反应等离子喷涂的发展及其应用.docx

反响等离子喷涂的进展及其使用摘要：反响等离子喷涂试自集中高温合成SHS同等离子喷涂技术结合而进展起来的技术。本文综述了反响等离子喷涂的特点，涂层的种类以及涂层使用的领域。并提出了需要争论的问题，展现了反响等离子喷涂的使用前景。关键词：反响等离子喷涂；涂层种类；使用领域0 前言传统等离子喷涂具有焰流温度高，能量集中，粒子飞行速度快等特点1。自集中合成SHS也称燃烧合成CS，是利用化学反响自身放热制备材料的技术，在常规制备方法中难以得到的陶瓷、金属间化合物等高熔点、高性能的材料方面显示出巨大的优越性2。将等离子喷涂和自集中高温合成相结合，充分发 挥两种工艺的特点，渐渐进展成为反响等离子喷涂3。1 反响等离子喷涂的特点反响等离子喷涂是基于肯定的燃烧合成反响实现的，将等离子喷涂和燃烧合成结合，充分发挥两种工艺的各自优点，利用等离子焰流来掌握燃烧合成的反响程度。反响等离子喷涂有两种，一种是S-S 反响，这种反响所用粉末一般为高放热反响体系的复合粉末，另一种是 S-G 反响。在喷涂过程中，喷涂材料在飞行过程中和反响气体发生反响，最终反响产物沉积到基体上形成涂层。利用等离子焰流作为热源，引发所喷涂粉末发生燃烧合成反响，反响放出的热量使反响产物快速升温，从而在焰流中合成所需产物，并以极高的速度喷出，沉积到基体上形成涂层。由于产物的合成以及涂层的形成几乎同步完成，因此，反响等离子喷涂具有很高的生产效率。反响等离子喷涂不仅可以用于制备氮化物和硼化物陶瓷涂层，还可制备原位合成的金属/陶瓷复合涂层，能够显著改善单一陶瓷涂层韧性差的缺点，提高涂层的机械性能。反响等离子喷涂涂层呈波浪式堆叠在一起的典型的层状组织构造，硬质相和基体相变形粒子相互穿插。合成反响热和等离子弧热叠加，有利于高熔点硬质相的熔化，抑制了传统等离子喷涂金属-硬质相粉末时硬质相分布不均匀、组织粗大、熔化不完全等缺点2。2 反响等离子喷涂的争论2.1 粉末反响等离子喷涂以高放热反响组元为喷涂粉末，在喷涂过程中完成相的合成和涂层沉积。其原理如图 1 所示。利用粉末反响等离子喷涂技术可制备Ti-TiC、Ti-B4C、AlSi-SiO4、Fe-TiB 、Fe-TiC、Cu-TiB等涂层。222图 1 粉末反响等离子喷涂示意图2.1.1 Fe-TiC 涂层TiC 颗粒增加金属复合涂层是一种具有广泛工业使用前景的金属陶瓷复合耐磨涂层，由于其具有低摩擦因数、高硬度、低密度以及良好的高温稳定性等优点。文献5中作者承受 71.6%wt太铁粉和石墨粉为原料，假设按化学计量比配制的反响物完全反响，则可得 83%VolTiC。喷涂粒子在飞行过程中，钛铁和石墨发生如下反响：TiFe + Ti + 2C2TiC + Fe + 154 kJ/mol喷涂粒子在飞行过程中发生上述 SHS 反响后，反响物熔滴在等离子弧的作用下，高速飞向基材，发生碰撞-变形-冷凝-收缩一系列过程而形成涂层。制备得到的 TiC-Fe 涂层是多层构造，即富 TiC 层和贫 TiC 层得穿插堆叠，其显微硬度分别为 1000-1800N/mm2 和 3000-6000N/mm2，性能优于传统等离子喷涂 Fe+TiC 团聚粉而制得的涂层。调整原料的成分，可获得不同 TiC 含量的涂层。涂层中TiC 含量、极细小的硬质相颗粒在整个涂层中的均匀分布是影响其耐磨性的最重要因素。文献6,7,8,9,10 中黄继华等人则承受前驱体(蔗糖)碳化复合技术利用钛铁粉为原料制备 TiFeNiC 和 TiFeC 系粉末，并通过反响等离子喷涂技术(RPS)原位合成并沉积了 TiC/FeNi 和 TiC/Fe 金属陶瓷复合涂层。所制备的 TiC/Fe 复合涂层主要由不同含量TiC颗粒分布于金属Fe 基体内部而形成的复合片层叠加而成； TiC 颗粒大致呈球形，粒径呈纳米级；TiC 理论质量分数 53%的 TiC/Fe 金属陶瓷涂层的耐磨粒磨损性能较好，SHV 磨损试验中涂层的磨损面积为基体45 钢 的 1/25 左右。