高效能等離子噴涂設(shè)備研究及技術(shù)應(yīng)用

　　1958年，世界上第一臺(tái)等離子噴涂設(shè)備在美國(guó)問世，使噴涂制備高熔點(diǎn)材料(比如陶瓷)涂層成為可能。該技術(shù)迅即在科技領(lǐng)域內(nèi)作出了重要貢獻(xiàn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)各種零部件的性能要求越來越高，其表面處理越來越受到重視，因此對(duì)涂層質(zhì)量要求也越來越高。由于陶瓷材料所具有的優(yōu)異性能得到越來越多人的青睞，促進(jìn)了噴涂工藝的不斷完善。世界上先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家先后在多種產(chǎn)品上噴涂不同的陶瓷涂層，提高了產(chǎn)品的使用性能和服役期限。如今，陶瓷涂層技術(shù)正在形成一個(gè)新興的、市場(chǎng)極廣闊的工業(yè)領(lǐng)域。正是這一市場(chǎng)需求，各式各樣陶瓷涂層噴涂沒備的研制工作正在廣泛展開。世界上等離子噴涂設(shè)備的發(fā)展正向自動(dòng)化、集成化、嵌入生產(chǎn)流水線、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、乃至無人化和通過Internet遠(yuǎn)程控制的方向發(fā)展。同時(shí)，等離子陶瓷涂層技術(shù)正帶動(dòng)一系列高科技技術(shù)的發(fā)展和興起，如陶瓷涂層超導(dǎo)元件、陶瓷涂覆的生物醫(yī)學(xué)功能材料、永不磨損金剛石薄膜技術(shù)、新型超大規(guī)模集成電路、高輻射率節(jié)能涂層、波長(zhǎng)吸收和抗干擾涂層等，發(fā)展前景極為廣闊。

　　相比世界先進(jìn)水平，中國(guó)在這一領(lǐng)域還有一段距離。本文主要介紹氣穩(wěn)等離子(ASP)噴涂設(shè)備DH-1080等離子噴涂系統(tǒng)及其應(yīng)用。該系統(tǒng)由上海大豪英佛曼納米材料噴涂有限公司經(jīng)過多年研究并制造，采用低壓大電流設(shè)計(jì)理念，使用PLC和MCU相結(jié)合的控制技術(shù)，與此相配套的有狀態(tài)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、LED智能顯示、PLC噴涂過程自動(dòng)控制系統(tǒng)、三相大功率晶閘管全控整流技術(shù)，為新一代高效能等離子噴涂設(shè)備。

一、等離子噴涂技術(shù)簡(jiǎn)介

　　等離子噴涂是熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域中極為重要的一項(xiàng)工藝技術(shù)。目前熱噴涂用粉末材料幾乎都可以通過此方法制備成性能良好的涂層。等離子噴涂正在應(yīng)用的有大氣等離子噴涂、可控氣氛等離子噴涂和液體穩(wěn)定等離子噴涂方法，處于研究狀態(tài)的有脈沖、射頻和感應(yīng)藕合等幾種等離子噴涂方法。

　　大氣等離子噴涂使用氬氣、氮?dú)?、氫氣作為離子氣，經(jīng)電離產(chǎn)生等離子高溫射流，將輸入的材料熔化或熔融噴射到工件表面形成涂層。主要用于制備金屬陶瓷、陶瓷涂層。在這種噴涂裝置上對(duì)噴涂槍進(jìn)行改進(jìn)發(fā)展了超音速等離子噴涂，該等離子焰流能量密度更高、焰流速度更快、涂層更加致密。可控氣氛等離子噴涂是將等離子噴槍置于密閉倉(cāng)內(nèi)，由機(jī)械手進(jìn)行操作，將倉(cāng)內(nèi)抽至真空狀態(tài)的為真空等離子噴涂，倉(cāng)內(nèi)為低壓狀態(tài)的則為低壓真空等離子噴涂。這種1藝特點(diǎn)由于低壓和氣氛可控，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，并且擴(kuò)大了熱噴涂在沉積金剛石膜、超導(dǎo)氧化物涂層方面的應(yīng)用。

