等离子三维移动喷涂机设计第一章 前言1．1等离子三维移动喷涂机的概述1．1．1等离子体的基本概念 是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯首次将“等离子体”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子其实，人们对等离子体现象并不生疏在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。
分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大一般情况下，把等离子体分为低温等离子体和高温等离子体通常把电离度小于0.1%的气体称为弱电离气体，把此气体电离后的物质也叫低温等离子体把电离度大于0.1%的气体称为完全电离气体，把此气体电离后的物质物质叫高温等离子体低温等离子体中电子和分子或原子类粒子具有不同的温度，其中电子温度可达10000K以上，而其分子和中性类粒子的温度可低至300K-----500K，从而使得整体温度较低，故称为低温等离子体普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。
电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代1.1.2 喷涂 喷涂通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法可分为空气喷涂、无空气喷涂、静电喷涂以及上述基本喷涂形式的各种派生的方式，如大流量低压力雾化喷涂、热喷涂、自动喷涂、多组喷涂等 喷涂作业生产效率高，适用于手工作业及工业自动化生产，应用范围广主要有五金、塑胶、家私、军工、船舶等领域，是现今应用最普遍的一种涂装方式；喷涂作业需要环境要求有百万级到百级的无尘车间，喷涂设备有喷枪，喷漆室，供漆室，固化炉/烘干炉，喷涂工件输送作业设备，消雾及废水，废气处理设备等喷涂中的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，不利于人体健康，又浪费涂料，造成经济损失大流量低压力雾化喷涂是低的雾化气压和低空气射流速度，低的雾化涂料运行速度改善了涂料从被涂物表面反弹出来的情况。
使上漆率从普通空气喷涂的30%～40%，提高到了65%～85%在轻革涂饰中用喷枪或喷浆机将涂饰喷于革面上1.1.3 等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能 等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法 等离子喷涂亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法 为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温，需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到部件上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，大大提高喷涂质量近期深圳市研创精密设备有限公司推出了等离子体表面处理机，它由等离子发生器，气体输送管路及等离子喷头等部分组成，等离子发生器产生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生低温等离子体，等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。
处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件通过低温等离子体表面处理，材料面发生多种的物理、化学变化表面得到了清洁，去除了碳化氢类污物，如油脂，辅助添加剂等，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团（羟基、羧基），这些基因对各类涂敷材料具有促进其粘合的作用，在粘合和油漆应用时得到了优化在同样效果下，应用等离子体处理表面可以得到非常薄的高张力涂层表面，有利于粘结、涂覆和印刷不需其他机器、化学处理等强烈作用成份来增加粘合性其主要特点是1、喷涂过程对基体的热影响小,零件无变形，不改变基体金属的热处理性质2、可供等离子喷涂用的材料非常广泛，可以得到多种性能的喷涂层3、工艺稳定，涂层质量高4、涂层平整光滑,可精确控制厚度等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
