朱 昱，魏金栋，周燕琴，张 宇，李小武，倪红军*
（南通大学机械工程学院，江苏南通226019）
摘要：概述了等离子喷涂的基本原理，并介绍了大气等离子喷涂、超音速等离子喷涂和低压等离子喷涂3种常用的等离子喷涂技术。综述了该技术在制备保护性涂层、功能性涂层以及零件修复强化方面的应用，展望了等离子喷涂技术未来的发展趋势。
关键词：等离子喷涂；工艺参数；涂层
中图分类号：TC174 文章编号：0253 -4320(2016)06 -0046 -05
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 06. 011
随着科技进步和现代制造业的飞速发展，对资源的需求量日益增加，并且对机械的性能要求也越来越高，金属作为生产、生活等方面不可或缺的材料，不仅资源存量不断减少，并且其基本性能也已经跟不上发展的需求，迫切需要寻求一种技术或材料来弥补传统金属材料的缺点和不足。在这样的大环境下，热喷涂技术应运而生，并得到了迅速的发展。利用热喷涂技术可以在金属表面制备出具有硬度高、耐磨、耐腐蚀等性能的涂层，金属基复合材料保留了金属的韧性和强度等基本性能，同时具备以上的优越性能，满足发展对机械使用性能的要求，延长使用寿命，并且缓解能源紧张的问题。
热喷涂技术( thermal spraying)在20世纪早期出现，由瑞士的M．U．Schoop博士在1910年最先完成其喷涂装置，经过多年的研究发展，形成了火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等不同热源热喷涂技术，在生产制造业中产生了广泛的影响。其中等离子喷涂继火焰喷涂和电弧喷涂后发展起来，经过不断改进，已经在热喷涂技术领域中占据了重要的位置。广泛应用于矿产机械、航空航天、医学和再制造等领域。
1 等离子喷涂技术的基本原理与工艺参数
1.1 基本原理
等离子喷涂技术是采用刚性非转移等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法，其原理如图1所示。工作气体在阴极与阳极形成的电弧中电离为等离子体，使从粉末口输送的粉末熔融或者半熔融，随着等离子流喷射到基体表面，形成涂层。该技术因其涂层质量好、结合强度高、涂层种类多以及对基体影响小等优点而得到广泛应用。
1.2等离子喷涂重要工艺参数
在喷涂过程中采用合理的电弧功率和送粉量、等离子气体、喷涂距离、角度和与工件相对速度等参数对于涂层质量的提高是至关重要的。
(1)电功率和送粉量。电功率是等离子喷涂最重要的工艺参数，在喷涂过程中应当经常调整变动，否则电功率过高，使喷涂温度过高，引起粉料的过热和气化，导致熔融和气化粉料混合附着在基体表面，形成涂层中会含有过多的气孔和粉料溅射，从而影响涂层质量，出现硬度降低，空隙率过高，甚至开裂的问题，并且可能造成对喷枪的烧损情况；当电功率过低时，等离子火焰温度不够，粉料熔化不充分，液滴附着力降低，涂层结合强度降低，并且使喷涂效率低下。其必须与喷涂粉料的种类、送粉量等因素变化相适应，如与供粉量适应，若供粉相对过高，同样会引起熔化不充分的问题，反之供粉少，则使粉末熔化严重，影响涂层质量和造成基体过热。
(2)喷涂距离和喷涂角度。喷涂距离以及角度对涂层的结合强度、涂层质量和喷涂效率有重要的影响。喷涂距离影响粉料的熔融程度、飞行时间、速度和温度，对涂层质量的影响非常大，当喷涂距离过大时，粉末的飞行时间会增加，降低喷涂效率，并且引起粉料速度和温度降低，液滴堆积时压力过小、流动性降低，导致涂层的结合力和致密度降低；反之，飞行时间短、速度快，导致加热不充分，对基体的撞击力大，使涂层结合强度低，并且可能对基体造成损坏。喷涂距离的选择应该在不影响涂层质量和基体的前提下，尽可能地减小，提高工作效率。喷涂角度影响粉料的沉积效率和涂层结构，一般越接近垂直喷涂，喷涂效果越好，如果喷涂角度偏小，涂层结构恶化，出现空穴：导致孔隙率过高，涂层硬度和结合强度偏低。
