CN105220104A - 一种提高低气压等离子体喷涂沉积率的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高低气压等离子体喷涂沉积率的方法，是涉及低气压等离子喷涂的改进。本发明以层流等离子体作为喷涂热源，以电场作为辅助来提高等离子喷涂的沉积率。层流等离子体射流稳定且有效高温区长，能够增加粉体颗粒的熔化时间；层流等离子体束对电场有约束作用，使得层流等离子体束区域的电场强度增加，其中的熔滴颗粒更加容易荷电，并且约束熔滴颗粒的飞行状态，使熔滴颗粒在到达基底时获得优化的速度与角度，同时在库仑力作用下减少熔滴颗粒与基底碰撞时的飞溅损失，进而提高喷涂沉积率。

Description

一种提高低气压等离子体喷涂沉积率的方法

技术领域

本发明涉及一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，属于等离子应用领域。

背景技术

等离子喷涂是涂层制备中最常用的技术之一，通常是将粉体材料输送到高温等离子体束中，粉体材料在高温等离子体束中被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以一定的速度喷射撞击到工件表面形成涂层。目前低气压等离子喷涂已成为该领域研究的热点，在低气压条件下，等离子体束表面出与常压条件下不同的特性。低气压条件下，环境对等离子体束的影响减小，粉体颗粒在等离子体束中的加热时间延长，利于粉体材料充分熔化，因此低气压条件下，等离子喷涂可以形成具有柱状晶结构、致密结构或等轴晶结构的特殊结构涂层，扩大了涂层的应用范围。

目前低气压等离子喷涂的热源一般为传统湍流等离子体。湍流等离子体射流由于内部存在小涡旋，使得射流较短，温度梯度大，且易受环境影响。在低气压条件下，湍流等离子体射流的长度会有所增加，温度梯度相应减小，能够提高粉体材料的熔融。但是低气压条件下，湍流等离子体内部的小涡旋依然存在，会影响熔融颗粒的飞行状态。另外在低气压条件下，等离子体射流会迅速膨胀，在膨胀力和热泳双重作用下，熔融颗粒在等离子体射流中飞行的径向速度会增加，使得垂直于基底方向的轴向速度相对减小，不利于涂层沉积；另外，熔滴的粉体颗粒以很大的动能撞击基底时，熔滴的粉体颗粒会出现飞溅现象，一种为颗粒整体弹开，另一种为颗粒破碎飞溅。这些也都不利于涂层的沉积，造成涂层沉积率低。

发明内容

为了解决现有低气压等离子喷涂沉积率低的问题，本发明以层流等离子体作为热源，以电场作为辅助。层流等离子体束的温度梯度远小于传统湍流等离子体，且在低气压条件下也会被拉长，这样提高了有效高温区的长度，利于粉体材料熔化。层流等离子体射流的内部不存在小涡旋，熔融颗粒的飞行状态趋于一致。

等离子体具有很高的电导率，能够影响电场分布。图1a、图1b和图1c分别为正常电场分布、层流等离子体对电场影响分布和湍流等离子体对电场影响分布。由图1可见，层流等离子体对电场分布影响最大，主要由于层流等离子体比湍流等离子体稳定、均匀，因此对电场分布的约束作用更强，射流区域b2处的电场强度远超边缘区域b3，故边缘区域b3的电场作用可以忽略不计。在此种电场分布作用下，熔滴颗粒更加容易荷电，带电熔滴颗粒的受到的作用力也最强，熔滴颗粒的飞行状态也最易被改变。图2为熔滴颗粒的瞬时速度分解图，其中速度3为无电场作用的熔滴颗粒的瞬时速度，可以分解为径向速度2和轴向速度6。电场作用后，熔滴颗粒速度方向会约束，速度4即为电场作用下的熔滴速度，可以分解为径向速度1和轴向速度5。由图2可以明显看出，电场作用后的轴向速度5要大于无电场作用的轴向速度6。这表明，电场作用后熔滴垂直于基底方向的轴向速度增加；在电场作用下，熔滴颗粒的飞行方向也趋于垂直基底。

另外，由于熔滴颗粒与基底之间存在电荷库仑力，基底能够吸附熔滴颗粒，减少飞溅，从而提高喷涂沉积率。

本发明的有益效果：1、层流等离子体射流的温度梯度小，颗粒熔化更加充分；2、层流等离子体与电场相互作用，使得熔滴颗粒的轴向速度增加，提高喷涂沉积率；3、熔滴颗粒与基底撞击时的角度接近垂直，能够减少熔滴颗粒的整体飞溅，提高喷涂沉积率；4、熔滴颗粒与基底之间存在电荷库仑力，有效减少熔滴颗粒破碎飞溅，提高喷涂沉积率。

附图说明

图1a为正常电场分布：a1.等离子发生器，a2.中心区域电场，a3.边缘区域电场，a4.基体。

图1b为层流等离子体对电场影响分布：b1.等离子发生器，b2.射流区域电场，b3.边缘区域电场，b4.基体。

图1c为湍流等离子体对电场影响分布：c1.等离子发生器，c2.射流区域电场，c3.边缘区域电场，c4.基体。

图2为熔滴颗粒的速度状态：1.电场作用径向速度，2.无电场作用径向速度，3.无电场作用速度，4.电场作用速度，5.电场作用轴向速度，6.无电场作用径向速度。

图3为本发明的结构示意图：1.静电发生器，2.高压线，3.层流等离子喷枪，4.带电熔滴颗粒，5.工件基底，6.接地电位。

实例1喷涂刚玉粉Al2O3

相关工艺参数：真空室压力100pa，等离子体发生器功率18KW，Al2O3粒径400#，送粉速率2g/min，普通湍流喷涂距离30cm，本发明喷涂距离50cm。

结果表明：普通湍流等离子沉积率52%，本发明沉积率为84%。

实例2喷涂钼粉Mo

相关工艺参数：真空室压力100pa，等离子体发生器功率20KW，钼粉Mo粒径400#，送粉速率2.8g/min，普通湍流喷涂距离30cm，本发明喷涂距离50cm。

结果表明：普通湍流等离子沉积率68%，本发明沉积率为92%。

Claims (4)

1.一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于所使用的热源为层流等离子体，电场作为辅助。

2.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于层流等离子体发生器的功率在10Kw—200Kw范围内可调，使用的气体为Ar、N2、H2、O2或其混合气体。

3.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于电场位于等离子喷枪与工件之间，电场可以是直流电场、直流脉冲电场或交流电场等，电场方向可调，电场变化频率可调。

4.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于电场的强度与等离子体发生器功率、气流量、喷涂粉体材料等工艺参数相关，且在1KV—100KV范围内可调。