第五讲 等离子喷射技术

等离子喷射技术石富全08050127顾兴伟08050110白丽李仲宝黄自成等离子体等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。右图所示为温度与物质存在状态的联系示意。等离子体等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态。主要由电子,正离子以及未电离的中性粒子（原子，分子）的集合组成，但是整体呈中性。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等。分类等离子体可分为两种：高温等离子体（热等离子体）：压力大于1.33×104Pa时，气体密度大，电子撞击气体分子，能量转移，电子温度和气体温度几乎相等。低温等离子体（冷等离子体）：压力小于1.33×104Pa时，气体密度小，电子撞击气体概率小，气体吸收电子的能量少，气体温度与电子温度分离，电子温度大约104K，气体温度102～103K。等离子体等离子体的特点：1，等离子体是导电流体而又整体上保持电中性2，组成中带电粒子间存在库仑力3，等离子体的运动行为受到电磁场的影响和制约普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述．在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场．电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等．等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态．等离子体等离子体产生的方法:光照,燃烧,电场激发,放射线，与高温介质接触等分子原子电子+带电的离子等离子体的电离度,假定电子,离子和中性粒子的密度分别外ne，ni及na其中，ni≈neη=ne/(ni+na)η0.1%,低温等离子体η1%,高温等离子体等离子喷涂等离子喷涂（plasmaspraying）：利用等离子射流将喷镀材料加热到熔化或接近熔化状态，喷附在制品表面上形成保护层的方法。这是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。等离子喷涂等离子喷涂是采用非转移型等离子弧为热源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。近十几年来等离子喷涂技术发展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂等喷涂技术，等离子喷涂已经成为热喷涂技术中最重要的一项工艺方法。1：大气等离子喷涂原理大气等离子喷涂简称等离子喷涂，喷涂原理如图所示。等离子喷涂通过等离子喷枪来实现，喷枪的喷嘴（阳极）和电极（阴极）分别接电源的正负极，喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧。电弧将气体加热并且使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流。送粉气将粉末从喷嘴内（内送粉）或外（外送粉）送入等离子射流中，被加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，以一定速度喷射到经过与处理的基体表面形成涂层。常用的等离子气体有氩气、氢气、氮气或它们的混合物。大气等离子喷涂原理图大气等离子喷涂设备构成我国主要使用设备分为进口和国产两类。下面主要参照SulzerMetco9M设备介绍其构成。SulzerMetco9M等离子喷涂设备由喷枪、整流电源、控制系统、热交换系统、送粉器、水电转接箱六部分组成，如图所示。辅助设备包括：压缩气体供给系统、工作用气（氩、氢、氮）供给系统等。涂层和工艺技术特点①涂层结构特性等离子喷涂涂层组织细密，氧化物含量和孔隙率较低，如氧化铬涂层孔隙率可控制到3%以下。涂层与基体间的结合以及涂层离子间的结合形式除以机械结合为主外，还可以产生微曲冶金结合和物理结合，涂层结合强度较高，最高可达50MPa。②工艺技术特点等离子喷涂相较其他喷涂方法有其特点：a)喷涂材料范围广泛，从低熔点的铝合金到高熔点的氧化锆都可以喷涂。b)涂层结合强度高、孔隙率低、氧化物夹杂少。c)设备控制精度高，可以制备精细涂层。主要工艺参数等离子喷涂在所在的热喷涂工艺方法中复杂程度最高，其可调控的参数多达十几个。