(3)喷涂速度。喷涂速度指喷枪和工件运动的相对速度，决定喷涂一次涂层的厚度，喷涂速度过快，每次喷涂的涂层厚度偏薄，并且涂层之间不能充分搭叠，使涂层表面不平整；反之，则可能使工件局部温度过高，对零件造成烧伤。
(4)喷涂气体和流量。喷涂气体包括主气体和送粉气体，主气作用是形成等离子体，影响喷涂火焰温度和速度，结合其他参数，会影响喷涂效率和涂层致密度、硬度等，应选取合适的气体和流量。而送气体应与主气体匹配，约为主气的20%~30%，否则不仅会影响喷涂质量，可能会造成喷涂设备的损坏。
2 常用等离子喷涂技术
按照形成等离子体的介质和环境气氛的不同可以分成多种等离子喷涂技术，目前最常用的等离子喷涂技术主要有大气等离子喷涂、超音速等离子喷涂和真空等离子喷涂。
2.1大气等离子喷涂
大气等离子喷涂( atmospheric plasma spraying，APS)出现最早并且应用较为普遍，是一种较为常规的等离子喷涂技术，该技术是以A r、N2和H2作为工作介质，喷涂过程在大气环境下进行。其中工艺参数是影响APS对零件修复强化质量的关键因素，因此在零件进行喷涂前首先要对基体进行预热，约200℃，这样对于减少基体与涂层温差，提高结合强度等方面具有很好的效果。喷涂电功率和送粉量参数设置得不适宜将会出现破坏粉末的成分或者加热供粉不足等问题，导致工作效率低、结合强度低、涂层质量差等后果，常用电功率为20～35 kW;喷涂距离一般可以在基体能够承受的温度的情况下适当缩小，最佳喷涂角度为90，可以降低，但是最低不得低于45；相对移动速度则与涂层每次沉积的厚度有着紧密的关系，一般情况下在30.5~100 m/min，根据不同的喷涂材料进行选择。Thirumalai-kumarasamy等在A231B镁合金表面大气等离子喷涂制备氧化铝涂层，研究喷涂参数对涂层空隙率的影响，结果显示，最佳参数为22. 27kW、113mm、81 L/min，制备涂层的孔隙率最低为4.44%，其中电功率对孔隙率的影响最大。刘前等利用大气等离子喷涂技术制备Al2O3-40% TiO2陶瓷涂层，研究喷涂电压、电流、距离和主气流量对涂层的孔隙率、结合强度和硬度的影响。结果表明，在最佳参数为65 V，500 A，90 mm和30 L/min的情况下，制备的涂层孔隙率仅为0.9%，硬度达到1036HV0.1，结合强度为37.8 M Pa。
APS具有喷涂效率高、涂层致密平整、结合强度好、工艺参数范围广以及工艺可实现自动化等优点，主要用于机械零件的表面防护与修复强化。
韩建军等利用等离子喷涂技术制备Fe基非晶涂层对锅炉管束进行性能改进，并通过腐蚀试验测试涂层耐腐蚀性，结果表明，在1000 h的盐雾腐蚀作用下，涂层基本无腐蚀现象，并且具有较高的腐蚀电位，相对于基体，耐腐蚀性有显著的提高。Lu等采用大气等离子喷涂技术制备氧化锆涂层，表面涂层厚度200~ 400μm，通过热循环和热冲击的方法研究涂层的抗热疲劳和抗热冲击性能，结果显示，在1429个周期热循环下，涂层结构基本无明显的开裂和脱落，然而在较薄涂层区域出现部分脱落现象；之后在承受150个周期后涂层完全脱落，说明增加涂层厚度可以提高其抗热疲劳和热冲击性能。Al -Mutairi等通过大气等离子喷涂和高超音速燃料喷涂( HVOF)纳米级和微米级粉末制备了WC-12% Co涂层，研究4组涂层的粗糙度、硬度、黏结力等性能，结果显示，在粗糙度、硬度等方面，2种喷涂方法制备的纳米级材料涂层都优于微米级材料涂层，粗糙度为3.1～4.3μm，硬度为1 367 HV。
