一種提高低氣壓等離子體噴涂沉積率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種提高低氣壓下等離子體噴涂沉積率的方法，屬于等離子應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子噴涂是涂層制備中最常用的技術(shù)之一，通常是將粉體材料輸送到高溫等離子體束中，粉體材料在高溫等離子體束中被瞬間加熱到熔化或者半熔化狀態(tài)，并以一定的速度噴射撞擊到工件表面形成涂層。目前低氣壓等離子噴涂已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在低氣壓條件下，等離子體束表面出與常壓條件下不同的特性。低氣壓條件下，環(huán)境對(duì)等離子體束的影響減小，粉體顆粒在等離子體束中的加熱時(shí)間延長(zhǎng)，利于粉體材料充分熔化，因此低氣壓條件下，等離子噴涂可以形成具有柱狀晶結(jié)構(gòu)、致密結(jié)構(gòu)或等軸晶結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)涂層，擴(kuò)大了涂層的應(yīng)用范圍。
[0003]目前低氣壓等離子噴涂的熱源一般為傳統(tǒng)湍流等離子體。湍流等離子體射流由于內(nèi)部存在小渦旋，使得射流較短，溫度梯度大，且易受環(huán)境影響。在低氣壓條件下，湍流等離子體射流的長(zhǎng)度會(huì)有所增加，溫度梯度相應(yīng)減小，能夠提高粉體材料的熔融。但是低氣壓條件下，湍流等離子體內(nèi)部的小渦旋依然存在，會(huì)影響熔融顆粒的飛行狀態(tài)。另外在低氣壓條件下，等離子體射流會(huì)迅速膨脹，在膨脹力和熱泳雙重作用下，熔融顆粒在等離子體射流中飛行的徑向速度會(huì)增加，使得垂直于基底方向的軸向速度相對(duì)減小，不利于涂層沉積?’另夕卜，熔滴的粉體顆粒以很大的動(dòng)能撞擊基底時(shí)，熔滴的粉體顆粒會(huì)出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，一種為顆粒整體彈開(kāi)，另一種為顆粒破碎飛濺。這些也都不利于涂層的沉積，造成涂層沉積率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有低氣壓等離子噴涂沉積率低的問(wèn)題，本發(fā)明以層流等離子體作為熱源，以電場(chǎng)作為輔助。層流等離子體束的溫度梯度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)湍流等離子體，且在低氣壓條件下也會(huì)被拉長(zhǎng)，這樣提高了有效高溫區(qū)的長(zhǎng)度，利于粉體材料熔化。層流等離子體射流的內(nèi)部不存在小渦旋，熔融顆粒的飛行狀態(tài)趨于一致。
[0005]等離子體具有很高的電導(dǎo)率，能夠影響電場(chǎng)分布。圖la、圖1b和圖1c分別為正常電場(chǎng)分布、層流等離子體對(duì)電場(chǎng)影響分布和湍流等離子體對(duì)電場(chǎng)影響分布。由圖1可見(jiàn)，層流等離子體對(duì)電場(chǎng)分布影響最大，主要由于層流等離子體比湍流等離子體穩(wěn)定、均勻，因此對(duì)電場(chǎng)分布的約束作用更強(qiáng)，射流區(qū)域b2處的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)超邊緣區(qū)域b3，故邊緣區(qū)域b3的電場(chǎng)作用可以忽略不計(jì)。在此種電場(chǎng)分布作用下，熔滴顆粒更加容易荷電，帶電熔滴顆粒的受到的作用力也最強(qiáng)，熔滴顆粒的飛行狀態(tài)也最易被改變。圖2為熔滴顆粒的瞬時(shí)速度分解圖，其中速度3為無(wú)電場(chǎng)作用的熔滴顆粒的瞬時(shí)速度，可以分解為徑向速度2和軸向速度6。電場(chǎng)作用后，熔滴顆粒速度方向會(huì)約束，速度4即為電場(chǎng)作用下的熔滴速度，可以分解為徑向速度I和軸向速度5。由圖2可以明顯看出，電場(chǎng)作用后的軸向速度5要大于無(wú)電場(chǎng)作用的軸向速度6。這表明，電場(chǎng)作用后熔滴垂直于基底方向的軸向速度增加；在電場(chǎng)作用下，熔滴顆粒的飛行方向也趨于垂直基底。
[0006]另外，由于熔滴顆粒與基底之間存在電荷庫(kù)侖力，基底能夠吸附熔滴顆粒，減少飛減，從而提聞噴涂沉積率。
