热喷涂设备的发展
电镀与涂饰
宋进兵*，代明江
摘 要：热喷涂技术作为一种重要的表面处理技术，近年来发展很快。本文综述了热喷涂设备(包括等离子喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂等)近年来的发展情况。
关键词：热喷涂；喷枪；发展
1 前言
热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末、丝材或棒材送入热源(电弧、火焰、等离子弧等)中加热至熔融或半熔融状态，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成覆盖层的工艺[1]。一般按热源类型可分为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等[2]。热喷涂技术操作简便、灵活、高效，可用于热喷涂的涂层材料种类多，有金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等，材料形状可以是粉末、丝材或棒材中的任意一种[3]。近年来，热喷涂技术有了非常大的发展，制备的涂层质量有了质的飞跃，使得热喷涂涂层的应用更为广泛，在航空航天、冶金、汽车、石油化工、半导体、建材等行业都得到了广泛的应用[4]。目前全世界热喷涂市场规模在52亿美元以上，同时大约以5% ~ 10%的速度增长[5]。
2 等离子喷涂技术
等离子喷涂技术出现于60 多年前，经过不断的改进和发展，现在已经非常成熟，喷涂的各种金属涂层、陶瓷涂层和封严涂层等广泛应用于航空航天、印刷、钢铁、汽车、纺织等领域。近年来，等离子喷涂设备发展也很快，电源从可控硅电源发展成以逆变电源为主，气体流量控制也从浮子流量计控制变为更精确的质量流量计控制。 目前等离子喷涂常用的喷枪主要有Sulzer Metco公司的7M、9MB 和F4(原理图如图 1 所示[6])以及Praxair 公司的 SG100 ，最大工作功率在 40 ~ 80 kW ，主要存在以下3 个方面的问题[7]：
( 1) 等离子参数漂移。即在喷枪使用过程中，同样的气体流量参数情况下，等离子电流和电压随使用时间变化，实际工作功率不断下降，导致涂层质量不一致，沉积效率降低。
( 2) 操作窗口窄。最大可靠工作功率在40 ~ 80 kW ，工艺参数调整范围窄，限制了等离子体温度和速度的调整。
( 3) 等离子喷枪部件的阴极和阳极寿命短。由于等离子弧的不稳定(沿径向和轴向运动)和非常高的等离子电流，导致阴极和阳极寿命不高(一般小于50 h )，而且阴极和阳极蒸发出来的Cu或W 容易污染涂层。
近年等离子喷枪主要发展方向之一是降低等离子电流，提高等离子电压，同时设法稳定等离子弧的运动，从而降低阴极表面温度，延长阴极和阳极的使用寿命[6]。
2. 1 多电极等离子喷枪
降低等离子电流密度的方法之一就是使用多阴极/多阳极设计，将电流分散到多个电极上。 Axial III 等离子喷枪是在1990年由University ofBritish Columbia 发明[8-9]，由 Northwest Mettech 公司商业化成功。它采用的是三阴极、三阳极设计(如图2 所示[7])，同时使用了集束器将三束等离子焰流汇聚成一束焰流喷出，采用轴向送粉设计。Axial III喷枪的专利设计使得电弧拉长，工作时使用高电压(100 ~ 200 V)、低电流(75 ~ 250 A )，使得喷枪部件寿命大大延长。据报道，在130 ~ 150 kW 的高功率下运行时，阳极寿命为50 h ，而阴极为 100 h。若在 50 ~ 80 kW 的功率下运行，此时的阴、阳极寿命将会达到200 h。
Klaus Landes 教授于1993 年发明了三阴极等离子喷枪[10-11]，目前最新型号为 TriplexPro 200。Triplex 喷枪结构为三阴极和单阳极，将等电弧等分成三束，三束弧的弧根起弧后在阳极上固定不动(如图3 [6])，最高使用功率可达65 kW ，一般工作参数为电压 82 ~ 98 V，电流460 ~ 540 A，配件寿命超过 200 h。但是，Triplex需采用Ar/He 作为等离子气体，因此导致使用成本偏高。由于其所需的等离子气体流量低于9MB和F4等离子喷枪，因此粉末粒子速度较低，粉末在等离子束流中停留时间延长，有利于喷涂导热差的陶瓷粉末[7]。如喷涂氧化锆可磨耗涂层时，沉积效率约50% ，而送粉量超过150 g/min，因此总的喷涂效率是9MB的3.9倍以上[12]。
