等离子喷涂加工是一种通过等离子喷涂的形式为材料提供保护涂层的方法。广泛的工艺温度范围使您可以使用从高熔化温度到低熔化温度的多种不同材料和化合物。由于所有相互作用的参数，该过程本身可能相当复杂。该工艺的应用每年都在增加，并且由于能够针对不同材料改变涂层，因此该工艺的应用将继续增加。对于基材涂层而言，该工艺的潜力几乎是无限的。
理论
尽管该过程中不涉及火焰，但该过程背后的理论称为“等离子射流理论”或“等离子火焰理论”。
等离子体是包含带电粒子的导电气体。当气体达到高激发态时，它们会失去一些电子并被电离，从而产生带有离子和电子的等离子体。[1]在该等离子体中有四种气体参与该过程：
等离子喷涂工艺可产生约 7,000 K 至 20,000 K 的温度。这些温度远高于任何已知材料的熔点。这种极端温度并不是有效加热性能的唯一原因。由于分子气体离解为原子气体和电离时可能发生能量变化，而温度变化很小，因此等离子体能够提供大量能量。
这给出了两个自由氮原子
这给出了两个氮离子和两个电子
该过程的逆过程将为加热提供最多的能量，而不会造成很大的温度损失
2N = N2 + E
氮气和氢气都是双原子气体，而氦气和氩气是单原子气体。对于设定温度，双原子气体通常比单原子气体具有高能量含量。单原子气体通常比双原子气体具有较低的能量但温度较高。
氩气
在此过程中最受欢迎的一次气体，通常也与二次气体一起使用。这是该过程中可使用的其他三种气体之一。当与辅助气体一起使用时，氩气想要增加其能量。氩气是最容易形成等离子体的气体，并且对所使用的设备来说并不那么困难。
氦
主要与氩气一起用作辅助气体。氦气能够使等离子体能量的控制具有更高的灵敏度。主要用于工艺条件至关重要时硬质合金材料的高速等离子喷涂。[2]
氮
通常单独用作主要气体或与氢气一起使用。这种气体有利于该过程，因为它是最便宜的等离子气体。氮通常对大多数材料呈惰性，钛除外。
氢
主要用作二次气体。它能够显着影响材料的传热性能，并可以充当抗氧化剂。只需在等离子体气体中添加极少量的氢气，就可以极大地改变等离子体的性质和能级。[2]因此它被用作设置电压和能量的控件之一。
怎么运行的
等离子喷涂工艺最常用于大气条件，但也有一些例外。有些喷涂是在保护性真空环境中进行的，其中有低压回填气体以保护工艺。
等离子喷涂是一种热喷涂工艺，其中将熔融或热软化的材料喷涂到表面上以形成涂层。粉末状材料在高温等离子火焰下注入（该过程实际上不涉及火焰）。然后该材料被快速加热并加速到非常高的速度。热材料撞击表面并很快冷却形成涂层。当该过程正确完成时，可以称为“冷过程”，因为被涂覆物体的温度可以保持非常低，从而避免加工过程中的损坏、冶金效应和变形。[2]
等离子枪由钨阴极和铜阳极组成，两者均为水冷。由氮气、氩气、氦气和氢气组成的等离子气体都在阴极周围流动并通过形状像收缩喷嘴的阳极。高压放电引发等离子体，导致局部电离，并在阴极和阳极之间形成导电直流电弧。电弧引起电阻加热，使气体达到极端温度以离解和电离形成等离子体。当等离子体离开喷嘴时，它是中性元素（不带电荷通过它）。所使用的粉末被快速加热和加速，喷射距离可达 25 至 150 毫米。[2]
等离子喷涂涂层的性能
等离子喷涂会影响四种性能，包括结构、孔隙率、强度和附着力以及表面质量。[3]
结构
喷雾颗粒的大小取决于熔化程度。这些喷雾颗粒呈球形，可最大限度地减少表面张力。与表面接触时，这些液滴铺展成扁平或层压形式。喷雾颗粒接触表面时的速度是流量的主要决定因素。涂层质量的不同是由熔化程度和喷涂颗粒的动能大小的差异引起的。[3]
在喷涂过程中，层压材料的各层相互重叠。当层压板在表面上形成时，颗粒通过快速热传导而凝固。如果用压缩空气或二氧化碳喷射对物体表面进行冷却，可以达到10^6K/s的冷却速率；尽管这种快速冷却引起的残余应力可能会导致大部分材料的强度损失。随着冷却，涂层和表面之间热膨胀系数W的不匹配也会影响应力状态。[3]这反过来又会影响喷涂涂层的强度和性能。
孔隙率
孔隙率W是等离子喷涂的典型涂层特征。可以使用不同的等离子喷涂工艺，并且采用不同的参数，可能会导致小于1%的孔隙率，或者相反，对于多孔涂层的情况，孔隙率可能非常高。喷涂涂层中的孔隙率可以通过使用非常粗的喷涂粉末来控制。将粉末引入等离子体射流的下游远处或通过使用低能等离子体可以提供这样的粗喷涂粉末。[3]
