【文章內(nèi)容簡介】 不熔化，再加上粉末的噴射速度高，工件與噴槍的相對位移速度快，所以對工件表面的熱影響區(qū)很小，零件不會發(fā)生變形，這對于薄壁件、細長桿以及一些精密零件的修復(fù)是十分有利的。(6)由于等離子弧噴涂時的粉末具有高速的特點，所以每小時粉末的沉積率很高。在采用高能等離子噴涂設(shè)備時，每小時粉末的沉積量為 8Kg，充分顯示了等離子噴涂的高效性。(7)噴涂工藝規(guī)范穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能好，容易操作。第二本書上的6除了上述一些優(yōu)點，等離子弧噴涂也有其缺點。首先等離子噴涂設(shè)備投資大、成本較高（工作氣體純度要求高） ；其次是小孔徑內(nèi)表面難以噴涂（這是因為噴槍尺寸及噴距的限制） ；最后是高速等離子焰流產(chǎn)生的劇烈噪聲、強光輻射、有害氣體（如臭氧、氮氧化合物等） 、金屬蒸氣粉塵等對人體有害、需采取防護措施。 等離子弧噴涂工藝等離子弧噴涂是利用等離子焰流的熱能將引入的粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在等離子焰流的作用下，高速撞擊到基材表面，在這個過程中，粒子產(chǎn)生強烈的變形，覆蓋在工件的表面，形成涂層。涂層粒子之間的結(jié)合，以及涂層和基體之間的結(jié)合主要由機械結(jié)合力、分子鍵力、化學(xué)鍵力三種力形成 [00]。（1）等離子電弧的產(chǎn)生和基本形式。本實驗采用的等離子電弧屬于一種非轉(zhuǎn)移電弧，即是通過高頻引弧電路在陰極和噴嘴(即陽極)之間所產(chǎn)生的電弧。當(dāng)電弧在陰極和陽極內(nèi)壁之間產(chǎn)生后，通過陰極和噴嘴之間的工作氣體被電弧加熱，造成全部或部分電離，但工作氣體本身不帶電，而后由噴嘴噴出形成等離子弧。由于工作氣體電離所產(chǎn)生的電弧在噴嘴內(nèi)壁的陽極點終止，在不向氣體供給能量的條件下將等離子氣體噴射出來。所以，這種噴槍對基體材料的加熱效率相對較低。因此，等離子弧噴涂雖然溫度高，對噴涂粉末的熱傳導(dǎo)性能好，但是傳遞到工件的熱量卻很少，這就避免了基體材料的熱變形。等離子弧主要有如下四個特點 [0017]: 1）焰流速度高。進入噴槍中的工作氣體被加熱到上萬度的高溫，體積劇烈膨脹，因而等離子焰流自噴槍中高速噴出，具有很大的沖擊力，作為噴涂用的等離子弧的焰流速度通常為每秒幾百米，這對噴涂工藝是有利的。 2）溫度高、能量集中。對 400A 非轉(zhuǎn)移弧溫度的測量結(jié)果(氫氣流量為 )可知，在噴嘴口處中心溫度可達 20220K。等離子弧溫度高、能量集中的特點有很大的應(yīng)用價值，在噴涂或焊接、堆焊時，它可以融化任何金屬或非金屬。獲得很高的生產(chǎn)率，也可以減少工件變形，減少熱影響區(qū)。 3）調(diào)節(jié)性好。壓縮型電弧可以調(diào)節(jié)的因素很多，在很廣的范圍內(nèi)均可以穩(wěn)定的工作，從而滿足等離子工藝要求，這是自由電弧所不能達到的。 4）穩(wěn)定性好。由于等離子弧是一種壓縮型電弧，弧柱挺拔、電離度高，因而電弧位置、形狀以及電弧電壓、電弧電流都比自由電弧穩(wěn)定，不宜受外界因素干擾。(2)等離子噴涂工藝參數(shù)。等離子弧噴涂過程中，影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，工藝的優(yōu)化非常復(fù)雜，需經(jīng)過反復(fù)實驗才能獲得。等離子弧噴涂工藝參數(shù)主要有:輸入功率和電參數(shù)、工作氣體的種類和流量、送粉器的種類、送粉量、噴涂距離和角度、噴槍與工件的相對運動速度。在涂層結(jié)構(gòu)和材料確定的條件下，對涂層性能影響的主要工藝參數(shù)是最佳功率值，即粉末的熔化程度，其次是涂層厚度 [0018]。1)輸入功率和電參數(shù):輸入功率大小的選擇首先要確保粉末熔化良好和防止出現(xiàn)生粉，另外要防止功率過大導(dǎo)致粉末過熱和燒損。