等离子物理气相沉积设备研究及发展现状

刘刚

摘 要：在表面工程的领域中，非常重要内容之一，就是热涂层技术，并且已经广泛的应用于许多领域内，发挥着非常关键的作用。等离子物理气象沉积，主要是以低压等离子喷涂作为基础，通过快速多相调控，并且在这个过程，应用相关的涂层制备技术，获得相关的结构涂层。本文主要针对等离子物理气象沉积展开详细的研究与分析，以及展望发展前景。

关键词：等离子物理气相沉积;设备研究;研究现状

1等离子物理气相沉积设备的相关概述

等离子涂层技术，最初是为大气等离子喷涂，主要是将粉末形状的喷涂材料，通过装入到高温等离子的射流中，粉末在不断高温的状态下，会将离子射流加热至熔融状态，然后再以凝固的方式，在零件的表面形成一种涂层的工艺方式。物理气相沉积技术，主要是在真空的状态下，通过相关物理方法的采用，将材料通过气化的方式，再通过低压气体，可以形成一种涂层的方式，在基体的表面进行沉积。基本原理主要在于真空环境下蒸发，然后在基体表面通过沉积的方式，形成涂层。等离子物理气象沉积设备中，主要包括等离子喷枪、送粉器、真空泵以及中央控制器等部件。在喷涂的过程中，主要是在控制器的作用下进行控制，等离子喷枪等其他部件，基本都处于超低压的密闭真空内，真空泵以及过滤除尘的系统，保持在连接的状态下，并且喷涂时，会在一定程度上保持真空度。

2等离子物理气相沉积设备介绍

2.1设备主要构造及工作过程

等离子物理气象沉积设备的工作环境，通常是处于一个真空的密闭罐体内，需要针对喷涂工艺的实施，提供一个良好的真空环境。在罐体的内部，一般会有很多个工位转台的设置，其中包括喷枪、机械手以及除尘接口等。设备的组成，同时还包括控制器、送粉器以及等离子电源、除尘装置等。设备的供电及运行，是在同一台计算的控制下统一进行的。在整个构造中，电源起到非常重要的作用。在等离子进行射流的过程中，不仅需要很多的能量，同时也需要稳定电流的输出与控制。三相交流电，在经过降压后，最后变成可控性好的平滑直流电。喷枪更主要是产生稳定等离子射流的部件，主要决定喷层的质量。主平台包括控制中心以及气体管理中心。工作时，将需要喷涂的工件，在工作台中进行固定，然后将罐体门关闭。用真空泵进行真空的抽离，达到真空条件之后，送粉器经过预热后，将喷涂材料输送进入，机械手完成喷涂工作。喷涂完成后，真空卸载，打开罐体之后，再将工件取出。整个过程，都是通过控制计算机的方式，来进行完成的[1]。

2.2研发设计及生产制造的关键问题

由于工艺需要在真空压力下进行，因此，针对设计真空罐体的密封，需要引起格外的重视。不仅对密封性要求极高，同时在承压能力方面，也需要达到可靠的效果，才能为工艺的操作奠定坚实的基础。因为等离子物理气相沉积技术，主要是瞬间气化喷涂的材料，并且形成表面的沉积，這就需要具有功率很大的喷枪，才能够完成相应的操作。通常电流的最大强度，可以达到3000A，功率也需要有180KW。因此，喷枪与电源，对于技术的实施来说，都是具有非常高的要求。同时，喷枪在长时间的大功率作业下，使用寿命也成为一项重要的指标。喷枪的稳定性，会对工艺的稳定性有着非常直接的影响。目前针对等离子物理气象沉积设备的稳定性，以及功率不能满足操作的问题，还没有非常好的解决方法，需要不断的进行相关内容的研究。解决大功率的直流电源，是目前需要研究的重要技术难题。按照国内现有的系统水平，还需要不断地将工艺的参数，以及研发能力进行逐步的提高，才能完成符合工艺标准的相应操作[2]。

