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等离子喷涂参数的选择
来源:焊接之家 发布时间:2018年11月15日 阅览:
等离子喷涂的参数主要有工作气体的成分和流量、电参数、送粉量、喷涂距离和喷涂角度、喷枪和工件的相对移动速度等。

1. 气参数(流量)
主气的流量是重要的工艺参数之一,它直接影响到等离子焰流的热焓和速度,继而影响喷涂效率和涂层孔隙率等。当喷涂功率一定时,主气流量过大或过小均会导致喷涂效率的降低和涂层孔隙率的增加(热喷涂与再制造)。气流量过大,离子浓度减少,过量的气体会冷却等离子的焰流,不利于粉末的加热,粉末熔化不充分,使喷涂效率降低,涂层组织疏松,孔隙率增加;反之主气流量太小,会使焰流软弱无力,次级气在工作气体中的相对含量增加,造成射流热焓和温度的提高,使喷涂粉末过熔。

次级气的流量变化主要反映在喷涂电压的变化上。
送粉气的压力和流量对涂层质量的影响也很大。对外送粉喷枪而言,送粉气对涂层质量的影响尤其严重。如图所示,送粉气压力和流量过小会使粉末难以到达焰流中心,过大则会使粉末穿过射流中心,产生严重的“边界效应”,致使涂层疏松,结合强度降低。对于内送粉喷枪而言,送粉气压力和流量过大同样不能把粉末送入焰心,若过小,则易造成堵塞喷嘴,严重时则会烧坏喷嘴(热喷涂与再制造)。若要很大送粉气压力和流量才能把粉末送入焰心,则须检查供粉系统的气密性,是否漏气。
所以送粉气的压力和流量应根据送粉量的大小、粉末的比重、粉末的流动性以及供粉系统的性能、射流的功率和刚性来选取。


(a) 送粉气压力和流量过大
(b) 送粉气压力和流量正好
(c) 送粉气压力和流量过小
送粉气流量大小对送粉效果的影响
2. 电参数
(1)功率
输入功率大小首先要满足能够将粉末熔化良好。形成涂层的粉末所需的热功率应为:
       
式中:Gf——单位时间的送粉量
T0,Tm,Tr——粉末原始温度、粉末熔点和粉末过热的温度;
Cs,Cm——粉末固态和熔态的比热;
Hr——熔融粉末材料在Tr下的热焓增量。
根据等离子焰流能量利用系数ηf,可估算出喷嘴出口处等离子体的热功率qp:

                                  
最后按喷枪效率η,可估算出所需输入的功率P:
                       
