂质量的好坏。
从技术的层面来说，可以采用很多种有效的方法来实现稳定等离子喷枪等离子弧的长度并进一步稳定等离子喷涂工艺，通常采用的方法有两类，对于使用传统的单阳极和单阴极喷枪而言，其有效且经济的方法是对阳极喷嘴内部的结构进行流体动力学方面的优化改进[10-13]。第二类方法是将等离子弧的能量进行分配[14]。针对在喷枪内部电能量转换的总量相等的状况，将喷枪的其中一极等分为三部分，即使在固定的一极处形成等离子弧也不会产生局部的过热现象。根据这种原理，所有的三阴极—单阳极喷枪，如 Triplex I，Triplex II，Triplexpro-200 3K Magnum 以及三阴极—单阳极喷枪，如Delta 等都能实现这一目标[15-17]。然而经过实验证明，三阳极—三阴极喷枪却不能实现这一目标。因为像这一类型的喷枪，其等离子弧将被分成三束，每一束都具有独立的能量，然后再将它们集中起来形成一个等离子焰流。从理论上来说，相当于将三把等离子喷枪装在一起使用，这一类型的喷枪只是在气体和电力的消耗上多了三倍而已。
1 稳定等离子弧的各种方法的原理
1.1 对喷嘴的结构进行流体动力学方面的优化
从传统的 F 系列喷枪来说，如 F4/F6/P2 等，其喷嘴的结构为收缩—圆柱形[18-19]，经 Schwenk 博士[10-13]的研究，开发出了一种新型的收缩—扩散形喷嘴。这种喷嘴首先依据氩气/氢气的混合气体特性，在高温情况下按照流体动力学原理对喷嘴的内部结构形状进行了进一步的优化，依据优化的结构结合实际的试验，实现了等离子弧在喷嘴的最窄出口后端的轴向运动不会直接影响阳极根部的稳定这一目标。为此，喷嘴的最窄出口将设计为更靠近阴极的顶端。在图 1 中对这种新型喷嘴与传统的收缩—圆柱形喷嘴的内部结构形状进行了比较。
从图 2 我们可以看到，在使用传统的收缩-圆柱形喷嘴时电压的波动值为 U = ±（10～ 20 V），而在同等的条件下使用优化了的收缩—扩散形喷嘴的电压变化为 U = ±（3～5 V）[13]。从图 3 我们可以看到，在喷涂重新起弧后，约为 4 kHz；当等离子弧垂直作用于喷嘴内壁表面时，传统喷嘴产生的噪声频率变化约为 7～10 kHz，而在使用优化后的收缩—扩散形喷嘴的过程当中不会发生。正是由于避免了这种等离子弧的不稳定性而使得噪音从约 120 dBA 下降到了 100 dBA。
1.2 三阴极—单阳极喷枪
三阴极—单阳极喷枪是由 Landes 教授于 90 年代后期开发出来的[20]。这种喷枪产生三个独立的长等离子弧经三个销钉状的阴极达到环形的阳极上在阴极和阳极之间由一个中级极联连接，并由此生成长等离子弧，等离子气体通过等离子弧喷向出口，在喷涂工艺参数没有任何变化的情况下，等离子弧是相当平稳的，等离子焰也会得到有效的加热。
在开发的初始阶段，本喷枪是为所谓的“贵重气体”设计的，其目的在于在大功率的等离子喷枪上避免采用传统喷枪所需要的高危气体，如氢气作为次气。在使用氩气/氦气时，其电压的波动大约在△U = ±3 V[21]。另外，在频谱中未发现高频峰值，这即意味着等离子弧的稳定性相当高。但是，实验证明，为了获得足够的等离子焰流焓值，以保证获得足够的喷涂效率及沉积效率，需要相当高的次气流量，即氦气流量。目前在全球范围内，可供使用的氦气的资源有限，采购成本非常高，所以，在喷枪的进一步研发过程中又回到了使用传统的气体组合上来。
值得注意的是为本类喷枪早期设计的轴向送粉的方式应该放弃，因为随着喷涂的时间增长，送粉线路的堵塞不可避免。因此，只能用径向外部送粉的方法解决这种喷枪的送粉问题，即在喷枪的出口通过三个在圆周方向上 120（°）布置的送粉嘴进行送粉。当然，在喷枪的设计时肯定没有考虑到等离子焰流的旋转的对称性的问题，这会影响等离子焰流将热能和动能向喷涂材料的转化的效果，即是否能让粉末获得足够的轴向速度和热量。
由于分配到三个等离子弧上的电能在阳极根部的阳极环上热载受到限制，因此，就要求阴极具有很高的使用寿命。但是，在大多数情况下，所宣传的 200 个小时的阴极使用寿命是无法达到的。
三阴极—单阳极喷枪的另一个明显的缺点在于，虽然在喷涂参数不变的情况下，等离子弧与阳极根部的接触点是不会变动的，但是，一旦某一个喷涂参数发生变化，如气体流量、气体成分或电流密度等发生变化时，这个接触点会随之变化，图 4是使用Triplex II喷枪，阳极喷嘴直径为9 毫米，等离子气体为 100 slpm 氩气条件下电流变动时送粉嘴与阳极根部之间的角度在圆周方向上的变化。正是出于这一原因，必须为每一组喷涂参数确定各自理想的送粉角度，以保证获得理想的稳定的喷涂工艺和涂层质量。
