朱希玲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。自等離子噴涂技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，等離子噴涂法已成為現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域不可或缺的先進(jìn)加工手段[1]。由于等離子噴涂的射流溫度高、速度快，幾乎可以熔化并噴涂任何材料，形成的涂層具有結(jié)合強(qiáng)度較高、孔隙率低、噴涂效率高、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，在航空、冶金、機(jī)械、機(jī)車車輛等方面得到廣泛應(yīng)用，在熱噴涂技術(shù)中等離子噴涂約占50%以上。

1 等離子噴涂主要參數(shù)[5]

1.1 等離子氣體選擇

等離子氣體分為主氣和輔氣，主氣用于電離產(chǎn)生等離子，常用氮?dú)夂蜌鍤?；輔氣用于送粉，常用氫氣和氦氣。主要根據(jù)可用性和經(jīng)濟(jì)性原則選擇氣體，可用性是指氣體不與工件和噴涂材料等發(fā)生有害反應(yīng)，經(jīng)濟(jì)性主要是考慮氣體的成本[6]。

如氮?dú)獗阋?，常用做等離子噴涂的主氣，而輔氣常使用氫氣，由于氫氣屬于易燃易爆氣體，使用時(shí)要格外小心；在噴涂Cr2O3粉時(shí)，由于氮?dú)庖着cCr2O3反應(yīng)，應(yīng)選擇氬氣作為主氣。

1.2 電弧功率的調(diào)整

電弧的功率首先要保證粉末熔化良好，防止出現(xiàn)生粉；但也要防止電弧功率過(guò)高，這可能使噴涂材料氣化并引起涂層成分改變，噴涂材料的蒸氣在基體與涂層之間或涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良，此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。噴涂功率需要根據(jù)噴槍的結(jié)構(gòu)、粉末的熔點(diǎn)和粒度、送粉量等因素進(jìn)行調(diào)整，通常需要經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的試驗(yàn)才能確定最佳的電流與電壓參數(shù)。當(dāng)功率一定時(shí)，盡可能選用高電壓、低電流，以減輕噴嘴的燒損，延長(zhǎng)噴槍的使用壽命，但對(duì)于高熔點(diǎn)和粗粉末，應(yīng)選用較大電流，以使粉末充分加熱。

1.3 噴涂距離和噴涂角

噴槍到工件的距離影響噴涂粒子和基體撞擊時(shí)的速度和溫度，涂層的特征和噴涂材料對(duì)噴涂距離很敏感。噴涂距離過(guò)大，將使到達(dá)基體粉粒的溫度和速度下降，導(dǎo)致粉粒變形不充分，涂層結(jié)合力、氣孔、噴涂效率明顯下降；過(guò)小，粉末在焰流中未能得到充分地加熱和加速，易導(dǎo)致涂層疏松和性能下降，而且會(huì)使基體溫升過(guò)高，基體和涂層氧化，影響涂層的結(jié)合。在基體溫升允許的情況下，噴距適當(dāng)小些為好，一般噴涂陶瓷粉末時(shí)噴距為50～100 mm適宜。

噴涂角指的是焰流軸線與被噴涂工件表面之間的角度，該角小于45°時(shí)，由于“陰影效應(yīng)”的影響，涂層結(jié)構(gòu)會(huì)惡化形成空穴，導(dǎo)致涂層疏松，噴涂角保持90°時(shí)效果最佳。

1.4 噴槍與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

噴槍的移動(dòng)速度應(yīng)保證涂層平坦，每個(gè)行程的寬度之間應(yīng)充分搭疊。噴涂操作時(shí)采用較高的噴槍移動(dòng)速度，可防止一次噴涂的涂層過(guò)厚導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過(guò)大和涂層結(jié)合強(qiáng)度降低，也可避免產(chǎn)生局部熱點(diǎn)和表面氧化。陶瓷噴涂時(shí)，噴槍移動(dòng)速度以保證每次噴涂厚度不超過(guò)0.02 mm為宜。

1.5 基體溫度控制

較理想的噴涂工藝是在噴涂前把工件預(yù)熱到噴涂過(guò)程要達(dá)到的溫度，然后在噴涂過(guò)程中對(duì)工件采用噴氣冷卻的措施，使其保持該溫度。一般預(yù)熱溫度為100～150 ℃時(shí)涂層與基體的附著力最佳，在磨削和使用中不會(huì)脫落。