　　二、新等離子噴涂設(shè)備系統(tǒng)組成和特點(diǎn)

　　DH-1080等離子噴涂系統(tǒng)是在Metco 7M、9M系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合中國(guó)市場(chǎng)的實(shí)際情況而研制成功的。在許多方面，其性能表現(xiàn)優(yōu)于7M、9M系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為高效能、高穩(wěn)定和高性價(jià)比。DH-1080等離子噴涂沒備由電源、控制柜、噴槍、轉(zhuǎn)接箱、送粉器和冷水機(jī)組等六部分主件組成。

　　該系統(tǒng)采用低壓大電流電源沒計(jì)理念，相比磁放大等離子噴涂電源來說，其反應(yīng)速度更快，功率因數(shù)更高。相對(duì)逆變電源來說，其提供了更高的功率，只采用單一的電源就能使系統(tǒng)正常工作。而且其電源結(jié)構(gòu)要比逆變電源要簡(jiǎn)單的多，這也減小了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也在一定程度上降低了生產(chǎn)和制造成本。其電氣原理如圖 1所示。

圖1 等離子噴涂電源電氣原理圖

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)降低對(duì)電氣零部件的絕緣要求，降低生產(chǎn)成本；增加了安全系數(shù)，減少了對(duì)人體傷害的不確定因素。

(2)采用軟啟動(dòng)，使噴槍從開始啟動(dòng)到正常工作緩慢過渡，避免瞬時(shí)大電流對(duì)噴槍進(jìn)行沖擊，增加了噴槍的使用壽命。

(3)同比其他同類型的等離子噴涂電源，具有更高的功率因素，電源的功率因數(shù)可達(dá)80％。降低了噴涂成本。

(4)通過閉環(huán)控制、采用PID校正技術(shù)，使系統(tǒng)電流在0～800A的區(qū)間內(nèi)的任一工作點(diǎn)上，都能保持恒定的電流輸出，具有良好的電壓一電流陡降特性。其在不同電流下的性能測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 噴涂電源外特性圖

運(yùn)用EDA技術(shù)，開發(fā)出了可編程控制數(shù)字移相晶閘管觸發(fā)電路為核心的晶閘管觸發(fā)板。該電路通過采用C語言，對(duì)MCU進(jìn)行編程，以全數(shù)字移相技術(shù)為核心，形成具有相序自適應(yīng)以及針對(duì)調(diào)壓與整流的模式識(shí)別功能的雙脈沖列式三相晶閘管數(shù)字移相觸發(fā)電路。針對(duì)等離子噴涂系統(tǒng)的三相全控整流調(diào)壓電路，本設(shè)計(jì)采用三相同步絕對(duì)式觸發(fā)方式，其觸發(fā)時(shí)序如圖3所示。

圖3 晶閘管觸發(fā)板觸發(fā)時(shí)序圖

運(yùn)用該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)在空載時(shí)，電壓可以穩(wěn)定在60V，方便噴槍的起弧。

(2)通過對(duì)電流的大小實(shí)時(shí)跟蹤，將測(cè)得的電流信號(hào)與給定電流進(jìn)行比較，然后將比較結(jié)果輸入晶閘管觸發(fā)板控制晶閘管的觸發(fā)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的閉環(huán)伺服控制。通過這一技術(shù)，使電源在正常工作時(shí)的電流波動(dòng)率小于1％，從而為電弧的穩(wěn)定提供了可靠的保障。

(3)降低變壓器次級(jí)的輸出電壓，以盡可能地減小晶閘管的觸發(fā)角，這也在很大程度上改善了系統(tǒng)工作時(shí)的電流波形，降低了系統(tǒng)本身的發(fā)熱量，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。同時(shí)也保證了等離子弧束的穩(wěn)定性，保證噴涂時(shí)粉末的均勻熔化、球化，避免粉末的過燒或夾帶生粒。

