等离子喷涂技术现状及发展
陈丽梅，李强
热处理技术与装备
前言
等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将热喷涂粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中，使热喷涂粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高，制备的涂层质量好，喷涂的材料范围广，成本低等优点。因此，近几十年来，其技术进步和生产应用发展很快，己成为热喷涂技术的最重要组成部分。本文着重就近年来等离子喷涂技术在喷涂设备、喷涂测量技术及其应用等方面的研究现状与发展概况进行深入探讨。
摘要：从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况，指出了等离子喷涂技术的发展方向。
关键词：等离子喷涂设备；测量技术；应用；发展；热喷涂粉末
1国内外等离子喷涂设备的现状
喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究热点。从上世纪80年代起，随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展，等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。目前，国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术、喷涂功率两极分化(小功率或大功率)的方向发展。
加拿大某公司开发出的Axial3三阴极轴向送粉等离子喷涂系统，是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备。与传统的枪外送粉等离子喷涂设备相比，Axial3沉积效率高、送粉速率高、孔隙率低、获得的涂层硬度高，且对热喷涂粉末粒度分布要求不高。SukerMetco公司的Multicoat等离子喷涂系统第一次将Pc计算机的先进性(过程再现、数据管理)和PLC的稳固性结合起来。Multicoat等离子喷涂系统可以进行大气等离子喷涂(APS)、真空等离子喷涂(vPs)和超音速火焰喷涂(HVOF)。喷涂的涂层质量高、重现性好、能自动记录打印喷涂参数、自动报警和处理操作事故，是目前多功能集成等离子喷涂系统的代表。某公司开发的5500一2000等离子喷涂系统则是实时控制技术的代表，它采用专有软件“实时”控制和监测等离子弧的实际能量，使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。此外，国外对小功率等离子喷涂设备的研究主要集中在枪内送粉(包括轴向和径向)和层流等离子喷涂方面。俄罗斯航空工艺研究院对层流等离子射流及其喷涂工艺已进行了多年研究，工艺已较成熟，并已在航空领域得到应用。大功率等离子喷涂系统目前比较成功的是该公司的PlazJet，其喷枪功率可以达到200kw。
我国从上世纪70年代引进美国某公司等离子喷涂装置起，开始了对等离子喷涂技术的研究与应用，与国外的先进水平相比，还有较大的差距。目前，从事等离子喷涂技术研究的机构有北京航空制造工程研究所(625所)、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究院等。北京航空制造工程研究所(625所)研制的APs一2000型等离子喷涂设备采用了许多新技术，总体性能达到国外二十世纪九十年代水准，代表了目前国产等离子喷涂设备的最高水平。由航天科技集团公司703所研制成功的HT-200型超音速等离子喷涂设备额定使用功率为200kw，填补了我国在研制生产大功率等离子喷涂设备方面的空白。目前，在小功率喷涂设备方面，北京航空制造工程研究所(625所)也正在开展层流等离子喷涂设备的研制。
2等离子喷涂过程测量技术的研究现状
随着等离子喷涂技术的深入发展，对涂层性能和质量实时控制的要求愈加迫切。这就需要不断研究新的测量技术，对等离子喷涂工艺过程进行在线诊断，并对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的推测。
2．1等离子射流的表征
等离子射流温度可通过发射光谱(8000<T<14000K时，主要来自原子谱线)，瑞利散射(T<10000或16000K时，取决于分辨率)和相干反斯托克斯喇曼干涉光谱(CARS)(T<10000K时)来表征。与质谱仪耦合的热焓探针可以测量气体的热焓，进而得到等离子气体的温度，但这种方法是侵入式的，测得的温度是Favre平均温度，与光谱测得的时间平均温度不同。
