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真空等離子噴涂
2022-07-12

大氣中,等離子焰流一離開噴嘴就從周圍吸入大量空氣。在100mm噴距時,吸入空氣量可占等離子體的90%以上。常壓等離子噴涂時,金屬粉末氧化嚴重。另外,有些有毒材料(如鈹及氧化鈹)無法在大氣中噴涂。為解決上述問題,提出了低壓等離子噴涂。真空等離子噴涂又稱低壓等離子噴涂,是在低于大氣壓的低真空的密閉空間里進行的等離子噴涂(受控環(huán)境的噴涂技術)。

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受控環(huán)境的噴涂技術將我們對等離子噴涂的認識向前推進了一步。在噴涂室內操作噴槍,使環(huán)境得到完全控制。這樣生產出來的涂層的特性是不可能在標準大氣環(huán)境下生產出來的。環(huán)境可以在近乎真空(低達50 mbar)和增高壓力(高達4 bar)范圍內變化。選擇在噴涂室內噴涂可防止涂層材料和/或基體的污染,或是由于需要噴涂材料與加入的某種物質產生反應。

可控氣氛等離子噴涂的原理即等離子噴槍置于密封艙室內,由機械手進行操作。將艙室抽至真空狀態(tài)即為真空等離子噴涂(VPS),艙室為低壓狀態(tài)時,成為低壓真空等離子噴涂(LPPS)。艙室的氣氛可以為惰性氣氛或其他保護性氣氛。由于環(huán)境為低壓或氣氛可控,等離子焰流加長,粒子加熱更充分,氧化減少,涂層的質量得到明顯改善,并且可以用于制備沉積金剛石膜、超導體氧化物涂層。

這種工藝生產出的涂層有很多優(yōu)勢。涂層致密性好,粘結性強,不會被污染,金屬涂層中沒有氧化物。在用無反應大氣裝填的噴涂室內噴涂的陶瓷等非金屬涂層純度很高。并且,諸如鎢等高熔點金屬涂層應用也很成功。由于噴槍與工件之間的距離不像大氣噴涂條件下那么關鍵,所以部件控制變得簡單。噴涂工藝時間可以大大縮短,這是因為等離子羽流剖面均勻,焦斑直徑可以很大。此外,沒有大氣冷卻涂層粒子意味著涂層凝固過程比較緩慢。大氣等離子涂層幾乎沒有夾層薄片,涂層的晶體結構接近鑄件材料的晶體結構。

在低真空的環(huán)境里,由于轉移型等離子弧射流變粗拉長,一直接觸到工件表面,形成導電通道,因而可在其上疊加轉移弧。利用轉移弧對工件表面進行濺蝕,去掉表面氧化層和污染,并且工件可以加熱到較高溫度,使得涂層在光滑的表面上就可結合,并在界面上產生擴散,提高了結合強度,涂層厚度亦可不受限制。在密閉室進行噴涂,噪聲和粉塵對環(huán)境的污染問題也相應得到了解決。

低真空環(huán)境下的噴涂與大氣等離子噴涂相比具有以下顯著特點:
1)等離子射流的速度和溫度都比大氣等離子噴涂明顯提高,壓力愈低,射流速度和溫度就愈高。
2)粉末在等離子射流高溫區(qū)域滯留的時間增加,受熱更均勻,飛行速度更高。
3)可大幅度提高基體表面預熱溫度;還可以用反向轉移弧對基體進行濺射清洗,清除氧化物和污垢,使涂層和基體的結合狀況得到改善。
4)粉末和基體表面完全避免了氧化,能制備各種活性金屬材料涂層。
5)由于以上原因,使得涂層結合強度大幅度提高,氣孔率大幅度降低,涂層殘余應力減小,涂層質量明顯改善。
6)真空等離子噴涂設備復雜,價格昂貴,推廣應用難度很大。




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