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真空等離子噴涂
2022-07-12

大氣中,等離子焰流一離開(kāi)噴嘴就從周圍吸入大量空氣。在100mm噴距時(shí),吸入空氣量可占等離子體的90%以上。常壓等離子噴涂時(shí),金屬粉末氧化嚴(yán)重。另外,有些有毒材料(如鈹及氧化鈹)無(wú)法在大氣中噴涂。為解決上述問(wèn)題,提出了低壓等離子噴涂。真空等離子噴涂又稱低壓等離子噴涂,是在低于大氣壓的低真空的密閉空間里進(jìn)行的等離子噴涂(受控環(huán)境的噴涂技術(shù))。

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受控環(huán)境的噴涂技術(shù)將我們對(duì)等離子噴涂的認(rèn)識(shí)向前推進(jìn)了一步。在噴涂室內(nèi)操作噴槍,使環(huán)境得到完全控制。這樣生產(chǎn)出來(lái)的涂層的特性是不可能在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下生產(chǎn)出來(lái)的。環(huán)境可以在近乎真空(低達(dá)50 mbar)和增高壓力(高達(dá)4 bar)范圍內(nèi)變化。選擇在噴涂室內(nèi)噴涂可防止涂層材料和/或基體的污染,或是由于需要噴涂材料與加入的某種物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)。

可控氣氛等離子噴涂的原理即等離子噴槍置于密封艙室內(nèi),由機(jī)械手進(jìn)行操作。將艙室抽至真空狀態(tài)即為真空等離子噴涂(VPS),艙室為低壓狀態(tài)時(shí),成為低壓真空等離子噴涂(LPPS)。艙室的氣氛可以為惰性氣氛或其他保護(hù)性氣氛。由于環(huán)境為低壓或氣氛可控,等離子焰流加長(zhǎng),粒子加熱更充分,氧化減少,涂層的質(zhì)量得到明顯改善,并且可以用于制備沉積金剛石膜、超導(dǎo)體氧化物涂層。

這種工藝生產(chǎn)出的涂層有很多優(yōu)勢(shì)。涂層致密性好,粘結(jié)性強(qiáng),不會(huì)被污染,金屬涂層中沒(méi)有氧化物。在用無(wú)反應(yīng)大氣裝填的噴涂室內(nèi)噴涂的陶瓷等非金屬涂層純度很高。并且,諸如鎢等高熔點(diǎn)金屬涂層應(yīng)用也很成功。由于噴槍與工件之間的距離不像大氣噴涂條件下那么關(guān)鍵,所以部件控制變得簡(jiǎn)單。噴涂工藝時(shí)間可以大大縮短,這是因?yàn)榈入x子羽流剖面均勻,焦斑直徑可以很大。此外,沒(méi)有大氣冷卻涂層粒子意味著涂層凝固過(guò)程比較緩慢。大氣等離子涂層幾乎沒(méi)有夾層薄片,涂層的晶體結(jié)構(gòu)接近鑄件材料的晶體結(jié)構(gòu)。

在低真空的環(huán)境里,由于轉(zhuǎn)移型等離子弧射流變粗拉長(zhǎng),一直接觸到工件表面,形成導(dǎo)電通道,因而可在其上疊加轉(zhuǎn)移弧。利用轉(zhuǎn)移弧對(duì)工件表面進(jìn)行濺蝕,去掉表面氧化層和污染,并且工件可以加熱到較高溫度,使得涂層在光滑的表面上就可結(jié)合,并在界面上產(chǎn)生擴(kuò)散,提高了結(jié)合強(qiáng)度,涂層厚度亦可不受限制。在密閉室進(jìn)行噴涂,噪聲和粉塵對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題也相應(yīng)得到了解決。

低真空環(huán)境下的噴涂與大氣等離子噴涂相比具有以下顯著特點(diǎn):
1)等離子射流的速度和溫度都比大氣等離子噴涂明顯提高,壓力愈低,射流速度和溫度就愈高。
2)粉末在等離子射流高溫區(qū)域滯留的時(shí)間增加,受熱更均勻,飛行速度更高。
3)可大幅度提高基體表面預(yù)熱溫度;還可以用反向轉(zhuǎn)移弧對(duì)基體進(jìn)行濺射清洗,清除氧化物和污垢,使涂層和基體的結(jié)合狀況得到改善。
4)粉末和基體表面完全避免了氧化,能制備各種活性金屬材料涂層。
5)由于以上原因,使得涂層結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高,氣孔率大幅度降低,涂層殘余應(yīng)力減小,涂層質(zhì)量明顯改善。
6)真空等離子噴涂設(shè)備復(fù)雜,價(jià)格昂貴,推廣應(yīng)用難度很大。




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