3等离子物理气相沉积设备的展望

3.1发展趋势

通过前面针对工艺操作的难点分析，可以发现，以后研究等离子喷涂设备时，需要将电源的控制问题考虑在内。不仅需要将电源的功率进行大幅度的提高，同时也要让电源的体积得到有效的减小，虽然目前来看是非常矛盾的问题，但是随着我国科技的不断发展，相信在未来，可以向高效节能方面的方向，不断的努力发展。将整体结构进行不断的优化，也是未来发展的必然趋势。由于目前等离子物理气象沉积技术处于研发的初级阶段，针对工艺的可靠性，以及相关的成本问题，还没有得到有效的解决。但是通过大量的实验，以及未来针对生产设备的实际操作，作为研发的主要基础，喷涂工艺也会在工艺的实施中，逐步发现设计结构方面的问题，需要不断的针对结构进行优化与完善，将工艺的稳定性进行充分的提高，才能不断的适应社会的发展需求。为了在以后，将这种喷涂技术，应用于多方面的复杂零件中，并且可以大批量的投入生产，可以在保证涂层质量的基础上，将泵组的设计进行优化，并且将平台与机械手的设计，也同步进行优化，方便在以后的生产中，节省准备的时间，将生产的效率，进行大幅度的提升。另外，整个设备的运行系统，也需要随着科技的进步，而逐步的进行优化。由于这方面的优化内容，包含很多参数的监控，其中就含有压力控制、送料控制以及电流控制等内容。因此，针对这方面的优化，需要在技术条件成熟的情况下，才能集中的进行控制。针对粉末的稳定，以及气相沉积的快速，也是未来研究的关键内容[3]。

3.2应用前景

从目前的发展来看，等离子物理气象沉积技术的应用，主要是制备涂层，让相关的发动机的性能，以及使用寿命，得到一定程度的提升，同时在航天领域内，也有着非常广阔的应用前景。而且从其他的领域来看，还可以应用于新型的高温结构材料中。等离子物理气相沉积技术，在未来的应用领域，可以用于阻挡层的制备，可以保持致密性更加完好，并且有效的应对环境的侵蚀作用。随着探月计划的逐步实施，热障涂层也会随着航天器的使用，而广泛的应用于更多的领域内，同时这项技术的应用，可以让航天器的热端部件，保持良好性能的同时，将性能也可以得到大幅度的提升作用[4]。由于等离子物理气象沉积技术本身就带有低成本、高效率、以及隔热效果超级高的特点，因此在未来的发展中，可能会取代传统的制备技术。对于复杂零件的制备，需要应用高质量的涂层，才能将零件的性能得到充分的发挥，同时，这也是未来发展的重点内容。通过大量的实验，可以证明等离子喷涂技术的制备，可以让相关的零件得到更致密的性能，在承压方面也有着非常卓越的表现。未来的发展空间，可能会将等离子物理气象沉积技术，逐步的从高端化，向工业化不断的迈进，并且应用于更多领域内，将涂层纯度高，以及结合力强的优势，充分的发挥与应用。

结论：本文主要针对等离子物理气相沉积设备，进行了详细的研究与分析，针对目前发展的现状，展开了较为具体的论述，通过对等离子物理气相沉积技术的研究，可以将这项技术在未来的发展中，更好的应用于多个领域内，进行热障涂层的制备，不仅可以将零件的致密性得到充分的提高，并且可以将零件的性能得到良好的提升。

参考文献：

[1]苏育民， 王伟平， 何箐.等离子物理气相沉积设备研究及发展现状[J].热加工工艺， 2018， v.47;No.500（22）：29-34.

[2]邓春明， 肖娟， 曹家旭，等.等离子喷涂-物理气相沉积稀土高温功能涂层研究进展[J].材料研究与应用， 2019， 013（003）：247-251，256.

[3]邓子谦， 殷建安， 刘敏，等.等离子喷涂-物理气相沉积用YSZ粉末制备及涂层表征[J].湘潭大学学报（自然科学版）， 2019， v.41;No.155（06）：56-64.

[4]李荣久、邓畅光、胡永俊、邓子谦、毛杰.等离子喷涂-物理气相沉积热障涂层的表征技术研究进展[J].表面技术， 2020， v.49（11）：133-149.