(4)相當(dāng)寬的電壓工作區(qū)間。經(jīng)試驗(yàn)，DH-1080等離子噴涂系統(tǒng)可以在電網(wǎng)電壓只有310v的情況下，以80V、500A的狀態(tài)持續(xù)、穩(wěn)定地工作。

(5)采用多種保護(hù)技術(shù)，保護(hù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件。主要有：①相序保護(hù)，避免因相序的錯(cuò)誤而顛倒晶閘管的導(dǎo)通時(shí)序。②阻容保護(hù)，避免系統(tǒng)中的過脈沖電壓對(duì)晶閘管造成破壞。③耐壓高，大電流高速熔斷器的使用限制了系統(tǒng)中較長(zhǎng)時(shí)間(幾毫秒)的過電流，給晶閘管再加上一層保護(hù)；同時(shí)其微動(dòng)開關(guān)能快速地切斷系統(tǒng)的電源。④采用性能良好的交流接觸器，避免因使用劣質(zhì)的接觸器而大幅度增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。⑤溫度保護(hù)。采用溫度繼電器限制系統(tǒng)的使用溫度。

等離子噴涂槍是噴涂系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 等離子噴槍結(jié)構(gòu)示意圖

該噴槍在Metco 7MB、9MB的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確地選用材料，以及長(zhǎng)時(shí)間的工作測(cè)試，其整體性能可達(dá)國(guó)外先進(jìn)水平。其主要的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)改進(jìn)的水道設(shè)計(jì)使噴槍的冷卻性能更好，延長(zhǎng)易損零件的使用壽命。

(2)改進(jìn)的噴嘴設(shè)計(jì)使其更換更方便，噴嘴的累積使用壽命更長(zhǎng)。有多種不同型號(hào)的噴嘴和電極，可適用于多種等離子弧及不同工作參數(shù)的噴涂工作，增加了系統(tǒng)的柔性，大大拓展了該噴涂設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3)增加的空氣冷卻組件在噴涂工作時(shí)起到對(duì)工件表面進(jìn)行凈化和冷卻的作用，保證了涂層質(zhì)量。

(4)在系統(tǒng)噴涂預(yù)備的情況下，以電壓30V、電流100A的氬或氮等離子弧維持，節(jié)約電力，并且延長(zhǎng)噴槍的使用壽命。同時(shí)，可以在很短時(shí)間內(nèi)(3～4S，軟啟動(dòng))達(dá)到80V、500A的N2+H2的正常工作狀態(tài)。

(5)該噴槍可以采用Ar、N2、Ar+H2、N2+H2和Ar+N2，五種氣體工作方式進(jìn)行噴涂。

通過等離子噴涂控制柜對(duì)系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行操作和控制，可實(shí)現(xiàn)各路氣體流量的穩(wěn)定供給和預(yù)置參數(shù)制動(dòng)準(zhǔn)確定位和復(fù)位，提高了整套系統(tǒng)的可靠性和噴涂參數(shù)的可重復(fù)性、一致性，保證了噴涂質(zhì)量。其創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

(1)系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)器實(shí)時(shí)自檢。在系統(tǒng)啟動(dòng)之前和噴涂過程中，對(duì)系統(tǒng)的主要工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以LED方式顯示檢查結(jié)果或故障原因。

(2)以PIC為核心，完成對(duì)系統(tǒng)的全部時(shí)序控制，具有操作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，具有相當(dāng)大的柔性，可以通過改寫程序而改變系統(tǒng)的時(shí)序及時(shí)間參數(shù)，網(wǎng)此，也就具有相當(dāng)強(qiáng)大的調(diào)試功能。其正常工作時(shí)的操作時(shí)序如圖5所示。

圖5 DH-1080等離子噴涂系統(tǒng)工作時(shí)序圖

三、等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用

DH-1080等離子噴涂系統(tǒng)由于其良好的性能表現(xiàn)，因而可噴涂如下涂層：

1．熱障涂層(TBCs)

燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件，如葉片、噴嘴和燃燒室，處于高溫、氧化和高速氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中。對(duì)于承受溫度高達(dá)1100℃的燃?xì)廨啓C(jī)部件，己超過了鎳基高溫合金使用的極限溫度(1075℃)。噴涂高熔點(diǎn)陶瓷涂層，對(duì)高溫合金基體起絕熱屏蔽作用，稱為熱障涂層。其基本要求是：耐高溫；抗高溫氧化；與金屬基體結(jié)合牢固；熱導(dǎo)率低，絕熱性好；熱膨脹系數(shù)與金屬基體匹配好，耐熱循環(huán)次數(shù)高。實(shí)踐表明，采用MCrAlY合金作粘結(jié)底層，噴涂Y2O3部分穩(wěn)定ZrO2絕熱陶瓷涂層，涂層堅(jiān)硬、致密，抗高溫燃?xì)鉀_蝕和抗熱震性能優(yōu)異，即使在1650℃高溫下長(zhǎng)期使用，其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性能都很滿意。在Y203-Zr02 中加入少量CeO，能進(jìn)一步改善涂層的抗熱展性能。在使用溫度更低一些的情況下，可采用MgO或CaO穩(wěn)定的ZrO2作熱障陶瓷障涂層。

熱障涂層主要用于航空、艦船及陸用燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件，現(xiàn)正推廣應(yīng)用于民用內(nèi)燃機(jī)、增壓渦輪、冶金工業(yè)用噴氧槍等領(lǐng)域。

2．可磨耗密封涂層

采用熱噴涂技術(shù)在壓氣機(jī)渦殼內(nèi)表面噴涂可磨耗密封涂層，與壓氣機(jī)葉片尖部的硬質(zhì)涂層形成一對(duì)耐磨耗密封磨損付，在運(yùn)行過程中，能形成理想的徑向氣流問隙，獲得最大的壓差，從而顯著地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低航空汽油的消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)一次試車合格率。

3．抗高溫粘著磨損涂層

采用等離子噴涂技術(shù)，在高溫爐輥表面噴涂特種陶瓷或金屬陶瓷涂層，具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、抗粘著、防結(jié)瘤和自清理凈化性能，既可顯著地提高爐輥使用壽命，又能生產(chǎn)出表面光沽、質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材，如優(yōu)質(zhì)硅鋼板、優(yōu)質(zhì)汽車薄板和熱浸鍍薄板等。例如，熱軋不銹鋼帶退火爐爐輥，噴涂含BN的金屬陶瓷涂層，其耐高溫磨損性能提高4倍以上。

4．抗高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層

對(duì)在熔池內(nèi)使用的金屬制件表面噴涂耐火陶瓷或金屬陶瓷涂層，就能獲得性能優(yōu)異的耐高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層。例如，熱浸鍍鋁槽內(nèi)的沉沒輥和穩(wěn)定輥，由于鋁液具有極高的化學(xué)活性，能與多種金屬發(fā)生鋁熱反應(yīng)形成金屬間化合物。因此，金屬合金爐輥在采用等離子噴涂特種陶瓷涂層后，使用壽命可由5～10天提高到 20～30天。

5．耐磨減磨涂層

等離子噴涂陶瓷涂層和金屬陶瓷涂層，不僅具有高的硬度、優(yōu)異的耐蝕性，而且摩擦系數(shù)小、能耗低，對(duì)密封材料的磨損小，涂層硬度和耐磨性不會(huì)因?yàn)榫植窟^熱而降低?，F(xiàn)在，大型推土機(jī)用液壓活塞桿、軋鋼機(jī)用液壓活塞桿、建筑瓷磚壓坯用液壓機(jī)活塞桿、水輪執(zhí)葉輪軸和磨環(huán)、電摳軸頭、磨床軸、燃油泵軸、執(zhí)咬死軸套、活塞環(huán)、凸輪隨動(dòng)件等，在低應(yīng)力滑動(dòng)磨損和腐蝕工況下，幾乎所有原用鍍鉻的制品都可以用熱噴涂陶瓷或金屬陶瓷涂層代替，提高耐磨性能。