文献11中作者承受沥青作为前躯体，太铁粉为原料制备Ti-Fe-C 复合粉末， 并通过反响等离子熔覆原位合成并沉积了 Fe-TiC 涂层，涂层构造致密，涂层具有较高的硬度和良好的耐磨损性能。2.1.2 Fe-Al O 涂层2 3文献12中牛二武等人依据铝热反响原理制备了Fe-Al2O3-FeAl2O4 复合涂层。Dong Zha13等人争论了Fe/FeAl2O4 涂层的微波吸取特性和复介电常数。Cagri Tekmen 等人利用直流等离子喷涂制备了 TiB2/Al2O3 复合涂层14，并争论了喷涂参数及飞行颗粒的特点15。2.1.3 Al-Si 合金涂层AlSi 合金涂层具有良好的耐磨性能，耐冲蚀性能及高温强度，常用作汽车制动器，汽缸盖，连杆等零件。23文献16,17,18中作者先利用机械合金化制备 Al-12Si/SiO2 复合粉末，然后承受APS(atmospheric plasma spraying) 制备得到 Al-Si/Al2O3 复相涂层。反响机理为： 4Al+ 3SiO 22Al O + 3Si , H=181.09kJ/mol 。文献19中作者承受 APS 制备了Al12Si/TiB2/h-BN 复相涂层。两者均争论了喷涂参数对涂层性能的影响。文献20中作者承受不同的反响热喷涂技术制备了 Al-Si-Mg 涂层，并对各种涂层的性能进展了比较。2.2 气相反响等离子喷涂反响器中的气体被引入高温等离子射流中后，快速发生分解，并使分解的离子处于激活状态，和喷涂粉末反响生成抱负的产物，沉积到基材外表形成涂层。由于产物在原始喷涂粉末中原位生成，因此涂层中产物和基体结合良好，分布均匀。可制备的涂层有 Ti+TiC、W+WC 、 Mo+Mo2C 、NiCr/Ti+Ti+C+CrC、FeCrAlY+CrC、FeCrAlY+CrFe+FeC 等。以甲烷、丙烯等碳氢化合物作为反响气体，NiCr/Ti 团聚粉末或钨粉作为喷涂粉末，形成含 TiC、CrXCy 或 WC、W2C 的涂层，具有良好的耐磨性；将富氮的反响气氛引入高锰、高镍不锈钢粉末喷涂过程，可制备高氮不锈钢涂层，显著改善该类不锈钢涂层的耐蚀耐磨性21。2.2.1 TiN 涂层TiN 本身具备高硬度理论硬度可达 21GPa、高熔点2955、耐磨、耐腐蚀、导电性等特性被广泛用于刀具、减模、半导体等领域。目前，TiN 主要用作材料外表的耐磨、耐腐蚀涂层。传统的TiN 涂层制备方法如 CVD，PVD 制备得到的 TiN 涂层较薄，涂层组织一般为粗大的柱状晶粒，韧性差；而承受反响等离子喷涂技术可以避开这些缺点。文献22中陈海龙等人承受的是 Ti 粉和等离子腔中的氮气气氛在等离子喷涂过程中发生原位反响生成 TiN 涂层，涂层是由多层典型的波浪形层状组织构成， 涂层组织密度，层和层之间的结合状况良好，涂层和基体结合也很严密。文献23 中冯文然等人承受自行设计的一种气体隧道等离子喷枪，使用该喷枪，以钛粉和氮气为反响物，通过反响等离子喷涂RPS技术，制备了致密的TiN 涂层。该 TiN 涂层具有厚度大>500m的特点，且是由纳米晶粒直径为：50-70nm以及非晶态的 TiN 相所构成的。文献24,25中作者承受低压反响等离子喷涂技术制备了Ti/TiN/Ti N 复合涂层，2争论了喷涂参数Ar/N 比，喷涂距离，等离子电流大小等对涂层性能的影响。2试验结果说明，涂层的显微硬度跟 N 成线性递增关系；当 Ar/N 比为 1 时，涂22层的孔隙率最低，和基体的结合也最好，从而提高了涂层的耐腐蚀性能和耐磨性能。文献26,27中的两个作者分别对反响等离子喷涂制备的TiN 涂层进展热处理， 以提高涂层的致密性。