热喷涂技术与应用论文

等离子喷涂技术的现状与展望

程越

机电院 学号：2010235

摘要：综合分析了国内外等离子喷涂技术的现状, 着重阐述了今后的发展趋势, 并希望这一技术在我国的工业生产中发挥更大的作用。 关键词：等离子喷涂 实时诊断 智能控制

1 概述

随着现代科技和工业的发展, 对材料的性能提出了愈来愈高的要求, 不同的领域对材料的性能要求也有很大的差别, 即对于同一零部件的不同部位所要求的性能亦有所不同。因此, 寻求各种功能材料,甚至是智能材料已经成为当今世界的热门研究课题之一。

等离子喷涂技术是获得材料表面功能涂层的有效手段, 具有生产效率高、涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优点。因此, 近十几年来, 该技术的进步和生产应用发展很快, 现已广泛用于核能、航天航空、石化、机械等领域。

欧美国家从事等离子喷涂技术的研究工作较早, 现已形成大规模的开发、研制、生产基地。涌现出一批大型跨国公司, 如美国的Miller 公司、METCO 公司、瑞士的Castolin 公司, 并分别开发了自己的系列产品, 不断加以改进。如METCO公司从最初的3M系统发展到了现在的10M 系统。最近又推出了计算机控制的等离子喷涂系统, 配有AR-2000 型6关节机器人, 可对不同部件进行编程, 制订不同的喷涂工艺, 具有菜单式软件驱动,可实时监测和记录等离子喷涂工艺参数, 并加以闭环控制。

日本虽然起步较晚, 但非常注重引进世界一流的设备和技术, 并加以发展。特别是近年来, 日本在等离子喷涂技术方面的研究异常深人, 大有后来居上之势。

在1992年第十三届国际热喷涂会议上, 共提交论文250多篇。其中美国110篇, 日本40篇, 德国24篇,中国12 篇, 其它多来自欧洲国家。在编人会议论文集的161篇文章中, 我国只有2 篇人选。由此可看出在一定程度上反映了各国的发展水平。

与先进国家相比, 我国在等离子喷涂技术研究上投入的人力、物力较少, 而又分散在多家研究机构。如武汉材料保护研究所、航天部625所 、清华大学、华南理工大学、沈阳工业大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究所。这样, 其研究能力就显得更加势单力薄。80年代初, 武汉材保所和航天部625所, 在METCO公司7M 系统的基础上, 分别研制出可控硅整流等离子喷涂系统, 可惜未能形成生产能力和继续发展。近年来, 我国对等离子喷涂技术的研究工作多集中在涂层性能及喷涂工艺方面。国内从事等离子喷涂设备生产的仅几家小厂, 技术力量薄弱, 尚不具备开发、研制能力, 所生产的机型落后, 技术水平低。 2 等离子喷涂电源及改进

目前, 等离子喷涂技术正朝着高效、大功率方向发展。但现已商品化的等离子喷涂系统多采用传统的整流式电源, 不仅能耗高, 而且体大笨重, 不便于现场使用。作为世界一流的METCO公司所生产的等离子喷涂设备中, 其电源也是晶闸管整流式, 其整机重量930kg。体积为690mm（长）╳ 1230mm（宽）╳1220mm（高）。目前, 使等离子喷涂设备实现节能和小型化已成为一个重要的研究课题。

瑞士的castolin、公司最近率先推出了小型的晶体管式等离子喷涂电源, 其设计紧凑,

重量仅220kg, 控制柜重26kg, 送粉器12kg, 输出功率40kw , 能耗较低, 可喷涂多种材料。

电力电子技术正迅速地向前发展, 各种新型的功率器件不断涌现, 如绝缘栅双极晶体管（IGBT）、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITh)、场控晶闸管(MCT)等。由其中某些功率器件制造的逆变电源已成功地用于弧焊工艺中。我校已经研制出630A 的IGBT 中频脉冲MIG焊用弧焊逆变器, 目前正在研制72kvA 的IGBT逆变式喷涂电源。可以相信, 在不久的将来, 这些新型的功率器件会进人等离子喷涂技术的领域中, 使该类电源达到高效、节能和小型化, 并具有优良的动态调节性能和控制方便等特点。

3 等离子喷涂过程的实时诊断

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。这就需要对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。

等离子喷涂过程可分为三个阶段, 即 等离子体的发生、等离子体与颗粒之间的反应以及涂层的沉积。

等离子体的发生与电流、电压、气流量以及成分有关, 这部分测量较为容易些。但如何配置这些工艺参数的大小, 以在线稳定等离子体的热焙值和喷枪的效率,尚待进一步的研究。

等离子体与颗粒之间的反应可通过测量喷涂场的颗粒参数来表征, 这包括颗粒尺寸、速度、密度、空间分布温度。目前, 在实验室中, 采用一套带散射光颗粒尺寸测量及高速双色高温度计的激光多谱速度计（LDV）, 可测定颗粒尺寸、速度和温度。但是, 对颗粒进行诊断的所有技术, 都有一个主要的缺点, 即没有直接地获得有关熔化程度的数据。而且这些测量系统是实验室装置, 并不能用于工业环境进行控制。因此,寻求采用一种简单实用的测量技术将是重要的研究课题。