根據(jù)等離子焰流能量利用系數(shù)(一般為nf=10%~25%，可估算出等離子弧的功率 PD=gf/nf。最后按噴槍效率 n 估算出所需的輸入功率 P=IU=PD/( 為熱功當(dāng)量)。由此可知，輸入功率主要取決于噴槍的結(jié)構(gòu)(其影響系數(shù) nf和 n） 、粉末的熔點和粒度、送粉量等因素。當(dāng)功率一定時，應(yīng)盡可能選用高電壓、低電流，以減輕噴嘴的燒損和延長噴槍的使用壽命。但對于高熔點和粗粒粉末噴涂時，應(yīng)選用較大電流，以使粉末充分加熱。2)等離子氣體的選擇和流量:產(chǎn)生等離子弧的工作氣體稱為等離子氣體，其選擇原則主要是可用性和經(jīng)濟性?？捎眯允侵覆慌c工件和噴涂材料發(fā)生有害反應(yīng)，且能滿足噴涂的基本要求:經(jīng)濟性即盡可能價廉。氦氣是一種來源方便、價格便宜的雙原子等離子氣體，等離子弧噴涂常采用該種氣體。但氦氣保護性能差，噴涂易氧化粉末時不宜使用。在氦氣中加入 5%一 20%的氫氣作為等離子氣體，將有助于提高等離子弧的工作電壓和噴槍的使用7壽命。氫氣也是雙原子氣體，具有較高的熱焙值(氣體在分解和電離過程中吸收的總熱量，即等離子體所蘊涵的熱量)。由于氫氣價格較貴，一般不單獨作為等離子氣體使用，在噴涂高熔點粉末時，往往在等離子氣體中加入一定量的氫氣，以提高等離子弧的溫度，加入氫氣還可防止融粒氧化。氫氣是單原子氣體，其沒有分離過程，易于引弧且等離子弧穩(wěn)定，氫氣還具有很好的保護作用，在噴涂易氧化粉末和防止粉末脫碳時，如噴涂Cr2OWC、TiC、ZrC 等，選用氫氣作為等離子氣體最為適宜，但氫氣弧焰較短，適于小件和薄件的噴涂。3)供粉速率:供粉速率是影響涂層結(jié)構(gòu)、性能和噴涂效率的重要工藝參數(shù)。供粉速率必須與輸入功率相適應(yīng)，送粉氣流量應(yīng)與等離子氣體流量相匹配，一般送粉氣流量為等離子氣體流量的 1/5 左右。若供粉速率過大，則未熔化或未完全熔化的粉粒增多，涂層組織疏松、氣孔率增大，涂層的性能降低。但供粉速率過低，則噴涂效率降低，噴涂費用增加，而且易造成涂層過熱。4)噴涂距離和噴涂角:噴涂距離對噴涂質(zhì)量有顯著影響，噴距過小，則粉末在焰流中未能得到充分的加熱和加速，易導(dǎo)致涂層疏松和性能下降，而且易造成涂層和基材過熱。當(dāng)噴距過大，將使到達基材和涂層的融粒溫度和速度降低，導(dǎo)致融粒變形不充分、涂層結(jié)合強度降低。噴涂金屬粉末時，噴距常為 75 一 130mm。噴涂陶瓷粉末時，噴距常取 50 一100mm。噴涂時焰流軸線與被噴涂工件表面間的角度即噴涂角不應(yīng)小于 450。以 450~900的角度對工件表面進行噴涂，對涂層結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生很大的變化，然而當(dāng)噴涂角度小于 45℃時，由于遮蔽效應(yīng)的影響，會導(dǎo)致涂層氣孔率增大、涂層疏松。此外，在陡直的方形肩角處，也會因遮蔽效應(yīng)而難以噴涂。當(dāng)遇到這種情況時，常采用先以 450左右的角度噴涂拐角處，然后再以直角噴涂兩側(cè)平面。5)噴槍與工件的相對移動速度:噴槍與工件的相對移動速度在一定范圍內(nèi)對涂層質(zhì)量無明顯的不良影響。移動速度以保證一次噴涂厚度不超過 為宜。在保證獲得均勻涂層的前提下，一般來說移動速度快些為好，這樣可防止一次噴涂過厚導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，涂層結(jié)合強度降低，另外可避免局部過熱現(xiàn)象發(fā)生。 等離子噴涂的工藝流程噴涂工藝術(shù)包括以下四個基本工序—表面預(yù)處理、預(yù)熱、噴涂、涂層后處理。其基本工藝流程如圖 所示?，F(xiàn)將各工序的主要內(nèi)容簡述如下。 圖 熱噴涂基本工藝流程1.. 