一种提高低气压等离子体喷涂沉积率的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，属于等离子应用领域。
【背景技术】
[0002]等离子喷涂是涂层制备中最常用的技术之一，通常是将粉体材料输送到高温等离子体束中，粉体材料在高温等离子体束中被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以一定的速度喷射撞击到工件表面形成涂层。目前低气压等离子喷涂已成为该领域研究的热点，在低气压条件下，等离子体束表面出与常压条件下不同的特性。低气压条件下，环境对等离子体束的影响减小，粉体颗粒在等离子体束中的加热时间延长，利于粉体材料充分熔化，因此低气压条件下，等离子喷涂可以形成具有柱状晶结构、致密结构或等轴晶结构的特殊结构涂层，扩大了涂层的应用范围。
[0003]目前低气压等离子喷涂的热源一般为传统湍流等离子体。湍流等离子体射流由于内部存在小涡旋，使得射流较短，温度梯度大，且易受环境影响。在低气压条件下，湍流等离子体射流的长度会有所增加，温度梯度相应减小，能够提高粉体材料的熔融。但是低气压条件下，湍流等离子体内部的小涡旋依然存在，会影响熔融颗粒的飞行状态。另外在低气压条件下，等离子体射流会迅速膨胀，在膨胀力和热泳双重作用下，熔融颗粒在等离子体射流中飞行的径向速度会增加，使得垂直于基底方向的轴向速度相对减小，不利于涂层沉积?’另夕卜，熔滴的粉体颗粒以很大的动能撞击基底时，熔滴的粉体颗粒会出现飞溅现象，一种为颗粒整体弹开，另一种为颗粒破碎飞溅。这些也都不利于涂层的沉积，造成涂层沉积率低。
【发明内容】
[0004]为了解决现有低气压等离子喷涂沉积率低的问题，本发明以层流等离子体作为热源，以电场作为辅助。层流等离子体束的温度梯度远小于传统湍流等离子体，且在低气压条件下也会被拉长，这样提高了有效高温区的长度，利于粉体材料熔化。层流等离子体射流的内部不存在小涡旋，熔融颗粒的飞行状态趋于一致。
[0005]等离子体具有很高的电导率，能够影响电场分布。图la、图1b和图1c分别为正常电场分布、层流等离子体对电场影响分布和湍流等离子体对电场影响分布。由图1可见，层流等离子体对电场分布影响最大，主要由于层流等离子体比湍流等离子体稳定、均匀，因此对电场分布的约束作用更强，射流区域b2处的电场强度远超边缘区域b3，故边缘区域b3的电场作用可以忽略不计。在此种电场分布作用下，熔滴颗粒更加容易荷电，带电熔滴颗粒的受到的作用力也最强，熔滴颗粒的飞行状态也最易被改变。图2为熔滴颗粒的瞬时速度分解图，其中速度3为无电场作用的熔滴颗粒的瞬时速度，可以分解为径向速度2和轴向速度6。电场作用后，熔滴颗粒速度方向会约束，速度4即为电场作用下的熔滴速度，可以分解为径向速度I和轴向速度5。由图2可以明显看出，电场作用后的轴向速度5要大于无电场作用的轴向速度6。这表明，电场作用后熔滴垂直于基底方向的轴向速度增加；在电场作用下，熔滴颗粒的飞行方向也趋于垂直基底。
[0006]另外，由于熔滴颗粒与基底之间存在电荷库仑力，基底能够吸附熔滴颗粒，减少飞減，从而提闻喷涂沉积率。
[0007]本发明的有益效果:1、层流等离子体射流的温度梯度小，颗粒熔化更加充分；2、层流等离子体与电场相互作用，使得熔滴颗粒的轴向速度增加，提高喷涂沉积率；3、熔滴颗粒与基底撞击时的角度接近垂直，能够减少熔滴颗粒的整体飞溅，提高喷涂沉积率；4、熔滴颗粒与基底之间存在电荷库仑力，有效减少熔滴颗粒破碎飞溅，提高喷涂沉积率。
【附图说明】
[0008]图1a为正常电场分布:al.等离子发生器，a2.中心区域电场，a3.边缘区域电场，a4.基体。
[0009]图1b为层流等离子体对电场影响分布:bl.等离子发生器，b2.射流区域电场，b3.边缘区域电场，b4.基体。
[0010]图1c为湍流等离子体对电场影响分布:Cl.等离子发生器，c2.射流区域电场，c3.边缘区域电场，c4.基体。
图2为熔滴颗粒的速度状态:1.电场作用径向速度，2.无电场作用径向速度，3.无电场作用速度，4.电场作用速度，5.电场作用轴向速度，6.无电场作用径向速度。
[0011]图3为本发明的结构示意图:1.静电发生器，2.高压线，3.层流等离子喷枪，4.带电熔滴颗粒，5.工件基底，6.接地电位。
[0012]实例I喷涂刚玉粉A1203
相关工艺参数:真空室压力lOOpa，等离子体发生器功率18KW，A1203粒径400#，送粉速率2g/min,普通瑞流喷涂距离30cm,本发明喷涂距离50cm。
[0013]结果表明:普通湍流等离子沉积率52%，本发明沉积率为84%。
[0014]实例2喷涂钥粉Mo
相关工艺参数:真空室压力lOOpa，等离子体发生器功率20KW，钥粉Mo粒径400#，送粉速率2.8g/min,普通瑞流喷涂距离30cm,本发明喷涂距离50cm。
[0015]结果表明:普通湍流等离子沉积率68%，本发明沉积率为92%。
【主权项】
1.一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于所使用的热源为层流等离子体，电场作为辅助。2.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于层流等离子体发生器的功率在1Kw — 200Kw范围内可调，使用的气体为Ar、N2、H2、02或其混合气体。3.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于电场位于等离子喷枪与工件之间，电场可以是直流电场、直流脉冲电场或交流电场等，电场方向可调，电场变化频率可调。4.根据权利要求1所述的一种提高低气压下等离子体喷涂沉积率的方法，其特征在于电场的强度与等离子体发生器功率、气流量、喷涂粉体材料等工艺参数相关，且在IKV—100KV范围内可调。
【专利摘要】一种提高低气压等离子体喷涂沉积率的方法，是涉及低气压等离子喷涂的改进。本发明以层流等离子体作为喷涂热源，以电场作为辅助来提高等离子喷涂的沉积率。层流等离子体射流稳定且有效高温区长，能够增加粉体颗粒的熔化时间；层流等离子体束对电场有约束作用，使得层流等离子体束区域的电场强度增加，其中的熔滴颗粒更加容易荷电，并且约束熔滴颗粒的飞行状态，使熔滴颗粒在到达基底时获得优化的速度与角度，同时在库仑力作用下减少熔滴颗粒与基底碰撞时的飞溅损失，进而提高喷涂沉积率。
【IPC分类】C23C4/134
【公开号】CN105220104
【申请号】CN201410275216
【发明人】朱华, 李向阳, 王鹏飞, 黄佳华
【申请人】成都真火科技有限公司
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2014年6月19日