等离子弧喷涂原理简介

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：等离子弧喷涂是利用高温高速的非转移型等离子弧作为热源，在等离子弧焰流中加入金属或合金粉末，获得金属涂层和难熔合金涂层，它的工作原理如图1-7-8所示。等离子弧喷涂已成为所有热喷涂方法中适用材料种类最多，应用范围最广，创造产值最高的方法。由于受检测手段的局限，目前还不能对涂层结合机理作出十分清楚的解释，但如果基体温度始终保持在150℃以内，则等离子弧喷涂涂层与工件表面的主要结合机制是这种钩锁锚的机械结合。

等离子弧喷涂是利用高温高速的非转移型等离子弧作为热源，在等离子弧焰流中加入金属或合金粉末，获得金属涂层和难熔合金涂层，它的工作原理如图1-7-8所示。一般采用高频引弧的方式引燃等离子弧，然后将粉末形式的喷涂材料由惰性气体携带注入等离子弧射流中，射流将其加速、加热到熔化或者半熔化状态，并喷射到基材表面，飞行的高温粒子因冲击变形以及随后的快速凝固和冷却，形成扁平化粒子，粘附在经过处理的基体表面，这些扁平化粒子的不断堆积就形成了涂层。

根据不同气氛、不同压力以及不同的介质，等离子弧喷涂方法可以分为多种类型，如图1-7-9所示。在喷涂过程中，基材温度可保持在250℃以下，并不会变形和引起基材组织变化，因此，不仅可对金属基材进行表面喷涂，而且对于低熔点材料，甚至易燃材料（如木材、塑料、碳和硼的纤维等）也能喷涂。等离子弧在等离子喷枪中水冷喷嘴的机械压缩、热压缩以及磁收缩等效应的作用下，等离子射流的核心温度高达32000℃，速度在2000m/s以上，能量密度接近10⁵W/cm²，仅次于激光和电子束，使得最难熔的材料（如熔点高达3875℃的碳化钽）也能在等离子射流中熔化并喷涂成形。等离子弧喷涂已成为所有热喷涂方法中适用材料种类最多，应用范围最广，创造产值最高的方法。

图1-7-8 等离子弧喷涂原理示意图

图1-7-9 等离子弧喷涂方法的分类(https://www.chuimin.cn)

粉末涂层材料被非转移弧熔化并从喷涂枪口喷出以后，在高速气流作用下喷散成雾化颗粒，并撞击到工件表面，被撞扁的细颗粒就嵌塞在已经粗化处理的清洁表面上，然后冷却并与母材结合。喷涂的粒子在撞击基体或先期到达的扁平粒子过程中，以及在随后的快速凝固期间，粒子与凸凹不平的基体表面或者扁平粒子之间可以形成紧密的接触，它的结合机理主要有以下三个方面：

1）这种接触本身形成钩锁锚的机械结合，加上涂层的横向收缩应力，会加强机械结合效应。

2）相互接触的距离若接近原子尺度，可以发生扩散或合金化，有时也可以导致金属间化合物或者新的固溶体的出现，并可能造成接触表面的局部熔化，即产生冶金-化学型结合。

3）在相互接触的微区连接处，会发生物理吸附和化学吸附。

由于受检测手段的局限，目前还不能对涂层结合机理作出十分清楚的解释，但如果基体温度始终保持在150℃以内，则等离子弧喷涂涂层与工件表面的主要结合机制是这种钩锁锚的机械结合。这种喷涂层和工件表面并不发生焊接作用，而只是机械结合，喷涂层不是很致密，总是带有一些小孔。但喷涂钼、铌、钽、镍+铝、镍+钛等金属粉末时，可以观察到喷涂颗粒与母材有冶金焊合，这类材料被称为自结合材料。

等离子弧喷涂原理简介

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