高效能等离子喷涂设备研究及技术应用

魔神

     1958年，世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世，使喷涂制备高熔点材料(比如陶瓷)涂层成为可能。该技术迅即在科技领域内作出了重要贡献。随着现代工业技术的高速发展，人们对各种零部件的性能要求越来越高，其表面处理越来越受到重视，因此对涂层质量要求也越来越高。由于陶瓷材料所具有的优异性能得到越来越多人的青睐，促进了喷涂工艺的不断完善。世界上先进的工业国家先后在多种产品上喷涂不同的陶瓷涂层，提高了产品的使用性能和服役期限。如今，陶瓷涂层技术正在形成一个新兴的、市场极广阔的工业领域。正是这一市场需求，各式各样陶瓷涂层喷涂没备的研制工作正在广泛展开。世界上等离子喷涂设备的发展正向自动化、集成化、嵌入生产流水线、柔性化、网络化、乃至无人化和通过Internet远程控制的方向发展。同时，等离子陶瓷涂层技术正带动一系列高科技技术的发展和兴起，如陶瓷涂层超导元件、陶瓷涂覆的生物医学功能材料、永不磨损金刚石薄膜技术、新型超大规模集成电路、高辐射率节能涂层、波长吸收和抗干扰涂层等，发展前景极为广阔。

    相比世界先进水平，中国在这一领域还有一段距离。本文主要介绍气稳等离子(ASP)喷涂设备DH-1080等离子喷涂系统及其应用。该系统由上海大豪英佛曼纳米材料喷涂有限公司经过多年研究并制造，采用低压大电流设计理念，使用PLC和MCU相结合的控制技术，与此相配套的有状态点实时监测、LED智能显示、PLC喷涂过程自动控制系统、三相大功率晶闸管全控整流技术，为新一代高效能等离子喷涂设备。

一、等离子喷涂技术简介

    等离子喷涂是热喷涂技术领域中极为重要的一项工艺技术。目前热喷涂用粉末材料几乎都可以通过此方法制备成性能良好的涂层。等离子喷涂正在应用的有大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂方法，处于研究状态的有脉冲、射频和感应藕合等几种等离子喷涂方法。 

    大气等离子喷涂使用氩气、氮气、氢气作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层。主要用于制备金属陶瓷、陶瓷涂层。在这种喷涂装置上对喷涂枪进行改进发展了超音速等离子喷涂，该等离子焰流能量密度更高、焰流速度更快、涂层更加致密。可控气氛等离子喷涂是将等离子喷枪置于密闭仓内，由机械手进行操作，将仓内抽至真空状态的为真空等离子喷涂，仓内为低压状态的则为低压真空等离子喷涂。这种1艺特点由于低压和气氛可控，等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导氧化物涂层方面的应用。

二、新等离子喷涂设备系统组成和特点

    DH-1080等离子喷涂系统是在Metco 7M、9M系统的基础上，应用多种先进技术，结合中国市场的实际情况而研制成功的。在许多方面，其性能表现优于7M、9M系统。其主要特点为高效能、高稳定和高性价比。DH-1080等离子喷涂没备由电源、控制柜、喷枪、转接箱、送粉器和冷水机组等六部分主件组成。

    该系统采用低压大电流电源没计理念，相比磁放大等离子喷涂电源来说，其反应速度更快，功率因数更高。相对逆变电源来说，其提供了更高的功率，只采用单一的电源就能使系统正常工作。而且其电源结构要比逆变电源要简单的多，这也减小了控制系统的复杂性，同时也在一定程度上降低了生产和制造成本。其电气原理如图1所示。

图1  等离子喷涂电源电气原理图

    这种设计的优点包括：

    (1)降低对电气零部件的绝缘要求，降低生产成本；增加了安全系数，减少了对人体伤害的不确定因素。

    (2)采用软启动，使喷枪从开始启动到正常工作缓慢过渡，避免瞬时大电流对喷枪进行冲击，增加了喷枪的使用寿命。

    (3)同比其他同类型的等离子喷涂电源，具有更高的功率因素，电源的功率因数可达80％。降低了喷涂成本。

    (4)通过闭环控制、采用PID校正技术，使系统电流在0～800A的区间内的任一工作点上，都能保持恒定的电流输出，具有良好的电压一电流陡降特性。其在不同电流下的性能测试数据如图2所示。

图2  喷涂电源外特性图

    运用EDA技术，开发出了可编程控制数字移相晶闸管触发电路为核心的晶闸管触发板。该电路通过采用C语言，对MCU进行编程，以全数字移相技术为核心，形成具有相序自适应以及针对调压与整流的模式识别功能的双脉冲列式三相晶闸管数字移相触发电路。针对等离子喷涂系统的三相全控整流调压电路，本设计采用三相同步绝对式触发方式，其触发时序如图3所示。

