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真空等離子噴涂（VPS）解決方案

定義

等離子噴涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。而真空等離子噴涂是指在氣氛可控的，4～40Kpa的密封室內(nèi)進(jìn)行等離子噴涂技術(shù)。因?yàn)楣ぷ鳉怏w等離子化后，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合于對(duì)氧化高度敏感的材料。

真空等離子噴涂工作原理圖及等離子噴槍結(jié)構(gòu)及噴涂原理示意圖

過程

1、準(zhǔn)備階段Ⅰ由更換裝料、真空室抽真空與調(diào)整到噴涂階段Ⅱ所需的工作壓力所組成。

2、在噴涂階段Ⅱ中用轉(zhuǎn)移電弧清理基體的表面、加熱并覆蓋保護(hù)層，這時(shí)可使真空室壓力對(duì)每種噴涂材料最佳化。

3、在斷路階段Ⅲ中，由于安全原因?qū)φ婵帐抑匦鲁檎婵眨员闶菤浜拷档偷脚R界極限一下。

4、然后在惰性氣體中冷卻，用干燥氮?dú)鉀_洗，在位更換裝料而打開真空室之前使真空室通風(fēng)以消除粉塵。

對(duì)比

與粉末火焰 噴涂對(duì)比

1、超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂。（高熔點(diǎn)陶瓷材料）

2、噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高。

3、由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。

4、等離子噴涂時(shí)，噴涂后基體組織不發(fā)生變化，工件幾乎不產(chǎn)生變形。

5、等離子噴涂時(shí)，生產(chǎn)效率高，采用高能等離子噴涂時(shí)，粉末的沉積速率達(dá)8Kg/h。

與大氣等離子 噴涂對(duì)比

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(shí)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(yù)熱溫度；還可以用反向轉(zhuǎn)移弧對(duì)基體進(jìn)行濺射清洗，清除氧化物和污垢，使涂層和基體的結(jié)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、涂層結(jié)合強(qiáng)度大幅度提高，氣孔率大幅度降低，涂層殘余應(yīng)力減小，涂層質(zhì)量明顯改善。

項(xiàng)目	粉末火焰噴涂	絲材火焰噴涂	電弧噴涂	等離子噴涂	高溫火焰噴涂（HVOF）	真空等離子噴涂（VPS/LPPS）
火焰溫度℃	3100	3100	4100	5000-10000	2900	5000-12000
顆粒飛行速度	50-70	100-120	150-170	200-600	600-1000	400-800
結(jié)合強(qiáng)度MPA	重熔＞70 噴涂“14-18”	21-42	28-50	35-70	60-90	＞80
空隙率%	7-12	3-8	3-6	0.5-3.0	0.5-2.0	0.1-1.0
生產(chǎn)效果KGH-1	5-6	5-8	5-20	5-10	4-6	5-10
生產(chǎn)成本	較低	較低	低	較高	高	高

應(yīng)用功能

1、有目的地調(diào)整噴涂層的結(jié)構(gòu)通過火焰能量與所用粉末相配合，可使噴涂層結(jié)構(gòu)在從非常致密到極端多孔的寬泛范圍內(nèi)變化。
2、產(chǎn)生活性材料的噴涂層（鉆）污和凹蝕借助真空室內(nèi)殘余氣體的條件與等離子氣的摻雜，可以用活性材料生產(chǎn)極純的噴涂層。
3、獲得新的材料組合——金屬陶瓷涂層通過雙路噴入等離子火焰或借助預(yù)混的粉末，可使極不相同的兩種物質(zhì)制取實(shí)際上是均質(zhì)的、具有重要材料性能的保護(hù)層，由VPS技術(shù)產(chǎn)生了用硬質(zhì)合金制取高結(jié)合力和致密組織的滑動(dòng)和耐磨涂層的新前景。
4、涂覆硬質(zhì)材料碳化物、硼化物、氮化物及氧化物由于VPS等離子射束中較高的能量，對(duì)硬質(zhì)材料涂層開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。
5、制取極厚的噴涂層涂覆時(shí)的沉積速度與溫度控制是在高涂層厚度范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定涂層的關(guān)鍵。

實(shí)際案例

人工關(guān)節(jié)表面真空等離子弧噴涂Ti、HA涂層: 在Ti或其合金基材上沉積的等離子噴涂鈦(Ti)、羥基磷灰石(HA)涂層已在臨床上獲得應(yīng)用。等離子弧噴涂是一個(gè)高溫過程，粉末在噴涂過程中會(huì)發(fā)生較為復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。等離子弧噴涂HA涂層與其噴涂粉末相比，會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)和組成的改變，并導(dǎo)致涂層結(jié)晶度的降低。在高于500℃的環(huán)境中，Ti很容易與O2、H2、N2以及CO2反應(yīng)。由于等離子弧射流溫度極高(高達(dá)10000℃)，在大氣中進(jìn)行等離子弧噴涂時(shí)，Ti會(huì)與周圍氣氛發(fā)生反應(yīng)。噴涂過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物往往會(huì)降低涂層的延展性，并導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋，真空等離子弧噴涂與大氣等離子弧噴涂相比較，具有射流速度快、溫度較低、噴涂室氣氛可控等特點(diǎn)，所制備的涂層比較致密、含氧量低、成分與粉末較為接近。采用真空等離子噴涂技術(shù)可以制備性能優(yōu)良的Ti和HA涂層。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表面噴涂: 隨著高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，其使用環(huán)境越來越苛刻，使用壽命和可靠性要求也越來越高，如：美國新型發(fā)動(dòng)機(jī)壽命達(dá)到3000h，大型軍用運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命達(dá)到數(shù)萬小時(shí)，未來軍用發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車率為0.01‰~0.06‰飛行小時(shí)，民用發(fā)動(dòng)機(jī)為0.002‰~0.02‰飛行小時(shí)，由上述數(shù)據(jù)可以斷定如想提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命和可靠性，單純依靠材料本身性能已不能滿足要求，因此必須對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行表面防護(hù)。高能束流表面工程技術(shù)主要利用激光、電子束、離子束及等離子體等高能量密度束流使材料表面改性或在材料的表面形成防護(hù)或功能涂層，以提高零件的壽命或使用性能。