微弧等離子噴涂碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合涂層

王漢功 *，汪劉應，徐建國，華紹春，劉顧

（1.第二炮兵工程學院501 室，陜西 西安 710025；2.第二炮兵駐重慶地區軍事代表室，重慶 400039）

1 前言

等離子噴涂技術是20 世紀50年代發展起來的一種熱噴涂技術。由于具有電弧溫度高、能量密度大、焰流速度高以及穩定性好等特點，等離子噴涂技術可以將各種粉末材料加熱到熔融狀態，并能夠制備出各種高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化和耐腐蝕的物理、化學性能穩定的功能涂層。因此，等離子噴涂技術在航空、航天、原子能等領域有著廣闊的應用前景，也是目前應用最廣泛的熱噴涂技術之一[1-2]。近幾十年來，隨著等離子噴涂技術的快速發展，雖然已相繼開發出高能等離子噴涂、低壓等離子噴涂、反應等離子噴涂和超音速等離子噴涂等多種新技術，但是往往由于設備功率大，噴涂電源采用晶閘管或硅整流管整流，因此體積大，質量重，能源利用率低。同時，噴涂過程中用于加熱粉末熱量的電弧功率小，對工件基體熱影響大，不適合現場施工和薄壁件的噴涂。這些缺陷使得等離子噴涂技術的工程應用受到一定程度的限制。

第二炮兵工程學院以實現設備節能和小型化、提高能源利用率為指導思想，以實現“一機多用”和“一專多能”為目的，成功研發了“多功能微弧等離子噴涂”系統[3]。該系統不僅具有微弧等離子噴涂的功能，而且還具有等離子表面淬火以及焊接功能。它不僅能很好地解決工業部門因設備運行過程出現多種失效而需要購置多種維修工藝設備等問題，而且大大提高了能源、資源的利用率。

2 多功能微弧等離子噴涂的基本原理

多功能微弧等離子噴涂實質上是一種小功率等離子噴涂。主要是通過改進電源設計、噴槍結構設計和送粉方式等，在低功率條件下利用微弧等離子焰流，制備出與大功率條件下性能相當甚至更優異的涂層。其基本原理是：當Ar 或N2噴涂工作氣體進入等離子發生器后，在高頻放電作用下引燃電弧，并將氣體加熱離解形成等離子體，經孔道高壓壓縮后呈高速噴射而形成等離子焰流。噴涂粉末被送粉氣體從中心軸向或內部徑向載入等離子焰流后，迅速呈熔化或半熔化狀態，并在軸向氣流和切向氣流的雙重作用下，高速噴射到經過粗化的潔凈零件表面，從而產生塑性變形形成涂層。

多功能微弧等離子噴涂可以通過調節電流大小、Ar 和N2氣體的配比與流量，來實現對等離子弧的能量、溫度和熱焓值的控制，從而滿足不同噴涂材料的加熱要求，并制備出各種性能優異的涂層。多功能微弧等離子噴涂系統主要由噴涂電源、噴槍、送粉系統、循環水冷機以及連接管路等組成，如圖1所示。

圖1 多功能微弧等離子噴涂設備的構造 Figure 1 Structure of multi-functional micro-arc plasma spraying equipment

3 多功能微弧等離子噴涂系統的設計

多功能微弧等離子噴涂系統設計主要包括噴涂電源設計、噴槍設計等。等離子噴涂電源是等離子射流能量提供裝置，噴槍是集所有噴涂資源(電、氣、粉和水)于一體的核心裝置。

3.1 多功能微弧等離子噴涂逆變電源的設計

逆變電源是將電網交流電通過整流技術變成直流電，然后利用逆變技術，將其變成高頻交流，再通過高頻變壓器降壓、整流，以達到縮小變壓器體積、減輕重量和提高供電質量的目的。因此，它具有低損耗、高效率、電路簡潔、質量輕、體積小、高集成度等特點，在現代工業中有著廣闊的應用前景[4-5]。