2 油膜軸承密封件的等離子噴涂

油膜軸承使用的密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)耐磨表面的處理，傳統(tǒng)方法是對(duì)其進(jìn)行滲碳或滲氮處理，但由于受零件幾何形狀的影響，零件變形較大，導(dǎo)致磨削后的滲碳或滲氮層的厚度不均勻，零件報(bào)廢率高。而采用等離子噴涂法對(duì)密封環(huán)耐磨表面進(jìn)行處理時(shí)，預(yù)熱溫度低，噴涂過(guò)程中對(duì)工件采用噴氣冷卻，使工件始終保持在預(yù)熱溫度左右，零件幾乎沒(méi)有變形，而且得到的涂層非常均勻。

圖1 密封環(huán)截面結(jié)構(gòu)

在冶金工業(yè)中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軋機(jī)軸承密封件承受高速摩擦和高壓載荷，工況極為復(fù)雜，對(duì)耐磨性要求很高。軸承密封擋板和密封環(huán)通常是表面處理量最大的零件之一，采用等離子噴涂進(jìn)行表面處理，對(duì)基材沒(méi)有特殊要求，并可以重復(fù)進(jìn)行，只要將已經(jīng)損壞的表面進(jìn)行噴砂去除，然后再噴涂上新的涂層即可，所以可以用于此類零件的再制造，大大降低零件的生產(chǎn)成本和更換周期。

以直徑為140 mm的1Cr13不銹鋼密封環(huán)為例，1件新的密封環(huán)為300元，采用等離子進(jìn)行修復(fù)的再制造費(fèi)用為100元/次，可重復(fù)再制造5～10次，通常通過(guò)等離子進(jìn)行修復(fù)的零件其成本約占新零件成本的30%左右。

3 不同氧化物陶瓷粉末性能對(duì)比

3.1 常用等離子噴涂粉末

常用等離子噴涂粉末Al2O3和Cr2O3的性能及用途見(jiàn)表1。

表1 常用熱噴涂陶瓷粉末的性能及用途

3.1.1 氧化鉻粉末

Cr2O3粉末是油膜軸承密封擋板等離子噴涂的首選材料。但近年來(lái)隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的日趨重視及對(duì)職業(yè)病的防控力度加大，因?yàn)镃r2O3中的Cr+被公認(rèn)為是對(duì)環(huán)境和身體健康非常有害的物質(zhì)，必須有完備的粉塵收集裝置才能使用，與鉻粉接觸的操作者也必須穿著特定的防護(hù)服才能進(jìn)行操作，所以新設(shè)計(jì)的密封環(huán)已不再選擇氧化鉻粉末。同時(shí)，由于Cr2O3粉末的粘附性較強(qiáng)，對(duì)除塵設(shè)備的濾網(wǎng)損害大，通常如果連續(xù)使用，設(shè)備半年就需要更換濾芯，維護(hù)成本高。

3.1.2 氧化鋁粉末

氧化鋁粉末有多種類型，為改善氧化鋁粉末的附著力和韌性，通常在其中添加一定比例的氧化鈦粉末。比較典型的有60% Al2O3+40% TiO2粉末，87% Al2O3+13% TiO2粉末和高純度Al2O3粉末。在油膜軸襯密封環(huán)上常使用60% Al2O3+40% TiO2粉末，該粉末可以在達(dá)到較高的硬度下，同時(shí)兼有好的磨削性能和密封性能，是環(huán)保型粉末。87% Al2O3+13% TiO2粉末具有很高的硬度，幾乎與Cr2O3粉末硬度相當(dāng)，但磨削性能與密封性能稍差。

對(duì)不同陶瓷粉末的硬度與工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，使用PRAXAIR公司生產(chǎn)的SG3710噴涂系統(tǒng)在密封環(huán)和密封擋板上進(jìn)行試驗(yàn)。主氣為氬氣，輔氣為氦氣，噴涂速度和送粉率通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入。幾種常用噴涂粉末在該工藝參數(shù)下所能達(dá)到的硬度見(jiàn)表2。

表2 常用粉末硬度與工藝參數(shù)

實(shí)際使用中，靜壓軸承的密封環(huán)和密封擋板要求有耐磨和密封的雙重功效，通常使用60% Al2O3+40% TiO2粉末；動(dòng)壓軸承密封環(huán)和密封擋板，通常使用99% Cr2O3粉末或87% Al2O3+13% TiO2粉末，這2種粉末的硬度高，使用壽命長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著新型噴涂粉末的引入和復(fù)合涂層的應(yīng)用，等離子噴涂將越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)表面處理工藝。對(duì)于油膜軸承密封件等表面抗磨類零件，應(yīng)用等離子陶瓷噴涂技術(shù)可以對(duì)磨損表面進(jìn)行修復(fù)和再現(xiàn)，大大降低零件使用成本。