1.2 等离子喷涂的起源与发展史19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆孙、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，等离子体实验研究由此起步到了1879年英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”名词描述了气体放电管中的电离气体1928年，美国的I.朗缪尔引入等离子体这个名词，等离子体物理学才正式问世之后科学家又进一步的进行探索与研究上世纪五十年代，一些发达国家的军工科研机构开始研究等离子喷涂，由于等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高（40～80MPa），孔隙率小于 5％，在军工部门得到广泛应用，在之后的几年内，等离子喷涂技术逐渐运用到民用产品离子喷涂也得到飞速的发展，其在热喷涂的份额由1960年的15％，到1980年的55％，再到2000年的48％t13】热喷涂设备、方法和材料发展历史见图1．1等离子喷涂是以等离子焰流为熟源，将粉末涂层材料快速加热熔化并从喷涂枪喷出后，在高速气流作用下喷散成雾状细粒，喷射到工件表面，被撞扁的颗粒就镶嵌在工件的表面喷涂装置的研究始终是等离子喷涂技术的研究热点从上世纪80 年代起，随着计算机、机器人、传感器、激光等先进技术的发展，等离子喷涂设备的功能也得到了不断的强化。
目前，国内外先进的等离子喷涂设备正向轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术、喷涂功率两极分化（小功率或大功率）的方向发展表1-1主要喷涂方法的应用比例加拿大Mettech 公司开发出的Axial III 三阴极轴向送粉等离子喷涂系统,是目前国际上获得成功商业应用的轴向送粉等离子喷涂设备与传统的枪外送粉等离子喷涂设备相比,Axial III 沉积效率高、送粉速率高、孔隙率低、获得的涂层硬度高,且对粉末粒度分布要求不高Sulzer Metco 公司的Multicoat 等离子喷涂系统第一次将PC 计算机的先进性(过程再现、数据管理) 和PLC 的稳固性结合起来Multicoat等离子喷涂系统可以进行大气等离子喷涂(APS) 、真空等离子喷涂(VPS) 和超音速火焰喷涂(HVOF) 喷涂的涂层质量高、重现性好、能自动记录打印喷涂参数、自动报警和处理操作事故,是目前多功能集成等离子喷涂系统的代表PRAXAIR - TAFA 公司开发的5500 - 2000 等离子喷涂系统则是实时控制技术的代表,它采用专有软件“实时”控制和监测等离子弧的实际能量,使等离子喷涂系统的闭环控制提高到一个新的水平。
此外,国外对小功率等离子喷涂设备的研究主要集中在枪内送粉(包括轴向和径向) 和层流等离子喷涂方面俄罗斯航空工艺研究院对层流等离子射流及其喷涂工艺已进行了多年研究,工艺已较成熟,并已在航空领域得到应用大功率等离子喷涂系统目前比较成功的是PRAXAIR - TAFA公司的PlazJet ,其喷枪功率可以达到200 kW随着绿色制造业的兴起，等离子喷涂技术作为主要的热喷涂技术发挥着日益重要的作用，国内外的厂家也抓住时机，正在进行着新设备的研发当前国外先进等离子喷涂设备主要向高能、高速、真空方向发展,同时在轴向送粉技术、液体给料、多功能集成技术和实时控制技术等方面也取得了进展现在已经逐渐走向工业化、相对技术比较成熟的等离子设备主要包括：超音速等离子喷涂、三阴极等离子喷涂等现今等离子喷涂技术的研究热点主要为纳米涂层的制备、等离子喷涂成形和特种功能涂层的制备我国从上世纪70年代引进美国Metco公司等离子喷涂装置起，开始了对等离子喷涂技术的研究与应用，与国外的先进水平相比，还有较大的差距目前，从事等离子喷涂技术研究的机构有北京航空制造工程研究所（625所）、武汉材料保护研究所、华南理工大学、北京矿冶研究总院和广州有色金属研究院等。
北京航空制造工程研究所（625所）研制的APS-2000 型等离子喷涂设备采用了许多新技术，总体性能达到国外二十世纪九十年代水准，代表了目前国产等离子喷涂设备的最高水平由航天科技集团公司703所研制成功的HT-200 型超音速等离子喷涂设备额定使用功率为200 kW，填补了我国在研制生产大功率等离子喷涂设备方面的空白目前，在小功率喷涂设备方面，北京航空制造工程研究所（625所）也正在开展层流等离子喷涂设备的研制1.4 等离子喷涂原理与特性等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源, 将欲喷涂粉末材料加热到熔融或半熔融状态，在经过高速焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面，形成喷涂涂层的一种热喷涂表面加工方法其喷涂原理是通过等离子喷枪(又称等离子弧发生器)产生等离子焰流喷枪的钨电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接电源负极和正极，通过高频火花引燃电弧，使供给喷枪的工作气体(Ar或N2)在电弧的作用下电离成等离子体在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧送粉流输送粉末喷涂材料进人等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。
从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求在形成涂层过程中，单个熔融粒子为形成涂层的基本单位，其行为基本反映了涂层形成的特点单个粒子的行为包括三个基本过程：先是将喷涂材料送入热源的过程；接着是喷涂材。