涂层性质的实时测量是过程完整性最直接的测量。超声波技术已用于探测厚度、密度、剥离、空隙和断裂等。然而涂层性能与工艺参数的关系是很复杂的,难以推测, 这也需要做大量的研究工作。

基体的温度、表面粗糙度以及热性能等特性, 能控制颗粒的冷却速度, 影响到涂层最终的性质, 如粘结的完整性、强度和密度。在生产上采用高温测量技术可测出涂层表面温度。

等离子喷涂过程的实时诊断技术具有相当的难度,目前正处于探索阶段, 它是等离子喷涂过程在线反馈控制的基础, 必须加以深人的研究。

4 等离子喷涂工艺的智能控制

由于等离子喷涂技术是一个十分复杂的工艺过程,任何一个参数稍有变化都将影响涂层的质量, 其中上要的工艺参数有 喷嘴尺寸、喷枪运动速度、喷涂距离、主气流量、送粉率、基体温度、电流、电压以及喷枪的效率。要实现喷涂工艺的自动控制, 并达到理想的效果, 就必须使控制系统具有人工智能的特点。

计算机技术的迅速发展, 为等离子喷涂工艺的智能控制提供了可靠的硬件保证。目前，工控机已能在高低温冲击、振动、电磁干扰、潮湿、盐雾等恶劣条件下保证系统连续稳定地运行。工控机的硬件配置灵活方便,能适应各种不同复杂程度的系统控制。

对于自动喷涂系统来说, 为了保证涂层的质量, 主要取决于在线控制的精度。首先要实时测量等离子体的热烙值和喷枪的效率, 并使其达到最佳化 同时用高温仪连续监测基体温度, 使之减少到最低限度, 计算机触发控制阀调整冷却气流量。

上述两项技术在现阶段已完全在生产中得到应用,为进一步提高控制精度, 就要对喷涂颗粒的状态（温度、速度、熔融程度等） 及涂层沉积厚度进行在线监控, 这是今后等离子

喷涂控制技术必须加以完善的, 这对保证涂层质量、节省材料、提高生产效率具有十分重要的意义。

人工神经网络和模糊推理极大地丰富了现代控制理论的内容, 也为等离子喷涂工艺实现智能化控制提供了有力的工具。在等离子喷涂过程中, 影响涂层质量的因素多达数十个, 它们与涂层性能和质量间的关系很难用一个精确的数学式子来表达。而模糊控制正适合于这种场合, 它不需要建立数学模型, 完全模拟了人类智能的特点对系统实施控制。人工神经网络具有并行和分布处理的方式及自适应学习和容错功能,可大大地加快运行速度, 提高实时控制能力, 模糊控制器用人工神经加以实现, 则可充分发挥它们的特点, 达到相辅相成的效果。

从METCO公司产品的发展趋势看, 其MC型控制柜采用可编程控制器, 只实现了半自动控制。而ATC 型控制柜则用代机, 使系统具有优良的自动控制功能。其它几家大公司也都在使自己的产品向机算化方向发展,而智能化控制则是人类最理想的控制方法。我校已初步成功地将人工神经网络用于焊接熔池的智能控制, 现正在探求适于等离子喷涂工艺的智能控制方法。可以相信,未来的等离子喷涂工艺的控制必将实现智能化。

5 等离子喷涂工艺的优化技术

评价等离子喷涂层性能的主要指标有：孔隙率、显微硬度、宏观硬度、结合强度、磨损率等。为了获得高质量的涂层,必须通过试验和优化技术,对众多的喷涂参数在许多不同的情况下, 找到其最佳值。如METCO公司每半年推出一套最佳工艺参数, 供用户参考。

在等离子喷涂工艺方法上, 近年来也有许多改进。如涂层在氢气保护下用热等静压技术处理, 可使涂层与基体的枯结强度提高40%以上, 真空等离子喷涂则特别适于活性材料, 如Ti、Ta、Nb等, 所产生的涂层粘结强度大幅增加, 化学纯度高, 孔隙率低。用激光束对涂层表面进行熔化处理, 可获得一层致密的无孔隙的熔化层, 并使涂层与基体之间的冶金结合厚度明显增加, 从而使结合强度相应增加。目前, 与相关新技术的结合, 使等离子喷涂工艺得到最优的效果, 已成为等离子喷涂技术的重要研究内容之一。

当涂层材料与基材的物理性能有较大的差异时, 要达到应有的结合强度, 提出了柔性过渡层的开发研究工作。为了获得材料的不同表面功能, 甚至智能化的涂层,必将促进等离子喷涂技术的研究向纵深方向发展。

6 结束语

在焊接技术科学中, 等离子喷涂作为一项新兴的高技术产业, 在未来的材料科学研究中, 会发挥愈来愈大的作用, 它将取代某些传统的焊接工艺和材料研究方法, 使其朝着崭新的方向发展。目前, 在等离子喷涂技术研究方面, 我国与先进国家相比, 基础工作较薄弱, 且有进一步拉大差距的趋势。因此, 我们必须抓住机遇, 将其它相关学科中现有的新技术成果引进到等离子喷涂的研究工作中, 以期尽快地赶上欧美等先进国家的水平，为加强焊接学科的自身建设和加快知识更新打下一个坚实的基础。