图3  晶闸管触发板触发时序图

运用该技术的优点：

    (1)系统在空载时，电压可以稳定在60V，方便喷枪的起弧。

    (2)通过对电流的大小实时跟踪，将测得的电流信号与给定电流进行比较，然后将比较结果输入晶闸管触发板控制晶闸管的触发角度，实现对电流的闭环伺服控制。通过这一技术，使电源在正常工作时的电流波动率小于1％，从而为电弧的稳定提供了可靠的保障。

    (3)降低变压器次级的输出电压，以尽可能地减小晶闸管的触发角，这也在很大程度上改善了系统工作时的电流波形，降低了系统本身的发热量，延长系统的使用寿命。同时也保证了等离子弧束的稳定性，保证喷涂时粉末的均匀熔化、球化，避免粉末的过烧或夹带生粒。

    (4)相当宽的电压工作区间。经试验，DH-1080等离子喷涂系统可以在电网电压只有310v的情况下，以80V、500A的状态持续、稳定地工作。

    (5)采用多种保护技术，保护系统中的关键零部件。主要有：①相序保护，避免因相序的错误而颠倒晶闸管的导通时序。②阻容保护，避免系统中的过脉冲电压对晶闸管造成破坏。③耐压高，大电流高速熔断器的使用限制了系统中较长时间(几毫秒)的过电流，给晶闸管再加上一层保护；同时其微动开关能快速地切断系统的电源。④采用性能良好的交流接触器，避免因使用劣质的接触器而大幅度增加系统的不稳定因素。⑤温度保护。采用温度继电器限制系统的使用温度。

    等离子喷涂枪是喷涂系统中最为关键的部件，其结构如图4所示。

图4  等离子喷枪结构示意图

    该喷枪在Metco 7MB、9MB的基础上，经过多次的结构改进和优化设计，准确地选用材料，以及长时间的工作测试，其整体性能可达国外先进水平。其主要的优点有：

    (1)改进的水道设计使喷枪的冷却性能更好，延长易损零件的使用寿命。

    (2)改进的喷嘴设计使其更换更方便，喷嘴的累积使用寿命更长。有多种不同型号的喷嘴和电极，可适用于多种等离子弧及不同工作参数的喷涂工作，增加了系统的柔性，大大拓展了该喷涂设备的应用领域。

    (3)增加的空气冷却组件在喷涂工作时起到对工件表面进行净化和冷却的作用，保证了涂层质量。

    (4)在系统喷涂预备的情况下，以电压30V、电流100A的氩或氮等离子弧维持，节约电力，并且延长喷枪的使用寿命。同时，可以在很短时间内(3～4S，软启动)达到80V、500A的N2+H2的正常工作状态。

    (5)该喷枪可以采用Ar、N2、Ar+H2、N2+H2和Ar+N2，五种气体工作方式进行喷涂。

    通过等离子喷涂控制柜对系统中的各部件进行操作和控制，可实现各路气体流量的稳定供给和预置参数制动准确定位和复位，提高了整套系统的可靠性和喷涂参数的可重复性、一致性，保证了喷涂质量。其创新点主要表现在：

    (1)系统状态检测器实时自检。在系统启动之前和喷涂过程中，对系统的主要工作参数进行监测，并以LED方式显示检查结果或故障原因。

    (2)以PIC为核心，完成对系统的全部时序控制，具有操作简单、抗干扰能力强的特点。同时，具有相当大的柔性，可以通过改写程序而改变系统的时序及时间参数，网此，也就具有相当强大的调试功能。其正常工作时的操作时序如图5所示。

图5  DH-1080等离子喷涂系统工作时序图

三、等离子喷涂技术的应用

    DH-1080等离子喷涂系统由于其良好的性能表现，因而可喷涂如下涂层：

    1．热障涂层(TBCs)

    燃气轮机的受热部件，如叶片、喷嘴和燃烧室，处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1100℃的燃气轮机部件，己超过了镍基高温合金使用的极限温度(1075℃)。喷涂高熔点陶瓷涂层，对高温合金基体起绝热屏蔽作用，称为热障涂层。其基本要求是：耐高温；抗高温氧化；与金属基体结合牢固；热导率低，绝热性好；热膨胀系数与金属基体匹配好，耐热循环次数高。实践表明，采用MCrAlY合金作粘结底层，喷涂Y2O3部分稳定ZrO2绝热陶瓷涂层，涂层坚硬、致密，抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异，即使在1650℃高温下长期使用，其热稳定性和化学稳定性能都很满意。在Y203-Zr02中加入少量CeO，能进一步改善涂层的抗热展性能。在使用温度更低一些的情况下，可采用MgO或CaO稳定的ZrO2作热障陶瓷障涂层。

    热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件，现正推广应用于民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等领域。