多功能微弧等離子噴涂逆變電源的目標是要保證等離子噴槍在起弧、工作以及瞬間斷弧時，電源能夠有額定的高質量波形輸出。這就要求多功能微弧等離子噴涂電源具有高的穩態精度和好的動態性能。因此，在多功能微弧等離子噴涂逆變電源設計過程中，系統地分析了傳統逆變電源存在的小電流穩定性差，易斷弧，硬開關損耗大，感性關斷電壓尖峰大，電磁干擾嚴重等缺點，以多功能微弧等離子噴涂電源要同時滿足等離子噴涂、等離子淬火以及焊接等多種輸出要求為出發點，科學地運用了二次逆變技術、軟開關技術和智能控制技術，很好地保證了多功能微弧等離子噴涂電源的穩定性和可靠性，減少了漂移和電磁干擾，實現了精確控制、數字控制，并滿足了多功能電源的輸出要求。研制的逆變電源質量為50 kg，外形尺寸為640 mm × 320 mm × 620 mm。

3.2 多功能微弧等離子噴槍的設計

多功能微弧等離子噴槍是多功能微弧等離子噴涂系統的核心裝置，主要由槍體、陰極組件、陽極組件、絕緣體等幾部分構成。多功能微弧等離子噴槍除應具有傳統等離子噴槍所具有的水、電、氣特征，陰陽兩極良好的冷卻條件外，還必須改進其送粉方式和進氣方式，以滿足微弧等離子噴涂在小功率條件下能夠制備性能優異的涂層的要求。因此，多功能微弧等離子噴槍的設計主要包括噴嘴設計、送粉方式設計和氣室結構設計等。

多功能微弧等離子噴涂設計的拉瓦爾孔形噴嘴是根據等離子噴涂理論，綜合考慮噴嘴孔道直徑、壓縮角、壓縮比、送粉口至端面的距離等幾何參數對等離子弧壓縮、電弧的穩定性影響的基礎上，通過計算、仿真、優化和實驗而得到的。該噴嘴使得噴槍出口等離子射流速度高，方向性好，對粉末的加熱、加力均勻，不僅提高了噴涂粒子速度和涂層質量，而且有利于解決中心軸向送粉帶來的噴嘴粘結問題。

多功能微弧等離子噴涂由于功率小，要滿足不同熔點材料的噴涂要求，必須充分延長粉末在電弧中的加熱時間，提高用于粉末加熱的電弧功率。因此，設計了中心軸向送粉和內送粉兩種送粉方式，成功地解決了噴嘴使用壽命短、噴嘴與陰極粘結等諸多難題，不僅實現了多功能微弧等離子噴涂連續作業，而且提高了等離子弧的粉末加熱效果、沉積效率和涂層的結合強度。

多功能微弧等離子噴涂采用了切向進氣和直流進氣相結合的進氣方式，不僅能夠保持電弧的穩定性，而且還能夠實施對陰極冷卻和提高等離子弧焰流速度，從而提高涂層與基體的結合強度。

4 多功能微弧等離子噴涂碳納米管/納米Al2O3- TiO2 復合吸波涂層

4.1 噴涂粉末、噴涂設備及工藝參數

實驗所用的碳納米管是采用催化裂解法制備的多壁碳納米管，純度大于95%。納米Al2O3-TiO2是納米結構Al2O3和TiO2復合粉末，粉末粒度在50 ～ 500 nm。將碳納米管按一定質量配比稱量，以十六烷基三甲基溴化銨作為分散劑，將其分散在水溶液中，超聲波分散30 min，形成碳納米管懸浮液。將納米Al2O3-TiO2粉末高速攪拌加入到聚乙烯醇的水溶液中，并磁力攪拌30 min，形成納米Al2O3-TiO2懸浮液。在磁力攪拌的同時，滴入碳納米管懸浮液。滴加完畢，超聲分散共混4 h 后過濾，用蒸餾水洗滌至無泡沫出現，在烘箱中干燥 24 h，研磨過篩后，得到碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合粉末。復合粉末的微觀結構SEM 如圖2所示。圖2表明，碳納米管較好地分散在Al2O3-TiO2復合粉末中。

噴涂設備使用自行研發的多功能微弧等離子噴涂系統。噴涂試樣采用180 mm × 180 mm × 5 mm 的45#鋼板，試樣先進行除油、除銹、噴砂等預處理，然后進行等離子噴涂。噴涂粉末為碳納米管/Al2O3-TiO2復合粉末，復合涂層厚度分別為1.0、1.5 和2.0 mm。噴涂工作氣體使用Ar+N2混合氣，N2含量為10%，氣流量為20 L/min。送粉氣為N2，其流量為5 L/min，噴涂電流為250 A，噴涂距離為100 mm。

