超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点

第２３卷第３期２０１０年６月

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—９２８９．２０１０．０３．０１８

中国表面工程

Ｖｂｌ．２３Ｊｕｎｅ

Ｎｏ．３２０１０

ＣＨ烈ＡＳＵＲＦＡＣＥ

ＥＮＧｒＮＥＥＲＩＮＧ

高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点木

王海军，谢兆钱，郭永明，李绪强

（装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京１０００７２）

摘要：超音速等离子喷涂技术是热喷涂技术的关键技术之一。从基础及应用的角度，研究了高效能超音速等离子

（ＨＥＰＪｅｔ）喷涂粒子的特性，探讨了高效能超音速等离子在制备Ｎｉ／Ａｌ等金属及其合金涂层、ｗＣ正。金属陶瓷涂层、ｚ帕２等氧化物陶瓷涂层上的特点。结果表明，高效能超音速等离子喷涂系统具有焰流温度高、射流速度快等特点；制

备的涂层粒子变形充分，涂层均匀，孔隙率低，结合强度高，涂层质量好；可将适用于喷涂的所有粉末材料制备成高质量涂层。

关键词：超音速等离子喷涂；喷涂粒子特性；涂层特点中图分类号：ＴＧｌ７４．４４２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００７＿９２８９（２０１０）０３－００８枷５

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Ｏ

引言

涂及超音速等离子喷涂技术Ｍ】。

超音速等离子喷涂是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法【４】。超音速等离子喷涂技术最早于２０世纪８０年代中期由美国率先研究，９０年代中期由ＴＡＦＡ公司将其商业化，它代表了当时世界的先进水平。在国内，装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室在多年研究国外超音速等离子喷涂技术的基础上，结合国内实际，率先研制成功了高效能超音速等离子喷涂系统（ＨＥＰＪｅｔ）。此系统通过特殊的喷枪设计（单阳极拉法尔喷嘴），采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案，实现了在低功率（８０ｋｗ）、小气体流量（６ｍ３ｍ）下获得超音速射流的目标。高效能超音速等离子喷涂系统（ＨＥＰＪｅｔ）的研制成功，使我国成为继美国之后第二个能够生产

热喷涂技术是一种迅速发展的表面强化技术，它是通过热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，然后喷射到经预处理的基体表面，形成优于基体的涂层，从而使工件具有更优异的表面性能¨Ｊ。经过近百年的发展，热喷涂技术已广泛应用于军事、航空、航天、机械、电力、生物工程等领域。热喷涂涂层的性能取决于涂层扁平粒子的层间结合和扁平粒子内部的组织结构，而粒子与基体碰撞后的扁平化过程主要受粒子碰撞速度、熔化状态等因素的制约１２ｊＪ，于是提高热喷涂射流和粒子的速度成为当今国内外热喷涂技术发展的新趋势，相继出现了气体爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、高速电弧喷