    2．可磨耗密封涂层

    采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层，与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对耐磨耗密封磨损付，在运行过程中，能形成理想的径向气流问隙，获得最大的压差，从而显著地提高发动机的功率，降低航空汽油的消耗，提高发动机的功率和热效率，提高发动机整机一次试车合格率。

    3．抗高温粘着磨损涂层

    采用等离子喷涂技术，在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有优异的耐高温、抗氧化、抗粘着、防结瘤和自清理净化性能，既可显著地提高炉辊使用寿命，又能生产出表面光沽、质量优良的钢材，如优质硅钢板、优质汽车薄板和热浸镀薄板等。例如，热轧不锈钢带退火炉炉辊，喷涂含BN的金属陶瓷涂层，其耐高温磨损性能提高4倍以上。

    4．抗高温熔融金属或熔体侵蚀涂层

    对在熔池内使用的金属制件表面喷涂耐火陶瓷或金属陶瓷涂层，就能获得性能优异的耐高温熔融金属或熔体侵蚀涂层。例如，热浸镀铝槽内的沉没辊和稳定辊，由于铝液具有极高的化学活性，能与多种金属发生铝热反应形成金属间化合物。因此，金属合金炉辊在采用等离子喷涂特种陶瓷涂层后，使用寿命可由5～10天提高到20～30天。

    5．耐磨减磨涂层

    等离子喷涂陶瓷涂层和金属陶瓷涂层，不仅具有高的硬度、优异的耐蚀性，而且摩擦系数小、能耗低，对密封材料的磨损小，涂层硬度和耐磨性不会因为局部过热而降低。现在，大型推土机用液压活塞杆、轧钢机用液压活塞杆、建筑瓷砖压坯用液压机活塞杆、水轮执叶轮轴和磨环、电抠轴头、磨床轴、燃油泵轴、执咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等，在低应力滑动磨损和腐蚀工况下，几乎所有原用镀铬的制品都可以用热喷涂陶瓷或金属陶瓷涂层代替，提高耐磨性能。

    6．耐纤维磨损涂层

    在化纤纺机的导丝、纺丝部件表面，采用等离子喷涂Al2O3基复合陶瓷涂层，经处理获得“桔皮状”外观形貌，达到Ra≈1.5μm的表面粗糙度，是理想的工作表面。

    7．亲水与介电涂层

    现代造纸和印刷机械，尽管运行速度很高，但因负荷轻，故均处于低应力状态，适合于热喷涂涂层的应用。等离子喷涂陶瓷涂层技术，在国外的造纸和印刷机辊子上已成功应用多年，且日益扩大。等离子喷涂陶瓷后进行激光刻蚀辊是进行高质量、高清晰图像印刷的保证。

    四、在高新技术领域的应用及潜力展望

    热喷涂高性能陶瓷涂层技术，正在高科技领域崭露头角，将带动和促进一系列高科技术的发展和兴起。

    1．高温超导体制件

    用等离子喷涂超导陶瓷涂层，具有独特的优点：沉积速率高，容易制备厚涂层和大而积涂层，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，可直接在大气巾喷涂，不需保护气体，是实现超导材料实用化很有希望的工艺。等离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BisrCaCuO)超导陶瓷涂层，都已有应用成功的报道。在磁屏蔽、微波元件、各类传感器和量子电子器件等方面，展示出很好的应用前景。

    2．在微电子工业中的应用

    在金属板(如科伐合金、铜、铝、钢)上喷涂绝缘陶瓷涂层，具有高热导率的金属能将强电流所产生的热发散开，而陶瓷涂层则提供很好的介电绝缘性能。据计算，在铜板上喷涂Al2O3陶瓷涂层，其总热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导率高五倍，这十分有利于集成电路板的散热和提高功率。

    3．生物医学功能陶瓷涂层

    在金属基体上等离子喷涂生物医学功能陶瓷涂层，具有以下特点：①对生物体无毒，适于体内安全使用。②对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性，不会产生副作用。③耐人体体液腐蚀。④耐长期使用过程中的磨损。⑤具有人体运动所必须的强度、韧性等力学性能。⑥喷涂层的多孔，性和粗糙表面，有利于生物体组织向人工骨骼表而的生长和亲和。因此，热喷涂金属基生物陶瓷涂层的人工骨骼，是比较理想的人工骨骼材料。

    五、结论

    等离子喷涂由于具有高温度、高热焓和高速度的特性，可以喷涂各种热喷涂粉末，已经广泛应用于各行各业，对设备零部件的使用性能的提高起到了至关重要的作用，是机械零部件提高表面性能不可缺少的工艺方法。

    唯有良好的设备和合理的工艺相结合，才是制作优良涂层的惟一途径。因此，选择设备和选择工艺是该技术的重中之重。