低压等离子喷涂

低压等离子喷涂

低压等离子喷涂（low pressure plasma spraying,简称LPPS）又称真空等离子喷涂（VPS）是将等离子喷涂工艺在低压保护性气氛中进行操作，从而获得成分不受污染，结合强度高，涂层致密的一种工艺方法。从20世纪70年代末、80年代初开始在工业上推广应用。

低压等离子喷涂是将等离子喷枪、工件及其运转机械置于低真空或选定的可控气氛的密闭室里，在室外控制喷涂过程，通过真空和过滤系统，保持真空室一定的真空度。当等离子射流进入低真空环境，其形态和特性都将发生变化，主要特点如下：

科普知识：低压等离子喷涂

1. 涂层性能优异

低压等离子喷涂涂层结合强度高，涂层十分致密，气孔率极低，无氧化物夹杂，涂层应力小，硬度高，韧性好，具有优异的综合性能。

2. 沉积速率高

低压等离子喷涂涂层的质量完全可以与电子束-物理气相沉积（EB-PVD）涂层相比，但其沉积速度快，为后者的2~3个数量级。例如，在25.6 cm2的透平机叶片上，低压等离子喷涂CoCrAlY涂层的沉积速率可达到260 µm/min，而物理气相沉积的沉积速率为4~50µm/min。

3. 操作条件好

真空室中喷涂，高噪声被隔离，粉尘被密闭处理，操作条件好。

4. 喷涂距离对涂层性能的影响小

由于低压等离子喷涂时射束很长，飞行粒子处于高热能和高动能状态的时间长，因而喷嘴口与基体之间的喷距的一些变化对涂层性能的影响很小，这使得低压等离子喷涂很适合于喷涂复杂形状、曲面工件，如喷涂燃气轮机叶片，可获得均匀的优质涂层。

5. 基体预热温度高

由于真空和惰性气体保护的双重作用，工件基体在不发生变形或组织变化的情况下，可以允许较高的预热温度。这样，一是可以使涂层颗粒与基体的温差减小，减慢涂层的冷却速度，从而减小热应力，使涂层不易产生裂纹；二是能使熔融颗粒喷射到工件表面时，能充分地变形、润湿铺散、排除气体，形成致密涂层，使涂层气孔率低于1％；三是基体预热温度升高，使基体表面处于更好的活化状态，有利于提高涂层与基体的结合强度。

6. 可进行自净化表面预处理

低压等离子喷涂前，通过自动控制系统，采用转移弧引弧，即引弧时将工件基体接电源负极，使电子从工件表面逸出，形成清洁、活化的表面。使工件不需要机械粗化或喷砂处理，就能与喷涂熔滴达到良好的结合性能。

7. 金属粒子几乎无氧化

真空室中含氧量低，特别是充入高纯度惰性气体后，含氧量非常低。在低压室中喷涂的涂层基本不含氧化物夹杂，涂层清洁，使涂层颗粒之间的粘结强度大大提高，涂层致密。因此，低压等离子喷涂适合喷涂含易氧化组分的高温合金（如MCrAlY）、易燃烧金属（Mg、Ti、Li、Na和Zr等）、有毒性金属（如Be及其合金）以及易氧化的碳化物类金属陶瓷材料。

8. 粒子速度高

由于真空室的压力低，等离子气流的速度可以增加至3~4马赫。且粉末颗粒在低压室中的飞行阻力大大减小，所以粉末颗粒的飞行速度高，具有很高的动能。

9. 等离子射流束长，粒子受热充分

由于真空的作用，等离子射流在真空室中飞行阻力大大减小，从而拉长了等离子射束的长度，从常压下弧束长度约4~5 cm拉长到40~50 cm，使粉末颗粒在弧束中的停留时间显著增加，有利于粉末颗粒的充分受热和熔化，使喷涂颗粒具有较高的热能。

低压等离子喷涂的主要缺点如下：

（1）低气压等离子射流的加热效率降低，热焓值较低，不易喷涂高熔点材料。

（2）工件尺寸受真空室限制。

（3）设备昂贵，一次性投资高。

一台全自动的低压等离子喷涂设备售价高达一百多万美元，因此，它主要用于宇航等尖端工业的关键部件喷涂，如燃气轮机部件、火箭喷管等。

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