4.2 吸波涂層反射率的測試方法

反射率是表征材料吸波性能最重要的指標，它表示了吸波材料相對于金屬平板基體反射的大小。常用的測量吸波材料反射率的方法有弓型法、遠場RCS 法、空間樣板平移法等。根據GJB 2038-1994《雷達吸波材料反射率測試方法》，采用“RAM 反射率弓形測量法”進行測試。弓形法是20 世紀40年代美國海軍研究實驗室(NRL)發明的，是目前國際應用最廣泛的吸波材料評價方法。其測試系統如圖3所示。

圖3 RAM 反射率弓形測量法示意圖 Figure 3 Schematic diagram of arch method for measuring RAM reflectivity

發射與接收天線安裝在被測樣板上方的弓型架上，被測樣板放置在弓型架的圓心。通過改變天線在弓型架上的位置，即可測出不同入射角的被測樣板的反射率[6]。測試使用惠普公司的HP8360L 型掃頻儀，發射頻率范圍10 MHz ～ 26.5 GHz，使用HP8510B 型網絡分析儀系統對涂層的反射率進行測試。弓形法測試頻段范圍為2 ～ 18 GHz。

4.3 碳納米管/納米Al2O3-TiO2 復合涂層的吸波性能

為了研究碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合材料的吸波性能，采用微弧等離子噴涂在180 mm × 180 mm × 5 mm的45#鋼板試樣上，制備厚度分別為1.0、1.5 和2.0 mm的碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合吸波涂層，測試了其在2 ～ 18 GHz 波段內的反射率，如圖4所示。

圖4 不同厚度碳納米管/納米Al2O3-TiO2 復合涂層的反射率 Figure 4 Reflectivity of carbon nanotube/nano-Al2O3-TiO2 composite coatings with different thickness

由圖4可知，當復合吸波涂層的厚度為1.0 mm 時，吸波效果較差，反射率均大于-5 dB。當厚度增加到1.5 mm 時，復合涂層的吸波能力有較大提高，最小反射率為-22.14 dB，其諧振頻率為15.36 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的頻帶寬分別為6.24 GHz 和4.00 GHz。當厚度為2.0 mm 時，最小反射率為-19.03 dB，其諧振頻率為10.48 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的頻帶寬分別為5.00 GHz 和2.30 GHz。當涂層厚度為1.0 mm和2.0 mm 時，碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合吸波涂層的反射率峰值先增大后減小，其諧振頻率不斷向低頻移動，而反射率小于-5 dB 和-10 dB 的頻帶寬不斷增加。

5 結論

(1) 采用逆變技術、軟開關技術和智能控制技術，設計了多功能微弧等離子噴涂逆變電源。該電源具有等離子噴涂、等離子淬火以及焊接等多種功能，并實現等離子噴涂電源的小型化、輕量化和智能化。通過對等離子噴槍噴嘴、送粉方式以及氣室結構設計，成功研制了多功能微弧等離子噴槍，實現了在低功率條件下制備性能優異的涂層。

(2) 應用多功能微弧等離子噴涂系統制備了碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合涂層。吸波性能研究結果表明，隨著涂層厚度的增加，復合吸波涂層的反射率峰值先增大后減小，諧振頻率不斷向低頻移動，而反射率小于-5 dB 和-10 dB 的頻帶寬不斷增加。

(3) 厚度為1.5 mm 時，碳納米管/納米Al2O3-TiO2復合涂層的吸波能力最佳，最小反射率為-22.14 dB，諧振頻率為15.36 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的頻帶寬分別為6.24 GHz 和4.00 GHz。

[1]戴達煌,周克崧,袁鎮海.現代材料表面技術科學[M].北京: 冶金工業出版社,2004: 130.

[2]徐濱士,劉世參.表面工程[M].北京: 機械工業出版社,2000: 113.

[3]汪劉應,王漢功,華紹春,等.多功能微弧等離子噴涂技術[J].焊接學報,2006,27 (2): 81-84,88.

[4]周志敏,周紀海,紀愛華.逆變電源實用技術──設計與應用[M].北京: 中國電力出版社,2005: 98.

[5]李德元,趙文珍,董曉強,等.等離子技術在材料加工中的應用[M].北京: 機械工業出版社,2005: 122.

[6]邢麗英.隱身材料[M].北京: 化學工業出版社,2004: 176.