6．耐纖維磨損涂層

在化纖紡機(jī)的導(dǎo)絲、紡絲部件表面，采用等離子噴涂Al2O3基復(fù)合陶瓷涂層，經(jīng)處理獲得“桔皮狀”外觀形貌，達(dá)到Ra≈1.5μm的表面粗糙度，是理想的工作表面。

7．親水與介電涂層

現(xiàn)代造紙和印刷機(jī)械，盡管運(yùn)行速度很高，但因負(fù)荷輕，故均處于低應(yīng)力狀態(tài)，適合于熱噴涂涂層的應(yīng)用。等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù)，在國(guó)外的造紙和印刷機(jī)輥?zhàn)由弦殉晒?yīng)用多年，且日益擴(kuò)大。等離子噴涂陶瓷后進(jìn)行激光刻蝕輥是進(jìn)行高質(zhì)量、高清晰圖像印刷的保證。

四、在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用及潛力展望

熱噴涂高性能陶瓷涂層技術(shù)，正在高科技領(lǐng)域嶄露頭角，將帶動(dòng)和促進(jìn)一系列高科技術(shù)的發(fā)展和興起。

1．高溫超導(dǎo)體制件

用等離子噴涂超導(dǎo)陶瓷涂層，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：沉積速率高，容易制備厚涂層和大而積涂層，能夠噴涂具有復(fù)雜形狀的超導(dǎo)制件，可直接在大氣巾噴涂，不需保護(hù)氣體，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)材料實(shí)用化很有希望的工藝。等離子噴涂釔鋇銅氧(YBaCuO)、鉍鍶鈣銅氧(BisrCaCuO)超導(dǎo)陶瓷涂層，都已有應(yīng)用成功的報(bào)道。在磁屏蔽、微波元件、各類傳感器和量子電子器件等方面，展示出很好的應(yīng)用前景。

2．在微電子工業(yè)中的應(yīng)用

在金屬板(如科伐合金、銅、鋁、鋼)上噴涂絕緣陶瓷涂層，具有高熱導(dǎo)率的金屬能將強(qiáng)電流所產(chǎn)生的熱發(fā)散開，而陶瓷涂層則提供很好的介電絕緣性能。據(jù)計(jì)算，在銅板上噴涂Al2O3陶瓷涂層，其總熱導(dǎo)率比在相同厚度銅板上燒結(jié)氧化鋁層的總熱導(dǎo)率高五倍，這十分有利于集成電路板的散熱和提高功率。

3．生物醫(yī)學(xué)功能陶瓷涂層

在金屬基體上等離子噴涂生物醫(yī)學(xué)功能陶瓷涂層，具有以下特點(diǎn)：①對(duì)生物體無毒，適于體內(nèi)安全使用。②對(duì)生物體和細(xì)胞有良好的適應(yīng)性和親和性，不會(huì)產(chǎn)生副作用。③耐人體體液腐蝕。④耐長(zhǎng)期使用過程中的磨損。⑤具有人體運(yùn)動(dòng)所必須的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。⑥噴涂層的多孔，性和粗糙表面，有利于生物體組織向人工骨骼表而的生長(zhǎng)和親和。因此，熱噴涂金屬基生物陶瓷涂層的人工骨骼，是比較理想的人工骨骼材料。

五、結(jié)論

等離子噴涂由于具有高溫度、高熱焓和高速度的特性，可以噴涂各種熱噴涂粉末，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，對(duì)設(shè)備零部件的使用性能的提高起到了至關(guān)重要的作用，是機(jī)械零部件提高表面性能不可缺少的工藝方法。

唯有良好的設(shè)備和合理的工藝相結(jié)合，才是制作優(yōu)良涂層的惟一途徑。因此，選擇設(shè)備和選擇工藝是該技術(shù)的重中之重。