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等离子喷涂的应用及其发展趋势

2016-10-31

等离子表面处理机:由几个零部件磨损,导致北京地铁四号线电扶梯发生故障,而造成人员伤亡的案件,至今仍让人深感痛惜。事件过后,人们不禁反思,几个小小零部件的磨损果真有这么大的威力吗?毋容置疑,得到的答案是肯定的。事实上,据国外统计资料表明:摩擦消耗掉全世界1/3的一次性能源,约有80%的机器零部件都是因为磨损而失效,每年因此而造成的损失也是相当巨大。因此,发展表面防护和强化技术,也得到世界各国的普遍关注,这也极大推动了表面工程技术的飞速发展和提高。表面工程技术能够制备出优于本体材料性能的表面薄层,赋予零部件耐高温、耐磨损及抗疲劳等性能。其中,等离子喷涂作为是表面工程中的一项重要技术,因其具有涂层硬度高、耐磨性能优异等优点,已在国民经济的各个领域获得广泛应用。经过整理搜集,下面笔者就为大家简单介绍下等离子喷涂技术。    一、等离子喷涂的工作原理:    等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂,指利用等离子弧将金属或非金属粉末加热到熔融或半熔融状态,并随高速气流喷射到工件表面形成覆盖层,以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术。其中等离子弧是一种高能密速热源,当喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极(工件不带电)时,通过高频振荡器激发引燃电弧,使供给喷枪的工作气体在电弧的作用下电离成等离子体。由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用,电弧被压缩,形成非转移型等离子弧。

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 二、等离子喷涂的特点:   
 1、由于热收缩效应、自磁收缩效应和机械收缩效应的联合作用,所形成的非转移型等离子弧可以获得高达10000摄氏度以上的高温,且热量集中,因此可以熔化各种高熔点、高硬度的粉末材料。  

  2、等离子焰流速度高达1000m/s,喷出的粉粒速度可达180-600m/s,因此可以获得组织致密、气孔率低、与基材结合强度高(65-70MPa)、涂层厚度易于控制的喷涂层。    

3、等离子喷涂过程中零件不带电,且受热温度低(表面温度一般不超过250℃),因此喷涂过程中零件基本无变形,母材的组织性能亦无变化,且不改变其热处理性质。特别适合于高强度钢材、薄壁零件、细长零件等的喷涂。    

4、效率高。等离子喷涂是,生产效率高。采用高能等离子喷涂设备时,粉末的沉积率可达8kg/h。   

 三、等离子喷涂耐磨涂层的应用:    
摩擦、磨损是一切机器设备工作中存在的普遍现象,有相当一部分零部件是由于摩擦磨损而造成失效报废的等离子喷涂涂层最典型的应用就是耐磨涂层。等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层,不仅可以使零部件具有高的硬度,优异的耐磨性;而且涂层摩擦系数低,能耗小,在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。    减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层,在边界润滑条件下,可表现出极好的耐磨性,有优异的抗粘着磨损能力。同时,由于喷涂工艺的要求,可使涂层结合强度高,孔隙率低,质量优异且稳定。如在内燃机钒钦灰铸铁活塞环上等离子喷涂Mo+28%NiCrBS复合材料涂层代替镀铬,涂层厚度0.5~0.8mm,硬度1100HV。即使在较高温度下,即使时间延长,涂层硬度也不会发生改变;并且,在相同的工况下,摩擦系数从原来的0.110下降到0.089,显示出喷铝涂层在有润滑条件下,具有良好的抗咬合性,并能承受瞬时的摩擦高温,是目前理想的活塞环涂层。 

四、等离子喷涂其它涂层的应用:
    1、耐热涂层耐热涂层多应用与高温工程,它包括抗高温氧化、高温隔热等,一般采用氧铝作为耐热涂层,广泛用于航空发动机,燃气轮机等高温工作下零部件的表面,起隔热作用。现有的高温合金(如高温镍合金使用的极限温度为1075摄氏度)和冷却技术都难以满足设计要求,解决这一问题的办法就是在承受高温的零部件上喷涂热障涂层,以起到阻止热的传递,防止基体金属温度升高或降低基体的受热温度等作用。
    2、防腐蚀涂层选择这类涂层比较复杂,因为零件的服役状态,环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求,一般采用钴基合金、镍基合金和氧化陶瓷等作为涂层材料,通过提高涂层的致密性,堵住腐蚀介质的渗透,合理匹配涂层材料与零件基材的氧化以还原点位,防止电化学腐蚀,常应用于耐化学腐蚀的液体泵等。
    3、电绝缘与导电涂层这类涂层具有一定的特性,按其性质可分为:导电涂层、电气绝缘涂层和电磁波屏蔽涂层,一般采用氧化铝陶瓷等作为介电涂层,常用于加热器管道,烙铁焊头等;采用铝、铜作为导电涂层,常用于电容器、避雷器等。
    4、恢复尺寸涂层这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。对涂层材料的选择主要取决与零件的使用要求,常用于轴类、盘类等。
    5、间隙控制涂层在气体压力驱动的机械效率取决于机器的密封能力,因而要求转动与静止零件之间具有非常紧密的配合间隙,常用于压缩机和涡轮机部件。
    五、等离子喷涂的发展趋势
    随着科学技术的飞速发展,等离子喷涂技术也正朝着高效、大功率方向发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧化、耐腐蚀等方面已经有了十分广泛的应用,近年来,正试图在生物、超导、复合材料以及材料近净成形和超细微粉制备等高科技领域发挥优势,而且已得到了一定的应用。
    在喷涂工艺方法上,近年来也有许多改进,如喷涂后涂层在氢气保护下用热等静压技术处理,可使涂层的结合强度提高40%以上,激光重熔可使涂层的硬度、耐磨性和致密度都得到极大提高,真空等离子喷涂和激光等离子混合喷涂等喷涂方法可使涂层的结合强度大幅增加。随着等离子喷涂技术、设备和工艺的不断改进和完善,如能进一步提高喷涂效率,降低成本,并与其它表面技术结合起来扬长避短,这项技术将会有更加广阔的应用前景。

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