工件表面預(yù)處理為使涂層與基體材料很好的結(jié)合以及滿足噴涂工藝的需求，基材表面必須進行預(yù)處理，包括表面預(yù)加工、凈化、粗糙化和黏結(jié)底層等幾步操作。因此，在噴涂之前對基材表面進工件表面預(yù)處理：表面預(yù)加工；凈化；粗糙化；黏結(jié)底層涂層后處理：封孔；加工預(yù)熱 噴涂8行表面預(yù)處理是十分重要的一步，其處理質(zhì)量直接影響到涂層的質(zhì)量好壞，也往往關(guān)系到整個工藝的成敗。凈化和粗化的方法有多種多樣。方法的選擇要根據(jù)涂層的設(shè)計要求及基材材質(zhì)、形狀、厚薄、原始表面狀態(tài)及施工條件而定。對于承受高應(yīng)力的機械零件，如汽車發(fā)動機曲軸，在預(yù)處理錢要進行探傷檢查，以確定基材內(nèi)是否有裂紋等確陷。工件中的缺陷會導(dǎo)致涂層受損。而且，熱噴涂不能修復(fù)工件中已有的裂紋，也不會提高工件的整體強度。(1)表面預(yù)加工 是在噴涂之前對工件進行車削和磨削等表面加工，以清除工件上的原噴涂層、其他表面層（淬火層、滲碳層等） 、各種損傷和毛刺。修正表面的不均勻磨損，預(yù)留噴涂層厚度等，以保證提供合適的基體表面和工件噴涂后的尺寸精度。(2) 凈化處理 目的是除去工件表面所有的污物，如氧化皮、油漬、油漆及其它污物等。其中有代表性的是油脂和銹跡，故簡單的說，凈化處理中的關(guān)鍵是除油和除銹。除油的方法很多，常用的除油方法有：溶劑清洗、堿液清洗和加熱脫脂等。溶劑清洗法是利用有機溶劑可以溶解有機油脂的特性，清洗基材表面，除去油脂。常用的溶劑有汽油、煤油、柴油、丙酮、酒精、三氯乙烯、四氯化碳；堿液清洗是將工件表面放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中、待工件表面的油脂溶解后、再用水沖洗干凈，堿洗法是一中廉價的清洗方法，對除去油脂的污物很有效；加熱脫脂是為了除去疏松工件中的油脂，除對表面進行清洗除油外，還要將工件表面加熱到 250～400176。C 的溫度，使油脂滲出表面，揮發(fā)燒掉，然后再加以清除。除銹的主要方法則有化學(xué)除銹、電化學(xué)除銹、火焰除銹、機械除銹（噴砂、滾光、手工及機動工具除銹）等。(3) 粗化處理 目的是增加涂層和基材之間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，提高涂層與基材的結(jié)合強度。同時，基材表面粗化還可改變涂層中殘余應(yīng)力的分布，對提高涂層的結(jié)合強度也是有利的。粗化處理的方法有：噴砂、機械加工法（如車螺紋、滾花） 、電拉毛、噴涂自粘結(jié)材料作中間過渡層。噴砂處理是本文中采用的粗化處理，下面介紹有關(guān)噴砂處理的內(nèi)容： 噴砂處理是采用壓縮空氣為動力，以形成高速噴射束將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂）高速噴射到被需處理工件表面，使工件表面的外表面的外表或形狀發(fā)生變化，由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度。噴砂處理不僅能清除表面的污物，并能使工件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，還可使工件表面的機械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和裝飾。噴砂還能使工件表面活化，有助于提高噴涂層的結(jié)合強度。所以，一般粗化處理多采用噴砂處理工藝。噴砂產(chǎn)生的粗糙度，決定于磨料的類型和粒度、噴砂用的設(shè)備、壓縮空氣壓力及工件表面的硬度。對噴砂用的磨粒都要求清潔、干燥、不含油和雜質(zhì)。鋒利、堅硬及有棱角的砂粒可獲得最好的噴砂效果。噴砂磨料一般是金屬粒料或砂粒。金屬粒料主要是鋼砂或冷硬鑄鐵砂，砂粒則包括有9石英砂、氧化鋁、碳化硅、河砂等。此外還有用爐渣、玻璃球、塑料粒和玉米棒等其他非金屬磨料的。