a)等离子气体的选用b)送粉量喷涂设备构成示意图，整流电源电路原理图，氟利昂制冷式热交换系统机构简图2：可控气氛等离子喷涂可控气氛等离子喷涂是指在特定气体气氛的密闭室中完成的等离子喷涂。常用等离子气体有氩气、氦气、氮气、氢气或它们的混合物，利用适当的控制系统操纵喷枪和工件，同时由符合规定条件的喷涂室外的送粉器将粉末连续送入喷枪。当密封室内的可控气氛气体压力低于大气压时，又称为低压等离子喷涂或真空等离子喷涂，真空等离子喷涂是可控气氛等离子喷涂的一种特殊方式。真空等离子喷涂设备组成①真空室②粉尘过滤器③真空机组④控制柜⑤真空等离子喷枪及工作操作系统真空等离子喷涂工作原理及特点其工作原理如图所示低真空环境下的喷涂与大气等离子喷涂相比具有以下显著特点：①等离子射流的速度和温度都比大气等离子喷涂明显提高，压力愈低，射流速度和温度就越高；②粉末在等离子射流高温区域滞留的时间增加，受热更均匀，飞行速度更高；可大幅度提高基体表面预热温度；还可以用反向转移弧对基体进行溅射清洗，清除氧化物和污垢，使涂层和基体的结合状况得以改善；③粉末和基体表面完全避免了氧化，能制备各种活性金属材料涂层；④由于以上原因，使得涂层结合强度大幅度提高，气孔率大幅度降低，涂层残余应力减小，涂层质量明显改善。⑤真空等离子喷射设备复杂，价格昂贵，推广应用难度很大。3：溶液等离子喷涂4：高速等离子喷涂等离子喷涂等离子体喷涂特点：1，超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。2，喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。3，由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。SPS的制造商Sumitomo公司的M.Tokita最早提出放电等离子烧结的观点：粉末颗粒微区存在电场诱导的正负极，在脉冲电流作用下颗粒间发生放电，激发等离子体，由放电产生的高能粒子撞击颗粒间的接触部分，使物质产生蒸发作用而起到净化和活化作用，电能贮存在颗粒团的介电层中，介电层发生间歇式快速放电等离子体强化CVD方法等离子强化CVD法（PECVD）是使原料气体成为等离子状态，变成化学上非常活泼的激发分子，原子，离子和原子团等，促进化学反应，在基体上制作薄膜。一般的CVD法是使气态物质处于高温下，经化学反应制作出薄膜。而等离子体强化CVD法由于借助等离子体作用具有新的特性：CVD反应为C（g）+D（g）加热A（s）+B（g）PECVD反应为C（g）+D（g）等离子体A（s）+B（g）等离子放电烧结梯度功能材料：梯度功能材料是一种组成在某个方向上梯度分布的复合材料，各层的烧结温度不同，利用传统的烧结方法难以一次烧成。利用CVD,PVD等方法制备梯度材料，成本很高，也很难实现工业化生产。通过SPS技术可以很好地克服这一难点。SPS可以制造陶瓷/金属、聚合物/金属以及其他耐热梯度、耐磨梯度、硬度梯度、导电梯度、孔隙度梯度等材料。梯度层可到10多层，实现烧结温度的梯度分布。电磁材料：采用SPS技术还可以制作SiGe，PbTe，BiTe，FeSi，CoSb3等体系的热电转化元件，以及广泛用于电子领域的各种功能材料，如超导材料、磁性材料、靶材、介电材料、贮氢材料、形状记忆材料、固体电池材料、光学材料等。等离子强化CVD方法PECVD方法的最大特点是，由于在等离子体状态下利用化学性活泼的离子，原子团，因而可以再低温下生成薄膜。而CVD法是在高温下制膜方法，大多限于某些确定的工艺中。PECVD可在低温下成膜，热损失少，抑制了与基体物质的反应，可在非耐热性基体上成膜。从热力学上讲，在反应虽能发生但反应速度相当迟缓的情况下，借助等离子体激发状态，可促进反应的进行，使通常从热力学上讲难以发生的反应变为可能，这样可开发出具有从未见过的各种组成比的新材料，制作出高温材料薄膜。此外，由于反应材料是气体，可以稳定提供，可连续控制，但是，成膜自由度增加，可控制参数变多，实现重复性的控制变得困难。等离子强化CVD方法分类：等离子强化CVD方法按加给反应室电力的方法不同可分为①直流法；②射频法（RF），其中又分为电感耦合型，电容耦合型；③微波法；④同时加电场和磁场的方法。等离子强化CVD方法等离子强化CVD装置等离子强化CVD方法是把低压原料气体导入装置中，对其输入电能，使其成为等离子体状态，通过反应在基体上制作薄膜。其装置由辉光放电装置，抽气系统，反应室，气体导入系统，压力测量等几个部分组成。