E. Galvanetto 认为在氧气气氛下进展热处理，涂层和氧气发生如下反响：6TiN+7O22TiO+6NO2，由于Ti3O 的密度小于 TiN 的密度，因3此造成了体积膨胀，从而对对涂层中的孔隙起到了填充的作用，使涂层的致密度大大增高，从而提高了涂层的显微硬度；而陆晨光却认为是氧化生成的 TiO 填2充了孔隙。2.2.2 TiC 涂层文献28 中作者承受钛铁矿作为原材料粉末，等离子喷涂过程中和反响室中的甲烷气体反响制得 Fe-TiC 涂层，反响式为：FeTiO +4CH =Fe+3CO+TiC+8H ；342制备过程中得工艺参数是影响涂层性能的重要因素。2.2.3 TiCN 涂层由于 TiN 薄膜存在着高温抗氧化性不强等缺点。为进一步改善 TiN 薄膜的综合性能，承受多远合金化始终是刀具使用领域的争论热点。例如，在 TiN 薄膜中参加非金属元素 C，通过 C 原子的固溶和析出形成的 TiC，N薄膜，是 TiN基多元薄膜中现行使用较多的一种改进型薄膜。C 原子的引入可提高涂层的硬度和降低涂层和被加工材料的摩擦系数。但 Ti C,N涂层的抗氧化力量还不及 TiN，抗氧化温度只有 400，因此大大限制了其使用。文献29中作者承受 RPS 制备了 TiN/TiC 复合涂层，反响原料是 Ti 粉，反响气体是 CH4、N2。并对制得的涂层进展了性能测试，显微硬度，耐磨性能及耐腐蚀性能，结果说明 RPS 制备的涂层性能明显高于电沉积制备得到的涂层性能。文献30中作者承受 RPS 制备了 TiCN 涂层，使用的反响气体为 N2 和乙炔。2.3 其它反响等离子喷涂涂层文献31中 M. Vijay 等人承受 TiH2 粉末作为原材料，通过反响等离子喷涂过程中粉末被氧化从而制备纳米 TiO2 涂层，该涂层在可见光下具有优良的光催化性能。Yaran Niu32等人承受等离子喷涂技术制备了SiC 涂层。Venkata Pasumarthi33等人承受反响等离子喷涂技术制备了 Ti3SiC2 涂层。3 反响等离子喷涂的进展前景虽然反响等离子喷涂技术和理论争论取得了一些进展，但很多关键问题仍需深入争论。在理论上，争论等离子喷涂条件下的 SHS 反响及陶瓷熔体形成的热力学条件和动力学过程；提醒非平衡条件下的陶瓷涂层的 SHS 原位合成规律； 分析陶瓷涂层或金属间化合物涂层和基材间熔合连接过程及界面结合机制；探究涂层凝固规律，特别是对具有自增韧和复相增韧作用涂层的争论，为 SHS 反响喷涂这一的陶瓷涂层技术的深入争论奠定理论根底。在工艺上，优化反响配系， 摸索可获得更高耐磨、耐蚀、耐高温性能的涂层体系；系统争论工艺参数对反响等离子喷涂的影响规律；设计、改进适宜反响等离子喷涂的喷涂装置以及相应的分析测试设备，特别是高温、高速条件下对粒子的观看和测量，为反响等离子喷涂技术的工程使用奠定技术根底。参考文献：1 李行志,胡树兵.等离子喷涂的进展及其使用J.湖北汽车工业学院学报,2023,18(2):35-38. 2 闫华, 王爱华,熊钊颋, 等. 自集中反响喷涂技术最争论及进展J. 材料导报,2023,23(7):91-04. 3 解永杰, 阎殿然, 何继宁, 等. 反响等离子喷涂陶瓷涂层的争论J. 技术工艺,2023,1:48-50.4 O. Culha, C. Tekmen, M. Toparli, et al. Mechanical properties of in situ Al2O3 formed Al-Si composite coating via atmospheric plasma spraying J. Materials and Design, 2023, 31:533-544.5 Cliché G, Dallaire S. Synthesis and deposition of TiC-Fe coatings by plasma sprayingJ. 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