直流等离子喷涂、丝材电弧喷涂和转移弧等离子(PTA)沉积3种喷涂技术工艺原理与应用

以电弧和等离子体为热源的技术主要包含直流等离子喷涂技术、丝材电弧喷涂技术以及转移弧等离子(PTA)沉积技术。这三种技术虽然原理不同，但都依赖于稳定高效的电极系统来实现能量转换。

1.直流等离子喷涂技术

直流等离子喷涂技术其喷枪组件包含阴极和与之同轴的阳极喷嘴，在二者之间的间隙处激发产生电弧，电能转化成为热能后实现对连续流动气体的加热，最终形成等离子射流。60~80kW的等离子喷枪，通常采用圆锥形柱状阴极；250kW的等离子喷枪,其阴极常设计为纽扣形。等离子喷枪使用的气体包括Ar、Ar-H₂、Ar-He、Ar-He-H₂、N2、N₂-H₂等。不同气体产生的等离子体温度和速度不尽相同，喷枪出口附近温度变化范围在8000~14000K，气流速度变化范围在500~2800m/s。大多数等离子喷枪使用的喷涂原料为固体粉末，但是目前已开发出使用液体原料的悬浊液等离子喷枪和溶液等离子喷枪。

大多数等离子喷枪只带有一个阴极，电源功率范围在30~90kW。对于功率范围在 40~50kW内的等离子喷枪，其送粉率应控制在3~6kg·h^-1，其沉积效率大约为 50%。对于高能等离子喷枪(250kW)，其送粉率可达15~20kg·h^-1。目前，三阴极结构的等离子喷枪在市场上越来越多，其功率调节范围在60~100kW。在通常情况下，等离子喷涂(在大气敞开环境下)制备涂层孔隙率范围在3%~8%，金属或合金涂层的氧化物含量可控制在1%~5%，涂层结合强度高于40~50MPa。基于高温气流的特点，等离子喷涂技术尤其适用于氧化物陶瓷涂层的制备。

2.丝材电弧喷涂技术

不同于固定电极设备，丝材电弧喷涂技术的电弧产生于两条连续进给并不断消耗的可导电丝材之间，其中一条丝连接阴极，另一条丝连接阳极。丝材端部发生熔融后，在雾化气流的作用下分散成几十微米的细小液滴。用于雾化的气体通常为压缩空气，但在一些特殊情况下可以使用N,等非氧化性气体。液滴撞击形成涂层的瞬间，高温足以引发金属间的反应或局部扩散，这些反应、局部扩散可能发生在涂层内部及涂层与基体之间。丝材通常为延展性较好的材料或者是以高延展性材料为管壳、内部卷覆延展性较差的材料颗粒或陶瓷颗粒等。这类管壳卷覆型的丝材成为粉芯丝。从丝材端部雾化产生的液滴在撞击时是完全熔融的，飞行速度可以达到120m·s^-1。

不同丝材电弧喷涂设备的工作电流是不同的，其最大电流变化范围在200~1500A。与其他喷涂工艺相比，丝材电弧喷涂技术具有更高的喷涂效率(5~30kg·h^-1)，沉积效率可达80%，是丝材喷涂技术中最经济的。丝材电弧喷涂技术制备涂层中的氧化物夹杂含量相对较高，且主要由丝材材料及雾化气体决定，如AI涂层中的氧化物夹杂含量可达25%。采用N₂替代空气作为雾化气体，可以有效降低涂层中的氧化物夹杂含量，但是根据最大气流量(大约1m³· min ^-1或更高)计算，其工艺成本也有所升高。涂层孔隙率一般高于10%，结合强度在40MPa左右。丝材电弧涂技术的一大优势是对基体加热程度较低，而其主要缺点是液滴飞行轨迹太过发散。与其他热喷涂技术一样，丝材电弧喷涂会产生较大的噪声，并且伴有大量的飞尘。丝材电弧喷涂制备的涂层可以用于低载荷条件下的耐摩擦磨损情况，但更主要的是用于电气设备耐大气腐蚀及海水腐蚀。

3.转移弧等离子(PTA)沉积技术

转移弧等离子沉积技术与其他热喷涂技术有很大差异，为使产生的电弧能够对工作气体及涂层材料进行有效加热，该技术将基体作为电极来使用，而且通常是阳极。因此，转移弧等离子沉积技术所针对的基体必须是可导电的材料。在涂层沉积过程中，激发的转移弧会引起基体表面的局部熔融，而在等离子弧柱经过加热和加速的颗粒会黏附到熔池中，并且被转移弧加热至熔融态。该过程可以看作焊接工艺与热喷涂工艺的复合运用。转移弧等离子沉积技术的特点决定了所得到的涂层与基体之间具有很好的结合强度,且涂层自身致密度很高。涂层原料有两种，分别是100m左右的粉末及丝线材料。可用于沉积的材料包括金属、合金、金属陶瓷等。转移弧等离子喷枪最大电流范围在200~600A。在进行转移弧等离子沉积过程中，基体一般为水平放置或接近水平放置，涂层与基体之间的结合方式为冶金结合，涂层厚度大于其他热喷涂技术，最厚的能达到几厘米。涂层沉积效率高于90%，且涂层中不会存在大量孔隙。转移弧等离子沉积技术送粉率高达18kg·h^-1，若是高能转移弧设备，送粉率会更高。转移弧等离子沉积得到的涂层在耐磨和耐高温腐蚀方面展现出了优异的性能。

三种等离子热喷涂技术各有特点，适用于不同的应用场景。直流等离子喷涂技术适用于高性能陶瓷涂层制备，丝材电弧喷涂技术经济高效适合大面积防腐应用，而转移弧等离子沉积技术则能提供最高质量的冶金结合涂层。作为等离子热喷涂设备关键部件供应商，晟镭新材生产的阴阳极组件具有使用寿命长、热稳定性好、电弧效率高等特点，能够显著提升各类等离子喷涂设备的性能和经济效益。我们可根据客户需求定制不同规格和材质的阴阳极组件，并提供专业的技术支持和服务，助力客户在各自应用领域取得成功。