等離子物理氣相沉積設備研究及發展現狀

劉剛

摘 要：在表面工程的領域中，非常重要內容之一，就是熱涂層技術，并且已經廣泛的應用于許多領域內，發揮著非常關鍵的作用。等離子物理氣象沉積，主要是以低壓等離子噴涂作為基礎，通過快速多相調控，并且在這個過程，應用相關的涂層制備技術，獲得相關的結構涂層。本文主要針對等離子物理氣象沉積展開詳細的研究與分析，以及展望發展前景。

關鍵詞：等離子物理氣相沉積;設備研究;研究現狀

1等離子物理氣相沉積設備的相關概述

等離子涂層技術，最初是為大氣等離子噴涂，主要是將粉末形狀的噴涂材料，通過裝入到高溫等離子的射流中，粉末在不斷高溫的狀態下，會將離子射流加熱至熔融狀態，然后再以凝固的方式，在零件的表面形成一種涂層的工藝方式。物理氣相沉積技術，主要是在真空的狀態下，通過相關物理方法的采用，將材料通過氣化的方式，再通過低壓氣體，可以形成一種涂層的方式，在基體的表面進行沉積。基本原理主要在于真空環境下蒸發，然后在基體表面通過沉積的方式，形成涂層。等離子物理氣象沉積設備中，主要包括等離子噴槍、送粉器、真空泵以及中央控制器等部件。在噴涂的過程中，主要是在控制器的作用下進行控制，等離子噴槍等其他部件，基本都處于超低壓的密閉真空內，真空泵以及過濾除塵的系統，保持在連接的狀態下，并且噴涂時，會在一定程度上保持真空度。

2等離子物理氣相沉積設備介紹

2.1設備主要構造及工作過程

等離子物理氣象沉積設備的工作環境，通常是處于一個真空的密閉罐體內，需要針對噴涂工藝的實施，提供一個良好的真空環境。在罐體的內部，一般會有很多個工位轉臺的設置，其中包括噴槍、機械手以及除塵接口等。設備的組成，同時還包括控制器、送粉器以及等離子電源、除塵裝置等。設備的供電及運行，是在同一臺計算的控制下統一進行的。在整個構造中，電源起到非常重要的作用。在等離子進行射流的過程中，不僅需要很多的能量，同時也需要穩定電流的輸出與控制。三相交流電，在經過降壓后，最后變成可控性好的平滑直流電。噴槍更主要是產生穩定等離子射流的部件，主要決定噴層的質量。主平臺包括控制中心以及氣體管理中心。工作時，將需要噴涂的工件，在工作臺中進行固定，然后將罐體門關閉。用真空泵進行真空的抽離，達到真空條件之后，送粉器經過預熱后，將噴涂材料輸送進入，機械手完成噴涂工作。噴涂完成后，真空卸載，打開罐體之后，再將工件取出。整個過程，都是通過控制計算機的方式，來進行完成的[1]。

2.2研發設計及生產制造的關鍵問題

由于工藝需要在真空壓力下進行，因此，針對設計真空罐體的密封，需要引起格外的重視。不僅對密封性要求極高，同時在承壓能力方面，也需要達到可靠的效果，才能為工藝的操作奠定堅實的基礎。因為等離子物理氣相沉積技術，主要是瞬間氣化噴涂的材料，并且形成表面的沉積，這就需要具有功率很大的噴槍，才能夠完成相應的操作。通常電流的最大強度，可以達到3000A，功率也需要有180KW。因此，噴槍與電源，對于技術的實施來說，都是具有非常高的要求。同時，噴槍在長時間的大功率作業下，使用壽命也成為一項重要的指標。噴槍的穩定性，會對工藝的穩定性有著非常直接的影響。目前針對等離子物理氣象沉積設備的穩定性，以及功率不能滿足操作的問題，還沒有非常好的解決方法，需要不斷的進行相關內容的研究。解決大功率的直流電源，是目前需要研究的重要技術難題。按照國內現有的系統水平，還需要不斷地將工藝的參數，以及研發能力進行逐步的提高，才能完成符合工藝標準的相應操作[2]。