1.3 三阳极-单阴极喷枪
DELTA 等离子喷枪同样也是 Landes 教授发明的目前市场上唯一的采用三阳极—单阴极的等离子喷枪。就像三阴极—单阳极的等离子喷枪一样，将电能分配到三个长等离子弧上，以避免在等离子弧与阳极根部接触点稳定的情况下产生局部的过热现象。不过，三阳极—单阴极的等离子喷枪的原理是等离子弧从一个独立的笔状阴极和喷枪出口端三个相互独立并绝缘的阳极块之间产生。同样，在阴极和阳极之间由一个中级极联连接，并由此生成长等离子弧。喷涂粉末则是在喷枪出口的圆周方向上分别以 120（°）的角度设置的三个接口送出。
与三阴极—单阳极喷枪的特征相比较，三阳极—单阴极喷枪最主要的区别是等离子弧与阳极根部触点的位置不会因喷涂参数的变化而变化。这意味着，不仅等离子弧的长度是稳定的，而且等离子弧与阳极根部触点在圆周方向上的位置也是稳定的。正因为如此，就不需要象三阴极—单阳极喷枪不断地去调整送粉的角度。
由于电压的波动很小，约为△U = ±（2～3V），因此有效地避免了等离子弧的非稳定性，同时，从噪声频谱也未发现有高频峰值。本喷枪的噪声约为100 dBA。
同样初始阶段，DELTA 喷枪也是专门为所谓的“贵重气体”开发设计的。之后通过对等离子电源的进一步开发，实现了喷枪所需要的高电压，本喷枪同样可以用氩气和氢气组合运行。不管是采用氩气/氦气还是采用氩气/氢气组合，喷枪所有的组件都能保证 100 小时以上的使用寿命。
2 等离子弧稳定的等离子喷枪的性能
2.1 根据流体动力学优化设计的喷嘴
在大气等离子喷涂时，由于喷枪内和喷枪出口的压力差别不够大，因此，通过收缩—扩散形喷嘴无法达到使气体爆炸而产生超音速焰流的目的。不过，在这种条件下，收缩—扩散形喷嘴却可以作为一种扩散器，它可以使等离子焰流的速度更慢，使焰流的光斑更大。同时，焰流从周围环境中吸入的冷气团被大大地减少了。其结果是，送入到收缩—扩散形喷嘴出来的自由焰流中的粉末颗粒在等离子焰流核心的高温区域的停留时间要比收缩—圆柱形喷嘴更长，粉末颗粒被更加剧烈地加热，同时，加速度更慢。在喷涂 Al2O3（20 μm < d < 45 μm）材料并使用收缩—圆柱形喷嘴时，颗粒在焰流中的平均速度约 180 米/秒，而收缩—扩散形喷嘴仅为75 米/秒。在喷涂 Cr2O3（20 μm < d < 45 μm）材料时，粒子的速度仅为 60 米/秒。
由于颗粒加热更充分，因此，用收缩—扩散形喷嘴喷涂出来的 Al2O3涂层与使用传统的收缩—圆柱形喷嘴喷涂的涂层相比，涂层内未发现任何的未熔颗粒（见图 5，其中图片白色圆圈标注的是未熔颗粒）。
相对较低的气流速度并不会让粉末颗粒使涂层产生更高的空隙率，而是涂层的显微结构组织相对较粗一些，这是因为粉末颗粒与工件表面接触时扩散面积相对较小造成的。采用新型的收缩-扩散形喷嘴所喷涂的涂层中由于不存在硬度较高剩余的 α 相组织，因此，其硬度相对较低（约 900 HV0.3，传统的收缩—圆柱形喷嘴喷涂的涂层硬度约1000 HV0.3）。不过，在送粉率都是 50 克/分钟的情况下，使用传统的收缩—圆柱形喷嘴时的沉积效率为 60%，而使用收缩—扩散形喷嘴可获得高达 85%的沉积效率。
即使是在喷涂 Cr2O3时，在送粉率同为 56 克/分钟的条件下，使用收缩—扩散形喷嘴可获得 55%的沉积效率 ，比收缩—圆柱形喷嘴要高一些（最高 45%）。而这些数据是在未对喷涂参数和工艺及粉末的粒度（20 μm < d < 45 μm）进行优化的前提下获取的。尽管涂层的孔隙率较低，但涂层的硬度也达到了 1050 HV0.3，而使用传统的收缩—圆柱形喷嘴时则可获得最高 1500 HV0.3 的显微硬度。造成硬度较低的最可能的原因是在喷涂时，粉末的气化率过高，从而使那些高密度的再次凝聚的 Cr2O3颗粒镶嵌到了涂层中颗粒界面之间。由此可以推断，如果在喷涂时使用粒度较大粉末，即使粉末颗粒在焰流中停留的时间较长，也不会产生过量的气化现象，这样就可能生产满足硬度要求的涂层，而且喷涂效率将会更高。当然，这些需要进一步论证。
2.2 三阴极—单阳极喷枪