最近，Klaus Landes教授又设计开发了三阳极等离子喷枪[6, 13-14]，目前由德国 GTV公司进行商业化开发。Delta喷枪采用的是三阳极、单阴极设计(见图4 [14])。在起弧时，先由一个靠近阴极的辅助阳极引弧，再将阳极电压切换到3 个阳极上，这样在阴极和阳极之间的绝缘通道上形成稳定单个电弧，而电弧在分为3 块的阳极上形成3 个弧根。Delta喷枪采用外送粉方式，送粉量比F4喷枪提高一倍以上，能稳定工作在 50 kW左右，显示出了比F4喷枪弧更稳定的性能[6]，但需进一步的优化才能完全发挥其优势。
2. 2 单电极等离子喷枪
多电极等离子喷枪经常需要同时更换多个阴极或阳极，因此，许多公司进行了单电极(一个阴极加一个阳极)结构等离子喷枪的改进工作。Progressive Technology 公司推出的100HE 等离子喷涂系统所用等离子喷枪是一种新型的单阴极、单阳极设计，如图5所示[7]。100HE 喷枪改进了阳极设计，有3 个钨环和沟槽，这样的设计稳定了阳极上弧根的运动，同时使等离子弧被拉伸(其弧长约75 mm ，F4喷枪的弧长约5 mm)，可稳定工作在高电压、低电流条件(电压 200 ~ 275 V，电流 375 ~ 600 A，功率 25 ~ 100 kW)下，电极
寿命延长到200 h 以上。推荐采用 Ar/N2 /H2 混合气体作为气源[7]。若加入 He取代H2 ，则等离子焰流速度接近高速火焰喷涂，碳化钨粉末粒子能加速到527 m/s；沉积效率超过60% ，喷涂碳化钨时成本能比高速火焰喷涂最多降低约40% 。因此，100HE 在等离子喷涂陶瓷市场，特别是制备氧化铬涂层方面有很好的优势。
Vladimir Belaschenko 设计开发了一种新型单阳极、单阴极的串级等离子喷枪，如图6 所示[15]。起弧方式与Delta喷枪类似，采用辅助阳极先起弧再切换到主阳极上。串级等离子喷枪设计比多电极喷枪结构简单，维护成本降低。该等离子喷枪的主要特点包括：
( 1) 该喷枪可以使用N2 、N2 –H2 、N2–Ar 、Ar、Ar–H2 、Ar–He 中任何一种作为等离子气体，特别是使用N2 ，大幅度降低了使用成本。
( 2) 目前的工作功率在10 ~ 90 kW，工艺窗口非常宽，可以模拟不同等离子喷枪的工作参数。
( 3) 喷枪热效率在气体大流量时为75% ~ 80%，比常见等离子喷枪高50% ~ 55% 。
( 4) 使用不同的等离子气体和工艺参数，喷枪能产生层流、过渡或湍流等离子，这是目前常见等离子喷枪无法做到的。
( 5) 等离子弧非常稳定，电压和电流波动非常小。因此，喷枪电极寿命得到延长，如经过25 h 喷涂和超过100 次起弧后，电极没有可测量的损耗，其他等离子喷枪无法做到如此优异的电极寿命。
2. 3 LPPS-TF 技术
除了在等离子喷涂设备上进行改进外，人们还研制了一些新型的热喷涂技术来满足新型涂层需求。 一般情况下，低压等离子喷涂设备(LPPS：Low Pressure Plasma Spray)工作在 5 000 ~ 25 000 Pa 的压力下。近年出现了一种新型的 LPPS-TF 技术，主要特点是工作压力降低到100 ~ 1 000 Pa[16-19]。当工作压力低至100 Pa 时，等离子焰流会显著变长(例如在7 000 Pa 时为200 mm，在100 Pa 时会长至 2 m )，同时焰流的直径增大一倍以上。因此，若使用常见的喷嘴，等离子在喷嘴出口处膨胀不足，会导致等离子弧沿轴向出现膨胀区和收缩区，出现不均匀。等离子弧的这种不均匀，可能导致送入的粉末飞出等离子弧并重新固化，降低涂层质量。因此，LPPS-TF 喷枪需要重新设计等离子喷嘴。采用的等离子喷枪工作在180 ~ 240 kW，喷涂时喷距最长到1 400 mm，沉积速度为0.05 ~ 1.00 μ m/遍，沉积的涂层厚度为0.1 ~ 200.0 μ m[20]。 利用LPPS-TF 技术能快速、大面积沉积薄的致密涂层，填补 PVD 涂层技术和一般热喷涂技术之间的空白。
( 1) 快速、大面积沉积薄的致密涂层：一般情况下，使用其他热喷涂技术很难制备致密且厚度小于50 μ m 的陶瓷涂层。而若采用PVD 涂层技术，则沉积速度很慢，且成本太高。使用LPPS-TF 技术，典型的陶瓷涂层沉积速度为：在1 m2上1 min 沉积10 μ m 厚涂层[16]。制备的涂层非常致密，特别适合于低成本制备固体燃料电池(SOFC)用电极[20]。
( 2) 制备新型热障涂层：等离子喷涂制备的热障涂层为层状，具有导热率低的优点；而EB-PVD 制备的热障涂层为柱状组织，有热循环寿命高的特点；采用LPPS-TF 制备的热障涂层，能兼有层状和柱状组织结构，综合等离子喷涂和EB-PVD 制备热障涂层的优点，涂层具有更佳的综合性能[21]。
参考文献（略）
未完，待续
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