大气等离子喷涂是最早最普遍的喷涂技术，因此工艺较为成熟，同时在在对人体伤害大、小长孔无法喷涂等等离子喷涂普遍存在的问题。
2.2超音速等离子喷涂
超音速等离子喷涂( supersonic plasma spraying，SPS)是利用超音速等离子射流对喷涂材料加热并加速，从而制备出高质量涂层的技术。该技术出现于20世纪80年代，工艺与常规等离子喷涂相同，但工艺参数有着很大的区别，主要包括电功率、送粉量、主气与辅气流量、喷涂距离，如表1所示。
欧献等利用超音速等离子喷涂技术制备Cr2O3涂层，研究喷涂电流、距离和空气压力对涂层硬度的影响。结果表明，500 A、200 mm和0.4 M Pa为最佳参数，制备的涂层品质最优，硬度达到2 067 HV0.3。Wang等采用52、54、58、60 kW电功率的SPS分别制备氧化铝涂层，通过XRD、SEM测定物相和组织形貌，以及在50 N压力下保持15 s测得涂层硬度，研究电功率变化对涂层组织和性能的影响，结果表明，随着功率的增加，涂料颗粒融化更完全，涂层组织气孔减少，致密度、硬度和抗弯强度有明显提高，在58 kW时达到最优，抗弯强度为112.8 M Pa，维氏硬度为2.8 G Pa，但是进一步提高电功率，残余应力也随之增加而导致出现开裂等问题，涂层对基体的增强趋势开始减弱。范文超等利用超音速等离子喷涂技术制备AI Si -20% Al/Ni涂层，研究喷涂电压、电流、距离和主气流量对涂层结合强度的影响。结果表明，130 V、380 A、90 mm和3.2m3/h为最佳参数，制备的涂层具有较好的致密度，结合强度达到65.5 M Pa。
相比其他等离子喷涂，SPS具有高温、高速的优势，拓宽了可喷涂材料范围，并且加热时间短、粒子速度快，降低了对喷涂材料的氧化和烧伤等影响，并且使涂层更加致密，结合强度等性能有明显的改善，常用于喷涂高熔点材料、陶瓷和金属陶瓷。 Fu等通过包埋渗法和超音速等离子喷涂技术制备SiC/Si -Mo -Cr/MoSi2和SiC/Si -Mo -Cr涂层，并在1337 K大气中放置200 h测试其抗氧化性和在温度为1 873 K、风速为200 m/s的风洞中测试耐腐蚀性，结果显示，涂层对C/C复合材料基体的抗氧化和耐腐蚀性有明显的提高，并且在添加MoSi，后的涂层抗氧性提高了2.3倍，耐腐蚀性提高了1.3倍。牛永辉等通过超音速等离子喷涂技术在CrZrCu基体表面制备2rO2 -MoSi2/CoNiCrA-1Y复合涂层，研究该涂层与NiCo电镀层的耐磨性差异，通过磨损试验测试，结果表明，该涂层耐磨性是NiCo电镀层的5倍，并且涂层组织致密，孔隙率较低。王东生等通过等离子喷涂和激光熔覆2种技术分别制备常规陶瓷涂层和纳米结构涂层，对4组涂层进行热障性能对比，结果表明，相同条件下，等离子喷涂制备纳米结构涂层的隔热性能优于其他3组涂层，在1100℃时，350μm厚的等离子纳米结构涂层隔热温度达到113℃，隔热性能良好，有效降低了零件的温度。
超音速等离子喷涂技术集合了常规等离子喷涂高温和超音速火焰喷涂高速的特点，扩大其应用范围，但是由于涂料加热时间过短，因此对于涂料颗粒的粒度要求较高，需要较细的粉末，另外超音速的情况下带来噪声和能耗比普通等离子喷涂更大的缺点，提高了涂层生产成本，因此需要加大研究力度，进一步改进该技术。