与传统的单阳极—单阴极喷枪相比，三阴极或三阳极喷枪的优势在于，在喷涂大多数材料时可以大大地提高喷涂效率（送粉率），获得相对等的甚至更高的沉积效率，从而不会影响涂层的质量，这样，对大多数的用户来说，由于生产效率的提高，他们可以在更短的时间内收回投资成本 。三阴极—单阳极喷枪，像 GTV 3K Magnum等，其典型的应用优势在某些领域是相当明显的。
在喷涂 Al2O3（20 μm < d < 45 μm）材料时，送粉率为 150 克/分钟，沉积效率可达 80%；在喷涂Cr2O3（20 μm < d < 45 μm）材料时，沉积效率可达 50% ； 而 在 喷 涂 ZrO2-8%Y2O3（20 μm < d < 45 μm）材料时还是可以达到 40% 。
与传统的单阳极—单阴极喷枪相当小的送粉率相比，在喷涂 Al2O3为基础的材料时，三阴极—单阳极喷枪在送粉率很大时仍可以达到与其对等的涂层密度和硬度，图 6 所示为用 GTV 3K Magnum 三阴极喷枪在送粉量分别为 150 克/分钟的条件下喷涂涂层的金相图片。
从根本上来说，目前市场上工业应用的所有类型的等离子喷枪，只要在增大对其气体供给，特别是像三阴极—单阳极喷枪所宣传的那样，都可以形成所谓的超音速等离子焰流。当然，加大气体供给即意味着更高的气体消耗量及更高的生产成本，同时，也意味着更好的冷却系统。
2.3 三阳极—单阴极喷枪
就三阳极—单阴极喷枪 Delta 来说，与传统的单阳极—单阴极喷枪相比，它既可以采用氩气/氦气又可以采用氩气/氢气作为等离子气体来生产高质量的热喷涂涂层，同时还可以大大的提高生产效率（送粉率），并且针对某些材料还可以获得更高的喷涂沉积效率。在图 7 中对通过氩气/氦气喷涂的 Al2O3/TiO297/3 和 Cr2O3涂层进行了比较。
在喷涂 Al2O3/TiO297/3 和 ZrO2/Y2O392/8 时，送粉率为 150 克/分钟，沉积效率分别可以达到 75%和 60% ；在喷涂 Cr2O3时，送粉率为 120 克/分钟，
沉积效率可以达到 50%。相对于涂层的硬度，以Al2O3为基础的涂层（1000 HV0.3）和 Cr2O3涂层（1450 HV0.3）与传统的单阳极-单阴极喷枪所获得的涂层硬度基本一致。
在采用氩气/氢气作为等离子气体时，喷涂Cr2O3材料的送粉率为 120 克/分钟，沉积效率为52%（1350 HV0.3）；喷涂 Al2O3为基础的粉末时，送粉率为 150 克/分钟，沉积效率可达到 65%。三阳极—单阴极喷枪还有一个最主要的优势在于，在等离子气体同等的质量流量下，喷嘴的出口直径以及紧随的等离子焰流的速度是可以随意变化的，而且这些变化不会改变等离子弧在阳极根部的位置，同时，也不会产生等离子弧中断的危险。在使用 7 毫米出口直径的喷嘴时，粒子的速度与传统的 6 毫米出口直径的单阳极—单阴极喷枪相当。但是，由此产生的相对比较短的粉末在焰流中的停留时间在喷涂像 Cr2O3这样的材料时即意味着相对较小的气化率，相对较小的气化率即意味着可以获得相对较高的涂层硬度大于 1300 HV0.3。说明这种喷枪应当特别适合于喷涂硬质合金涂层。这一点将进一步得到证明。
3 总结
不管是针对传统的单阳极—单阴极喷枪还是新型的多电极喷枪，其研究的目标是尽可能地稳定喷枪内的等离子弧并相应地改进喷涂工艺的稳定性。本文对各种应用的原理进行了剖析并对各自的优缺点进行了阐述。
从根本上来说，不管是采用针对单阳极—单阴极喷枪开发出来的收缩—扩散形喷嘴还是采用三阴极—单阳极喷枪或者是三阳极—单阴极喷枪，与传统的单阴极—单阳极的收缩—圆柱形喷嘴相比，在喷涂的沉积效率方面都可以获得显著的提高，并且在喷涂效率方面也能得到部分提高。但是针对大多数的喷涂材料来说，它们在喷涂的涂层质量方面并没有显著的提升。例如，在喷涂 Cr2O3材料的时候，只有在避免喷涂粉末在等离子焰流停留过长的时间才能避免因粉末的过度气化而影响涂层的硬度。
另外的研究方向是针对等离子弧的稳定而为单阳极—单阴极喷枪开发的收缩—扩散形喷嘴。这种喷嘴可以获得与传统的收缩—圆柱形喷嘴相等的等离子焰流速度。就三阳极—单阴极的 Delta 喷枪来说，与其它的喷枪类型相比，在生产高附加值的硬质合金涂层时将更加经济、合理。
参考文献略
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