式中:0.24——电能转变为热能的系数
一般来说,采用较高的功率值比较好。一般等离子喷涂常用的功率为20~35 kW,而HEPJet高效能超音速等离子喷涂常用的功率为45~65 kW。
(2)电压和电流
等离子弧电压是由喷枪结构和工作气体决定的。可以通过调节阴极与喷嘴间的距离和变化工作气体的成分来调节弧电压(热喷涂与再制造)。在已选定喷枪结构和主气体流量为一定值的情况下,电压与电流的调节可以通过改变电源调节器和H2流量来进行调节。应当注意的是当改变电压或电流时,主气的流量也会相应的有些变化,因此为了保证稳定的喷涂参数,当调节电压和电流时要适时的调节并维持主气流量不变。
功率确定后,应尽可能选用较高电压和较低电流,这样有利于提高喷枪热效率。
3. 喷涂距离
喷涂距离是指喷嘴端面到基体表面的直线距离。粉末在等离子焰流中加热和加速都需要一段时间,因此应有一个合适的喷涂距离,喷涂距离过近,会因粉末加热时间短,撞击变形不充分而影响涂层质量,还会使零件受等离子焰流的影响而温度升高快、出现严重氧化,造成涂层脱落(热喷涂与再制造)。喷涂距离过远又会使已经加热到熔融状态的粉末在与零件接触时冷了下来,飞行速度也开始降低,同样影响涂层质量,喷涂效率会明显降低。等离子喷涂的喷涂通常为70-150mm。
4. 送粉速率
送粉速率指单位时间的送粉量,它直接影响到喷涂效率和涂层质量。送粉量应当与热源参数相匹配。对于同种牌号同种粒度的粉末,在不同的送粉量下,应当施加不同的输入功率。当送粉量不变时,如果热源功率参数过小,则粉末熔化不良,涂层中夹杂的生粉多,粉末撞击工件时变形不充分,并有较多的粉末弹跳损失,沉积效率低,涂层质量下降。反之若热源功率参数过大,虽然粉末的熔化和撞击变形良好,但粉末受热氧化烧蚀严重,涂层中夹着较多的烟尘,熔化粒子飞溅严重,同样会使沉积效率降低,涂层质量下降(热喷涂与再制造)。因此,对于一定牌号一定粒度组成的粉末,送粉量的大小和热源参数要相适应。
5. 喷涂角度
喷涂角度指的是喷涂射流轴线与基体表面切线的夹角。喷涂角度一般为60°~80°,喷涂角度不小于45°时,对涂层的结构和沉积效率不会产生太大的影响。一般认为,喷角小于30°是不允许喷涂的。
当喷涂角度太小,细小的粉末微粒粘结在喷涂表面上时,阻碍继续喷上去的粒子,结果在其后面形成一种“掩体”,这样就会形成具有许多不规则空穴的多孔涂层(热喷涂与再制造)。这种孔穴不仅减弱涂层强度,而且会从喷射流中聚集含有高氧化物的细微物质,改变涂层的化学成份。

“阴影效应”示意图
当喷涂角度小于45°时,喷涂的“遮蔽效应”便会出现,影响涂层的层间结合,且大幅度降低涂层与基体的结合强度。
6. 喷涂工件的预热与温度控制
在冬季或结构较复杂的零部件、内孔件喷涂前要进行预热,预热温度一般在80~150 ℃之间。目的是为了去除基体表面的潮气、改善基体表面的活化状态、降低喷涂颗粒至基体表面时的冷却速度、减轻喷涂粒子冷却时产生的热应力等。
喷涂工件在喷涂过程中要控制温升。既要控制整个工件的温度,最高不超过200 ℃,更要防止喷涂部位局部过热。与整体过热相比,局部过热对涂层的影响更大,尤其在制备陶瓷涂层时,涂层非常容易开裂(热喷涂与再制造)。通常采用辅助吹风冷却来控制工件的温度。
7. 喷枪的移动速度
喷枪移动速度一般以束流斑点的直径为依据。因为不同的喷涂工艺方法,其束流斑点直径是不同的,通常取压盖斑点的30%~50%,不能小于30%。喷枪的移动速度确定后还要与工件的旋转线速度相匹配,使每遍喷涂的涂层厚度达到要求。在一定送粉量下喷枪移动速度或喷枪与工件的相对速度的慢与快,意味着单位时间内,喷枪扫过工件面积的多少或每次喷涂层的厚度,所以调节喷枪的移动速度实际上是控制每次喷涂层的厚度。每次喷涂的厚度不宜太厚。一般情况下,对于使用厚度在0.15 mm以下的薄涂层,每次喷涂的涂层厚度不要超过0.02 mm(热喷涂与再制造)。此外喷枪移动速度对工件的温升也有影响,为不使基体局部温升过高而造成热变形或热应力过大,可采取略提高工件线速度的方法来加快喷枪的移动速度。
8. 喷涂气氛控制
喷涂过程中,飞行的颗粒会与燃气或大气等接触发生反应,造成涂层中含有氧化物夹杂,其产生与热源的气氛和大气环境的影响都有关系(热喷涂与再制造)。采用一些低压气氛喷涂可改善粒子的氧化程度,例如低压等离子喷涂,它可用于制备易氧化的金属及其合金材料涂层;采用惰性气体对粒子束进行保护。
整个喷涂环境中,粉尘是不可避免的,要做好整个环境的通风除尘工作,最大程度上减轻涂层中的夹杂给其带来的影响。
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