在等离子核心，直流电弧等离子射流的速度可以使用光学方法测得，其依据是电弧根波动导致光波动传播，而在等离子焰中，可以利用与质谱仪耦合的热焓探针测量。
直流等离子射流的瞬态行为通常借助于快速摄影机来研究：摄影机可以是快门时间非常短(小于10-5s)并带有运动分析器的简易数码视频摄影机、带激光闪光灯的数码或视频摄影机。
2．2等离子体和热喷涂粉末之间的相互作用
等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的热喷涂粉末颗粒的参数。因此，几年来，发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。一般，热喷涂粉末颗粒温度的确定基于测量热喷涂粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。热喷涂粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪或过境计时技术测得。在后一技术中，速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。热喷涂粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出，或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。这些方法大部分是单颗粒法(siIldepaniclemethod)，颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。但是，有些方法可以认为是“颗粒群技术(en湖11bletecIlIliques)”，因为这些技术同时测量大量颗粒的性能，并直接得到这些参数的平均值。到目前为止，这些颗粒群技术还只能提供热喷涂粉末颗粒温度的信息，但最近已开发了一种可以测热喷涂粉末颗粒速度的颗粒群技术。成像技术也可以用来探测热喷涂粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置，以及炽热颗粒的密度，或者根据光信号的强度确定热喷涂粉末颗粒温度和尺寸，使用双曝光技术确定速度。该测量设备中激光的引入能够测定“冷”颗粒的数量以及尺寸和速度。
一些商业化的技术现在可以用于生产环境，进行喷涂工艺的在线控制。这些技术通常以颗粒的热辐射测量为基础，并不使用其他附加光源，可以测量颗粒的速度、温度及尺寸分布。
2．3层片形成和涂层堆积
为制备性能可严格控制并具有重现性的涂层，要求充分地了解热喷涂粉末熔滴撞击基底表面后发生的现象。在层片形成和涂层堆积的理解方面，已经取得了很大的进展，出现了很多测量技术。得到有关层片形成信息的最简单方法是使用光学显微镜、扫描电镜或原子力显微镜观察基底上的孤立层片。层片的几何形状也可以用表面轮廓测定仪测量。透过这样的观察，能够研究基底表面的具体准备情况(化学成分和粗糙度)及其温度对层片几何形状的影响。然而，这样的研究并没有全面理解层片形成过程中涉及的撞击过程和凝固现象，而这些恰恰是控制涂层形成的关键。为此，就要求确定单个热喷涂粉末颗粒在撞击前的尺寸、温度和速度，并踪该熔滴在基底上的铺展过程和温度随时间的变化关系。近来，基于探测热喷涂粉末发射的热辐射开发了两种技术。第一种是使用聚焦到基底上的高温计来测量热喷涂粉末颗粒撞击前的参数，并测定热喷涂粉末颗粒在基底上铺展和冷却过程中的温度演化。第二种技术由聚焦于基底的高温计和相阵多谱勒热喷涂粉末颗粒分析仪组成。相阵多谱勒热喷涂粉末颗粒分析仪能够独立于其温度而测量热喷涂粉末颗粒的速度、尺寸，而热喷涂粉末颗粒在撞击前和撞击过程的温度用双波长光学高温计测量。这些技术能够估测撞击热喷涂粉末颗粒的铺展时间、铺展度毒(层片直径与原始颗粒直径之比)以及冷却速率。热喷涂热喷涂粉末颗粒冲击过程可视化的成像设备也在发展中。
喷涂涂层除了经典的表征方法：气孔率、粘着力、杨氏模量、残余应力，已经发展了在涂层形成过程中在线跟踪某些参数的几种方法，如：利用红外高温计可以监测涂层和基底的表面温度；利用声发射分析(AEs)对喷枪位置关系的信号进行详细分析能够很容易确定喷涂一道的开始和结束，甚至对诸如微裂纹形成，反弹或剥落产生的能量释放进行跟踪；使用力学传感器或带有CCD摄象机的激光束，基于在喷涂过程中连续测量矩形条状试样的曲率(弯曲度)和位移，可以对喷涂涂层形成过程中的应力演化进行测定。
未完待续
参考文献略
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