收稿日期：２０ｌＯ∞４＿２７；修回日期：２０ｌＯ＿０５一１７

基金项目：・国防科技重点实验室基金项目（９１４０ｃ８５０２叭０８０ｃ８５０３

９１４０Ｃ８５０２０５０９０Ｃ８５０２）

作者简介：王海军（１９５６＿－），男（汉），河北玉田人，副教授，本科。

万方数据

第３期王海军等：高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点

８５

成套超音速等离子喷涂系统的国家，该系统总体达

到国际先进水平，其核心技术——高效能超音速等

离子喷枪属国际领先【５】，并获得国防发明专利（专利号：０１１０１０７７．Ｏ）。

１

高效能超音速等离子喷涂粒子特性

高效能超音速等离子技术具有高热源、高动

能，功率可调范围宽的特点，其喷涂射流速度最高可达３

０００

１１１／ｓ，温度１００００℃。超音速等离子喷涂

的粒子速度、温度与喷涂工艺参数（电功率、电压和电流等）和喷涂粒子的属性（形貌、粒度等）等因素有非常密切的关系。图１表示超音速等离子喷涂功率为６４

ｋｗ时，Ａ１２０３粒子（粒度２０岬一３０肛ｍ）

在９０ｍｍ喷涂距离处的温度与速度。从图中可以看出，Ａ１２０３粒子平均温度约３２００℃，粒子平均速度

高达６００耐ｓ左右，远高于普通等离子喷涂（２００ＩＩｌ／ｓ～３００耐ｓ）。图２表示在６ｌｋｗ恒定功率下，不同

电压与电流匹配对Ａ１２０３粒子温度速度的影响。从图中可以看出，功率一定的情况下，粒子速度、温度随电流增大（电压减小）而增大，说明电流对温度

图１

６４

ｋｗ时Ａ１２０３粒子的状态Ｆｉｇ．１Ａ１２０３ｐａｒｔｉｃＩｅｓｓｔａｔｅｏｆ６４ｋＷ

鼍

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趟

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电流，／Ａ×电压叫Ｖ

‘

图２电流与电压的匹配对喷涂粒子状态的影响Ｆ唔２

Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐａｎｉｃｌｅｓ

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ｔｈｅ

ｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌ像ｇｃ

ａｔ

ｍｅｓａｍｅ

ｐｏｗ盯Ａ１２０３

万方数据

的影响要大于电压。且随着电流增大到一定程度，这种变化逐渐趋于平缓。因此在喷涂过程中选择较大的电流值，能保证粒子有较高的速度和温度№Ｊ。

２

高效能超音速等离子喷涂制备氧化物陶瓷

涂层的特点

氧化物陶瓷是热喷涂技术应用最广、用量最多的陶瓷喷涂材料【”。它一般具有硬度高、熔点高、热稳定性及化学稳定性好的特点，常用的氧化物陶瓷材料主要有：Ａ１２０３、Ｔｉ０２、ｚ帕２、Ｃｒ２０３等。高效能超音速等离子喷涂系统制备Ａｌｚ０３涂层、

Ｎａｌｌ吨由２梯度复合涂层和Ｃｒ２０３涂层的特点如下：

Ａ１２０３涂层具有良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐氧化性以及电绝缘性，被广泛用作隔热涂层、绝缘涂层以及耐滑动摩擦磨损涂层。图３为采用高效能超音速等离子喷涂系统在功率为６４ｋｗ时制备的Ａ１２０３涂层的表面图（ａ）和截面图（ｂ）形貌，从图中可以看出，粒子熔化状态好，变形充分，涂层组织致密，无分层和明显的裂纹等特点，经检测涂层孔隙率为ｏ．８％，显微硬度＞１０００ＨＶｏＪ３，沉积效率高达５０％以上【ｏｊ。

图３Ａ１２０３涂层的表面（ａ）和截面（ｂ）ｓＥＭ形貌Ｆ培３ｓＥＭｓｕｍ嵋ｅ（ａ）ａｎｄｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ（ｂ）ｍｏ叩ｈ０１０９ｙｏｆ

ｃｏａｔｉｎｇ

中国表面工程

２０１０年

热障涂层是目前热喷涂领域研究的热点，是最有发展潜力的涂层之一。采用高效能超音速等离子喷涂系统在功率为７１

ｋＷ时制备了ＮａＩｌ叱向２梯度

复合涂层，如图４所示。从图４（ａ）看出，Ｎａｎｏ＿ｚ巾２

复合涂层呈现了良好的连续梯度分布，合金相

（ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）和陶瓷相（Ｎａｎ叱幻２）熔化良好，

并结合紧密。图４（ｂ）表明涂层中仍然保持大量的纳米晶组织，且相对稳定。其中梯度复合层中的金属和陶瓷相界面分明，结合良好ｐＪ。

图４Ｎａｎ叱内２梯度复合涂层的ｓＥＭ断面形貌和ＴＥＭ

分析

Ｆｉｇ．４

ＳＥＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ（ａ）觚ｄＴＥＭ锄ａｌｙｓｉｓ（ｂ）ｏｆ

ｎ锄ｏ—Ｚｆ＜）２ｇｍｄｅｄ

ｃｏａｔｊｎｇ

Ｃｒ２０３涂层广泛应用于耐磨损、耐腐蚀领域，常采用普通等离子喷涂方法制备。图５为不同倍数

下，超音速等离子喷涂制备Ｃｒ２０３（粒度３０岬￣５３岫）涂层的形貌，（ｂ）为（ａ）的局部放大图。从图中

可以看出，涂层十分致密，涂层孔隙率极低（小于０．５％），显微硬度高达１

２３０ＨＶｏ．２

ｐＪ。

３超音速等离子制备金属陶瓷涂层的特点

碳化物金属陶瓷不仅具有熔点高、硬度高、化学性能稳定等典型的陶瓷材料特点，同时又显示出

万方数据

图５Ｃ‘２０３陶瓷涂层的ＳＥＭ断面形貌

Ｆｉｇ．５ＳＥＭｃｒｏｓｓ－ｓｅｃ￡ｊ伽ｍｏ神ｏＪｏｇｉｅｓ

ｏｆＣｒ２０３ｃｏａｔｉｇ

一定的金属性能。目前，以ＷＣ—Ｃｏ、Ｃｒ３Ｃ２－ＮｉＣｒ等为代表的碳化物金属陶瓷广泛应用于制造耐磨涂层以提高零部件的使用寿命【１ｏ，１１】。

采用高效能超音速等离子喷涂系统（ＨＥＰＪｅｔ）在功率为５６ｋｗ时制备的ｗＣ—Ｃｏ涂层，如图６所示。图６表明粒子熔化状态好，涂层均匀，非常致

密，涂层与基体结合好。经检测，涂层孔隙率为０．６６％，显微硬度值＞１２００ＨＶｏ加与基体的结合强度大于６５ＭＰａ。图７为ＨＶＯＦ与ＨＥＰＪｅｔ制备的金属及其合金喷涂材料熔点相对较低、韧性同还具有一定的耐腐蚀能力，因而在热喷涂领域的图８为功率在５１ｋｗ时，采用高效能超音速等离