强度和附着力
与块体材料相比，等离子喷涂涂层具有不同的物理和机械性能。大部分等离子体强度是在颗粒间键合内形成的。附着力仅适用于基材的表面粗糙度。可以通过喷砂对基材进行粗加工或精加工并去除表面锈迹来提高粘附能力。附着力和涂层强度的值可能相差很大（在空气等离子喷涂陶瓷的情况下，我们可以在真空喷涂金属中获得 50 MPa 和 100 MPa）。[3]正极化是去除通过各层吸收的任何气体以及表面上出现的薄氧化膜的过程。
表面质量
在许多工程案例中，0.5 毫米的等离子涂层足以保护表面。随着厚度的增加，厚等离子涂层中的高残余应力会降低与基材的结合牢固性。对于较厚的涂层，最佳方案是最小化涂层中的残余应力，这可以通过改变薄涂层的喷涂参数和冷却条件来修改。[3]粉末尺寸对表面工件的粗糙度有影响，因为喷涂前的喷砂已使其变得粗糙。为了降低基材表面粗糙度的大小，在开始等离子喷涂之前，需要进行诸如研磨之类的精加工工艺以使表面光滑。
优点与缺点
该工艺的一个优点是可用于在材料上制作涂层的温度范围。这允许使用高熔点到低熔点材料的范围。此外，等离子涂层通常比热喷涂工艺更致密、更坚固且更清洁。等离子喷涂工艺在热喷涂工艺中占有很大的份额，这使得它的用途最为广泛。[2]
等离子喷涂工艺的主要缺点是，由于相互作用参数的数量，工艺本身可能相当复杂。此外，该过程的成本可能使其不如能够获得几乎相同结果的廉价过程那么可行。[4]当气体被加热和加速时，涡流气流可以在等离子射流上产生螺旋运动。这会对粒子轨迹和粒子加热产生强烈的负面影响；这是由于粉末在注入等离子射流时被射流轴拖走。[5]
流程效率
对于等离子喷涂工艺，一个问题是在基材表面上产生最大的喷涂效率。这不仅涉及流程本身，还涉及用于完成该流程的工具。涂层的质量很大程度上取决于喷枪。为流程设计工具是一种艺术形式，因为它可以极大地提高公司的生产力、效率和利润。[4]
为了提高沉积效率和涂层质量，需要在由氩气产生的护罩气流区域引入反涡流。[4]这是为了抵消涡流等离子体流造成的影响，从而可以用来稳定阴极电弧附着并延长阳极的寿命。此过程使颗粒更接近火炬轴，并减少进入该区域的冷空气量。因此，沉积效率和涂层质量能够大大提高。
将粉末正确引入等离子体对于效率和涂层质量非常关键。这种粉末需要通过送粉器以设定的进料速度和载气进行进料，以获得正确的结果。不正确的引入和过高的进料速率会降低沉积效率，如果进料速率太低，粉末将有太多的时间来氧化自身，从而导致涂层质量非常差。
为了提高效率的等离子喷涂工艺，我们引入了用于喷涂的高速氧气燃料，它包括一个燃烧室，该燃烧室产生热流到燃烧室下游的喷嘴。喷嘴和/或室包括来自流的材料的第一层和接触第一层以使第一层具有较低热导率的第二层。当用于涂覆基材的过程中时，该过程可以降低热损失并提高耐用性。这导致沉积效率增加。
参考
- ^ http://www.freepatentsonline.com/5220150.html，（2008年 11 月 17 日）
- ↑跳转至：2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 等 离子喷涂工艺， http://www.gordonengland.co.uk/ps.htm（2008 年 11 月 11 日）。
- ↑跳转至：3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 等离子喷涂：一种创新的涂层技术， http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp ?arnumber=00061511（2008 年 11 月 11 日）。
- ↑跳转至：4.0 4.1 4.2 http://Thermalsprayedcoatings.blogspot.com/2008/04/Thermal-spray-tooling-efficiency.html，（2008年 11 月 14 日）
- ^ http://www.springerlink.com/content/942q7p036n353574/fulltext.pdf?page=1，（2008年 11 月 17 日）