選擇磨料時，對其種類和粒度主要考慮工件因素和磨料因素兩個方面，工件因素包括尺寸、形狀、材質(zhì)。硬度和噴砂要求等，而磨料因素則是磨料的硬度、密度、粒度和形狀等，此外，為降低成本和節(jié)約資源，磨料的循環(huán)使用次數(shù)也是應(yīng)考慮的重要因素（表1.. ）表 1.. 磨料類型及循環(huán)使用次數(shù)磨料類型 棕剛玉砂 冷硬鑄鐵砂 鑄鋼砂 白剛玉砂循環(huán)使用次數(shù) 10 15 100 7通常，對于硬度較低的基體（如塑料和銅。鋁等有色金屬）宜選用較細的磨料；薄壁件則應(yīng)選用細粒度的剛玉砂，而不宜選用鋼砂（避免因沖擊力大而使工件變形） 。鋼砂和冷硬鑄鐵砂等金屬類磨料，噴砂時破碎率低，使用壽命長而能重復(fù)使用，故在批量鋼鐵工件的預(yù)處理中經(jīng)常應(yīng)用；特別是對于較軟的鋼鐵件（45HRC）最為適用；而當(dāng)基體較硬（45HRC）時則用剛玉砂和碳化硅砂等非金屬硬磨料。在非金屬磨料中，棕剛玉砂比較常用，因其硬度高而破碎率低，故噴砂質(zhì)量好且效率高，對基體的污染也少。碳化硅等磨料雖然硬度高，凈化和粗化效果較好，但其破碎率較高，且易嵌入基體，故用得少。因熱噴涂預(yù)處理要求被處理表面有足夠的粗糙度，故對于磨料的幾何形狀一般不用球丸類而是用多角形磨料。此外，對噴砂磨料還要求清潔和具有棱角。噴砂時應(yīng)注意以下幾點：噴砂距離的選擇取決于噴砂方式、空氣壓力大小以及工件的形狀和材料。選取合適的距離，既能使表面達到一定的粗糙度，又有較高的噴砂效率。同時，要避免磨粒給表面造成很大的壓應(yīng)力和避免工件發(fā)生變形。一般噴砂距離應(yīng)控制在 100～300mm 的范圍內(nèi)。壓力式噴砂的距離要比射吸式的大一些。噴砂角度是指砂粒噴射方向與基材表面夾角。應(yīng)保持在 60176?！?0176。 的范圍內(nèi)，避免 90176。方向噴砂，以防砂粒嵌入工件表面。壓縮空氣應(yīng)經(jīng)過分離器處理，以保證清潔、干燥、無油，以免玷污工件和影響涂層結(jié)合強度。壓縮空氣的壓力與工件尺寸和材質(zhì)、所要求的表面粗糙度、砂粒特性（重量、粒度、流動性）等因素有關(guān)。因此，壓力的選定要考慮到砂粒的粗細、工件的厚薄及表面粗糙度的要求。吸入式噴砂為 ～；壓力式噴砂一般為 ～ MPA 。噴砂后的工件應(yīng)注意避免新鮮表面的污染和退化（輕微腐蝕，甚至被氧化） ，對不需噴砂的部位要用橡膠帶包扎，有油孔的要用石棉繩堵住。噴砂后工件表面的活性很大，極易氧化。故必須避免用手觸摸和黏附油跡，防止?jié)駳饽鄱鸶g（最好保持在濕度60%以下） ，同時掌握在新鮮表面被氧化之前進行噴涂，以保證噴涂質(zhì)量。（4）黏結(jié)底層 是在噴涂一些與基材黏結(jié)不好的涂層材料時，先選擇一種與基材黏10結(jié)好的材料噴涂一層過渡層，以加強涂層與基體的結(jié)合。常用作黏結(jié)底層的材料有Mo、NiAl、NiCr 及鋁青銅等，底層的厚度一般是 ~。2. 預(yù)熱 目的是為了消除工件表面的水分，提高噴涂時涂層/ 基體界面溫度，減少基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的殘余應(yīng)力，以避免涂層開裂和提高涂層與基材的結(jié)合強度。預(yù)熱濕度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)以及涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素。預(yù)熱溫度一般情況下控制在 60176。C～120176。C 之間。這樣的溫度不影響原材質(zhì)的熱處理狀態(tài)，所以，基材的性能不會發(fā)生變化。預(yù)熱的方法可以采用氧乙炔火焰加熱(一般要采用中性焰)，也可以用電爐。高頻爐加熱。加熱應(yīng)均勻，避免局部溫度過高使表面產(chǎn)生黃色和藍色薄膜，而影響涂層的結(jié)合強度。