3等離子物理氣相沉積設備的展望

3.1發展趨勢

通過前面針對工藝操作的難點分析，可以發現，以后研究等離子噴涂設備時，需要將電源的控制問題考慮在內。不僅需要將電源的功率進行大幅度的提高，同時也要讓電源的體積得到有效的減小，雖然目前來看是非常矛盾的問題，但是隨著我國科技的不斷發展，相信在未來，可以向高效節能方面的方向，不斷的努力發展。將整體結構進行不斷的優化，也是未來發展的必然趨勢。由于目前等離子物理氣象沉積技術處于研發的初級階段，針對工藝的可靠性，以及相關的成本問題，還沒有得到有效的解決。但是通過大量的實驗，以及未來針對生產設備的實際操作，作為研發的主要基礎，噴涂工藝也會在工藝的實施中，逐步發現設計結構方面的問題，需要不斷的針對結構進行優化與完善，將工藝的穩定性進行充分的提高，才能不斷的適應社會的發展需求。為了在以后，將這種噴涂技術，應用于多方面的復雜零件中，并且可以大批量的投入生產，可以在保證涂層質量的基礎上，將泵組的設計進行優化，并且將平臺與機械手的設計，也同步進行優化，方便在以后的生產中，節省準備的時間，將生產的效率，進行大幅度的提升。另外，整個設備的運行系統，也需要隨著科技的進步，而逐步的進行優化。由于這方面的優化內容，包含很多參數的監控，其中就含有壓力控制、送料控制以及電流控制等內容。因此，針對這方面的優化，需要在技術條件成熟的情況下，才能集中的進行控制。針對粉末的穩定，以及氣相沉積的快速，也是未來研究的關鍵內容[3]。

3.2應用前景

從目前的發展來看，等離子物理氣象沉積技術的應用，主要是制備涂層，讓相關的發動機的性能，以及使用壽命，得到一定程度的提升，同時在航天領域內，也有著非常廣闊的應用前景。而且從其他的領域來看，還可以應用于新型的高溫結構材料中。等離子物理氣相沉積技術，在未來的應用領域，可以用于阻擋層的制備，可以保持致密性更加完好，并且有效的應對環境的侵蝕作用。隨著探月計劃的逐步實施，熱障涂層也會隨著航天器的使用，而廣泛的應用于更多的領域內，同時這項技術的應用，可以讓航天器的熱端部件，保持良好性能的同時，將性能也可以得到大幅度的提升作用[4]。由于等離子物理氣象沉積技術本身就帶有低成本、高效率、以及隔熱效果超級高的特點，因此在未來的發展中，可能會取代傳統的制備技術。對于復雜零件的制備，需要應用高質量的涂層，才能將零件的性能得到充分的發揮，同時，這也是未來發展的重點內容。通過大量的實驗，可以證明等離子噴涂技術的制備，可以讓相關的零件得到更致密的性能，在承壓方面也有著非常卓越的表現。未來的發展空間，可能會將等離子物理氣象沉積技術，逐步的從高端化，向工業化不斷的邁進，并且應用于更多領域內，將涂層純度高，以及結合力強的優勢，充分的發揮與應用。

結論：本文主要針對等離子物理氣相沉積設備，進行了詳細的研究與分析，針對目前發展的現狀，展開了較為具體的論述，通過對等離子物理氣相沉積技術的研究，可以將這項技術在未來的發展中，更好的應用于多個領域內，進行熱障涂層的制備，不僅可以將零件的致密性得到充分的提高，并且可以將零件的性能得到良好的提升。

參考文獻：

[1]蘇育民， 王偉平， 何箐.等離子物理氣相沉積設備研究及發展現狀[J].熱加工工藝， 2018， v.47;No.500（22）：29-34.

[2]鄧春明， 肖娟， 曹家旭，等.等離子噴涂-物理氣相沉積稀土高溫功能涂層研究進展[J].材料研究與應用， 2019， 013（003）：247-251，256.

[3]鄧子謙， 殷建安， 劉敏，等.等離子噴涂-物理氣相沉積用YSZ粉末制備及涂層表征[J].湘潭大學學報（自然科學版）， 2019， v.41;No.155（06）：56-64.

[4]李榮久、鄧暢光、胡永俊、鄧子謙、毛杰.等離子噴涂-物理氣相沉積熱障涂層的表征技術研究進展[J].表面技術， 2020， v.49（11）：133-149.