2.3低压等离子喷涂
低压等离子喷涂(low pressure prasma spraying，LPPS)又称真空等离子喷涂，是指在气氛可控的低压密封的情况下进行的喷涂技术，应用于20世纪70年代。LPPS与普通等离子喷涂原理等方面基本一致，主要区别是工作气氛是低压环境，致使在艺参数方面也有所不同，主要是为了适应在低真空条件工作，工作压力一般为4~ 40kPa，在不同压力环境下需要采用不同的工艺参数，一般压力越低，粒子的速度越快，因此可以适当增加喷涂的距离，使喷涂材料能够更充分地融化，如6.5 GPa时喷涂距离为300~ 350 mm。杨焜等测试低压等离子喷涂在不同压力[6.7、13.3、26.7、40 kPa等和大气压(101.3 kPa)]下的制备涂层的性能，研究压力对该技术的影响，结果显示，随着压力的降低，喷涂沉积物中的气孔减少，结合强度更高，喷涂距离增加，表面精度等级提高，在6.7 kPa时，几乎无气孔，结合强度达到55 M Pa。
该技术弥补了常规等离子喷涂等离子流不稳定、不能喷涂有毒和无法暴露在大气中的材料的局限性，并且喷涂真空气氛可控，因此对医学领域的技术突破具有显著的促进作用。
黄平等在一段股骨上采用等离子喷涂纳米氧化钛涂层并在兔左右股骨髁分别植入有涂层与无涂层2种股骨，在经过4、8、12、24周后取出，进行剪切强度测试，结果显示，无涂层组不具有统计意义，而中长期对比中，氧化钛涂层的剪切强度不断增大，在12周达到最大，表明随时间推移，有涂层骨显示了牢固的骨面结合力，更具有生物稳定性。易德亮等对真空和大气等离子喷涂制备镁黄长石陶瓷涂层稳定性进行比较，试验中发现，APS制备涂层中含有大量无定形相，该相溶解度高，因此SBF溶液中容易形成富硅层，使涂层脆性大，产生断裂，而VPS制备涂层结晶度高，不会产生上述状况，化学稳定性较高，并且细胞在VPS涂层上有较快的增殖，因此，VPS制备镁黄长石陶瓷涂层是一种良好的骨科涂层。黄利平等利用真空等离子喷涂制备掺钽HA涂层，在模拟体液中浸泡，研究该涂层的结合强度较HA涂层的变化，结果显示，掺Ta后的涂层结构更为致密，并且Ta降低了涂层的膨胀系数，使其能够更好地与Ti合金基材匹配，因此Ta使涂层的结合强度有明显的提高，结合强度为37.2 M Pa．是HA涂层的1.9倍。
低压等离子喷涂因其工作气氛的独特性，而被应用于其他喷涂技术不能加工的空白领域，并且因不接触大气而避免了涂料被氧化和成分变化的缺点，但是同时因为其低真空的气氛特点，使其喷涂受低压室大小限制，因此加工零件的大小和形状受限，并且投资相对较大，因而主要应用于航空航天、医学等高技术领域。
3 总结
等离子喷涂技术经过不断地发展，已经逐步走向成熟，新型功能材料和装备也在不断发展更新，然而目前等离子技术以下方面还需要研究和改进。
(1)实现绿色制造。生产制造利用等离子技术进行涂层的制备时，会产生高分贝的噪音以及刺眼的强光，对生产工人造成严重的听力和视力的损伤，需要通过装备等方面的改进来弥补这方面的缺陷，并实现自动化生产来降低其危害。
(2)制备更高品质的涂层，不断改进涂层配方
以及研究最佳的喷涂参数，提高涂层在传统保护功能方面的性能，开发具有更多特殊功能的涂层，满足社会和生产的需求。
(3)加深涂层形成的耦合机理的认知，研究喷涂过程中涂层的形成过程沉积物和物相的变化过程和规律，能够有效控制其变化，增大有利于涂层性能提高的物相比例，从而得到更加优越的涂层。
(4)结合现代科技及其他表面工程技术，如采用计算机控制喷涂过程、喷涂技术与SHS技术的结合等，提高等离子喷涂效率、涂层质量，将等离子技术推向专业化、高效化、产业化。