[0007]本發(fā)明的有益效果:1、層流等離子體射流的溫度梯度小，顆粒熔化更加充分；2、層流等離子體與電場(chǎng)相互作用，使得熔滴顆粒的軸向速度增加，提高噴涂沉積率；3、熔滴顆粒與基底撞擊時(shí)的角度接近垂直，能夠減少熔滴顆粒的整體飛濺，提高噴涂沉積率；4、熔滴顆粒與基底之間存在電荷庫(kù)侖力，有效減少熔滴顆粒破碎飛濺，提高噴涂沉積率。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1a為正常電場(chǎng)分布:al.等離子發(fā)生器，a2.中心區(qū)域電場(chǎng)，a3.邊緣區(qū)域電場(chǎng)，a4.基體。
[0009]圖1b為層流等離子體對(duì)電場(chǎng)影響分布:bl.等離子發(fā)生器，b2.射流區(qū)域電場(chǎng)，b3.邊緣區(qū)域電場(chǎng)，b4.基體。
[0010]圖1c為湍流等離子體對(duì)電場(chǎng)影響分布:Cl.等離子發(fā)生器，c2.射流區(qū)域電場(chǎng)，c3.邊緣區(qū)域電場(chǎng)，c4.基體。
圖2為熔滴顆粒的速度狀態(tài):1.電場(chǎng)作用徑向速度，2.無(wú)電場(chǎng)作用徑向速度，3.無(wú)電場(chǎng)作用速度，4.電場(chǎng)作用速度，5.電場(chǎng)作用軸向速度，6.無(wú)電場(chǎng)作用徑向速度。
[0011]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖:1.靜電發(fā)生器，2.高壓線，3.層流等離子噴槍，4.帶電熔滴顆粒，5.工件基底，6.接地電位。
[0012]實(shí)例I噴涂剛玉粉A1203
相關(guān)工藝參數(shù):真空室壓力lOOpa，等離子體發(fā)生器功率18KW，A1203粒徑400#，送粉速率2g/min,普通瑞流噴涂距離30cm,本發(fā)明噴涂距離50cm。
[0013]結(jié)果表明:普通湍流等離子沉積率52%，本發(fā)明沉積率為84%。
[0014]實(shí)例2噴涂鑰粉Mo
相關(guān)工藝參數(shù):真空室壓力lOOpa，等離子體發(fā)生器功率20KW，鑰粉Mo粒徑400#，送粉速率2.8g/min,普通瑞流噴涂距離30cm,本發(fā)明噴涂距離50cm。
[0015]結(jié)果表明:普通湍流等離子沉積率68%，本發(fā)明沉積率為92%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高低氣壓下等離子體噴涂沉積率的方法，其特征在于所使用的熱源為層流等離子體，電場(chǎng)作為輔助。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高低氣壓下等離子體噴涂沉積率的方法，其特征在于層流等離子體發(fā)生器的功率在1Kw — 200Kw范圍內(nèi)可調(diào)，使用的氣體為Ar、N2、H2、02或其混合氣體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高低氣壓下等離子體噴涂沉積率的方法，其特征在于電場(chǎng)位于等離子噴槍與工件之間，電場(chǎng)可以是直流電場(chǎng)、直流脈沖電場(chǎng)或交流電場(chǎng)等，電場(chǎng)方向可調(diào)，電場(chǎng)變化頻率可調(diào)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高低氣壓下等離子體噴涂沉積率的方法，其特征在于電場(chǎng)的強(qiáng)度與等離子體發(fā)生器功率、氣流量、噴涂粉體材料等工藝參數(shù)相關(guān)，且在IKV—100KV范圍內(nèi)可調(diào)。
【專利摘要】一種提高低氣壓等離子體噴涂沉積率的方法，是涉及低氣壓等離子噴涂的改進(jìn)。本發(fā)明以層流等離子體作為噴涂熱源，以電場(chǎng)作為輔助來(lái)提高等離子噴涂的沉積率。層流等離子體射流穩(wěn)定且有效高溫區(qū)長(zhǎng)，能夠增加粉體顆粒的熔化時(shí)間；層流等離子體束對(duì)電場(chǎng)有約束作用，使得層流等離子體束區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度增加，其中的熔滴顆粒更加容易荷電，并且約束熔滴顆粒的飛行狀態(tài)，使熔滴顆粒在到達(dá)基底時(shí)獲得優(yōu)化的速度與角度，同時(shí)在庫(kù)侖力作用下減少熔滴顆粒與基底碰撞時(shí)的飛濺損失，進(jìn)而提高噴涂沉積率。
【IPC分類】C23C4/134
【公開(kāi)號(hào)】CN105220104
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410275216
【發(fā)明人】朱華, 李向陽(yáng), 王鵬飛, 黃佳華
【申請(qǐng)人】成都真火科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2014年6月19日