ｗＣＬｌ２Ｃｏ涂层的ＸＲＤ图谱，结果表明高效能超音速等离子喷涂系统制备ｗＣ＿Ｃｏ涂层的氧化和失碳

情况与超音速火焰喷涂相型１２Ｊ。

４超音速等离子制备金属及其合金涂层的特点

好、结合强度高、导电导热性能好，根据成分的不应用非常广泛。

子喷涂制备的Ｍｏ－７０％ＮｉＣｒＢＳｉ涂层。从图中可以

第３期王海军等：高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点

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图６ｗｃ—ｃｏ涂层的表面（ａ）和截面（ｂ）ｓＥＭ形貌

Ｆ嘻６ＳＥＭｓｕｍｃｅ（ａ）彻ｄｃｍｓｓｓｅｃｔｊ叩（ｂ）ｍｏ啦ｏ】ｏｇ），ｏｆｗＣ—Ｃｏｃｏａ血ｇ

２口／（ｏ）

图７ＷＣ—Ｃｏ涂层的ｘＲＤ衍射图谱Ｆｉｇ．７ＸＲＤｐａｔｔｅｍｓｏｆＷＣ—Ｃｏｃｏａｔｉｎｇ

２ｐ／（。）

Ｆｉｇ．８

ＳＥＭ舭ｅ（ａ）ａ１１ｄ

图８Ｍｏ＿７０％ＮｉｃｒＢｓｉ涂层表面（ａ）和截面（ｂ）ｓＥＭ形貌

ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ（ｂ）ｍｏ叩ｈｏｌｏｇｙｏｆＭｐ７０％ＮｉＣｒＢＳｉ

ｃｏａｔｉｎｇ

看出，Ｍｏ－７０％ＮｉｃｒＢｓｉ熔化充分，涂层致密。经检测，涂层孔隙率小于１％，显微硬度值９６５．２７ＨＶｏ．１０ＥＤＡＸ能谱分析表明，图８（ｂ）中浅色区域为ＮｉＣｒＢＳｉ，深色区域为Ｍｏ，两者交替均匀分布。图９表明涂层摩擦因数小（＜０．００５），起到自润滑和保护作用，达到改善摩擦学性能的目的¨川。

Ａｌ／Ｎｉ粉是典型的放热包覆型粉末，常用作打

底层，涂层具有抗氧化性，适合７００℃下的工作，也可作为工作涂层或工件的表面修复，起到耐磨、防水冲蚀、抗热震性能。图ｌ０为高效能超音速等离子喷涂系统在功率为５４ｋＷ和喷涂距离为ｌ８０１１１ｎｌ时制

备的ＡⅢｉ涂层。从图中可知Ａ价ｉｉ熔化较好，涂层组

织致密，与基体结合较好，结合强度大于６５ＭＰａ，

能起到具有较好的粘结过渡层效果。

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中国表面工程

２０１０年

图９Ｍｏ＿７０％ＮｉｃｒＢｓｉ涂层时间一摩擦因数曲线

Ｆｉｇ．９

Ｔｈｅ衔ｃｔｉｏｎｃｏｅ衢ｃｉｅｍａｎｄｔｉｍｅｃｕⅣｅｓｏｆＭｏ一７０％

ＮｉＣｒＢＳｉｃｏａｔｉｎｇ

图ｌ０Ｎ“Ａｌ涂层截面ＳＥＭ形貌

Ｆ培ｌ０ＳＥＭｃｒｏｓｓ＿－ｓｅｃｔｉｏｎ

ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆＮｉ／Ａｌｃｏａｔｉｇ

５结语与展望

热喷涂技术是再制造工程的关键支撑技术之一。作为热喷涂技术的最新代表，高效能超音速等离子喷涂技术在普通等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术之间架起了一座桥梁。它不仅适合喷涂低熔点金属及其合金材料，也适合喷涂高熔点陶瓷材料。由于热焓值高，能量集中，较好地解决了半熔融或未融化粒子造成喷涂材料和喷涂涂层成分不一致的问题。高效能超音速等离子喷涂技术（ＨＥＰＪ）具有耗能少、喷涂材料广、沉积效率高、涂层质量好等优点，现已广泛应用于国防、航空航天、能源、交通运输、工业等各经济领域。

基于高效能超音速等离子拉法尔喷嘴的设计思路，通过不断改进喷枪结构，进一步拉长电弧长度，提高电弧的能量密度和温度梯度，开发新一代喷涂非晶材料和纳米材料的新工艺，将为大面积非晶纳米晶涂层的制备提供技术支撑。

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１０００７２

２００２９１０５

作者地址：装甲兵工程学院装备再制造工程系

Ｔｅｌ：１５ｌＥ・ｍａｉｌ：）【ｚｑ７８６５０２３＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ

高效能超音速等离子喷涂粒子特性及涂层特点

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

王海军， 谢兆钱， 郭永明， 李绪强， WANG Hai-jun， XIE Zhao-qian， GUO Yong-ming， LI Xu-qiang

装甲兵工程学院,装备再制造技术国防科技重点实验室,北京,100072中国表面工程

CHINA SURFACE ENGINEERING2010,23(3)

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgbmgc201003018.aspx