（福州大学材料科学与工程学院，福州
350002）
摘 要：从等离子喷涂设备、等离子喷涂过程中的测量技术及等离子喷涂技术的应用等几个方面综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况，指出了等离子喷涂技术的发展方向。
等离子喷涂属于热喷涂技术，它是将粉末材料送入等离子体（射频放电）中或等离子射流（直流电弧）中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高，制备的涂层质量好，喷涂的材料范围广，成本低等优点。因此，近几十年来，其技术进步和生产应用发展很快，己成为热喷涂技术的最重要组成部分。表1列出了各种热喷涂方法的应用和发展情况。本文着重就近年来等离子喷涂技术在喷涂设备、喷涂测量技术及其应用等方面的研究现状与发展概况进行深入探讨。
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。
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。
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。
随着等离子喷涂技术的深入发展，对涂层性能和质量实时控制的要求愈加迫切。这就需要不断研究新的测量技术，对等离子喷涂工艺过程进行在线诊断，并对工艺参数与涂层性能之间的关系进行有效的推测。
等离子射流温度可通过发射光谱（8000＜T＜14000 K时，主要来自原子谱线），瑞利散射（Rayleigh scattering）（T＜10000或16000K时，取决于分辨率）和相干反斯托克斯喇曼干涉光谱（CARS）（T＜10000K时）来表征。与质谱仪耦合的热焓探针可以测量气体的热焓，进而得到等离子气体的温度，但这种方法是侵入式的，测得的温度是Favre平均温度，与光谱测得的时间平均温度不同。
在等离子核心，直流电弧等离子射流的速度可以使用光学方法测得，其依据是电弧根波动导致光波动传播，而在等离子焰中,可以利用与质谱仪耦合的热焓探针测量。
直流等离子射流的瞬态行为通常借助于快速摄影机来研究：摄影机可以是快门时间非常短（小于10-5s）并带有运动分析器的简易数码视频摄影机、带激光闪光灯的数码或视频摄影机。
等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此，几年来，发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。一般，粉末颗粒温度的确定基于测量粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪（laser Doppler velocimetry）或过境计时技术（transit timing technique）测得。在后一技术中，速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出，或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。这些方法大部分是单颗粒法（single particle method），颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。但是，有些方法可以认为是“颗粒群技术（ensemble techniques）”，因为这些技术同时测量大量颗粒的性能，并直接得到这些参数的平均值。到目前为止，这些颗粒群技术还只能提供粉末颗粒温度的信息，但最近已开发了一种可以测粉末颗粒速度的颗粒群技术。
成像技术也可以用来探测粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置，以及炽热颗粒的密度，或者根据光信号的强度确定粉末颗粒温度和尺寸，使用双曝光技术确定速度。该测量设备中激光的引入能够测定“冷”颗粒的数量以及尺寸和速度。
一些商业化的技术现在可以用于生产环境，进行喷涂工艺的在线控制。这些技术通常以颗粒的热辐射测量为基础，并不使用其他附加光源，可以测量颗粒的速度、温度及尺寸分布。
为制备性能可严格控制并具有重现性的涂层，要求充分地了解粉末熔滴撞击基底表面后发生的现象。在层片形成和涂层堆积的理解方面，已经取得了很大的进展，出现了很多测量技术。
得到有关层片形成信息的最简单方法是使用光学显微镜、扫描电镜或原子力显微镜观察基底上的孤立层片。层片的几何形状也可以用表面轮廓测定仪测量。透过这样的观察，能够研究基底表面的具体准备情况（化学成分和粗糙度）及其温度对层片几何形状的影响。然而，这样的研究并没有全面理解层片形成过程中涉及的撞击过程和凝固现象，而这些恰恰是控制涂层形成的关键。为此，就要求确定单个粉末颗粒在撞击前的尺寸、温度和速度，并跟踪该熔滴在基底上的铺展过程和温度随时间的变化关系。近来，基于探测粉末发射的热辐射开发了两种技术。第一种是使用聚焦到基底上的高温计来测量粉末颗粒撞击前的参数，并测定粉末颗粒在基底上铺展和冷却过程中的温度演化。第二种技术由聚焦于基底的高温计和相阵多谱勒粉末颗粒分析仪组成。相阵多谱勒粉末颗粒分析仪能够独立于其温度而测量粉末颗粒的速度、尺寸，而粉末颗粒在撞击前和撞击过程的温度用双波长光学高温计测量。这些技术能够估测撞击粉末颗粒的铺展时间、铺展度ξ（层片直径与原始颗粒直径之比）以及冷却速率。热喷涂粉末颗粒冲击过程可视化的成像设备也在发展中。
喷涂涂层除了经典的表征方法：气孔率、粘着力、杨氏模量、残余应力，已经发展了在涂层形成过程中在线跟踪某些参数的几种方法，如：利用红外高温计可以监测涂层和基底的表面温度；利用声发射分析（AES）对喷枪位置关系的信号进行详细分析能够很容易确定喷涂一道的开始和结束，甚至对诸如微裂纹形成，反弹或剥落产生的能量释放进行跟踪；使用力学传感器或带有CCD摄象机的激光束，基于在喷涂过程中连续测量矩形条状试样的曲率（弯曲度）和位移，可以对喷涂涂层形成过程中的应力演化进行测定。
等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪50 年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。
Zhu 等采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co 涂层。发现涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善，在40～60 N 载荷下，纳米WC/ Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/ 6。Connecticut 大学等对等离子喷涂纳米结构Al2O3-TiO2 系涂层进行了系统的研究，包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比，结合强度增强100 %，磨粒磨损抗力提高300 %，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2 的结构变化和粒子注入特性。研究发现，TiO2 纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构。涂层表现出良好的Li + 注入电流和电化学稳定性。陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层。获得的涂层结构致密，孔隙率约为7%，涂层和基体间的结合强度为45 MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。
等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和性能评价三个方面。由于等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层，这就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以NiCrAlY作为中间层向金属上涂覆ZrO2 涂层成为大多数等离子喷涂FGMs 结构研究的热点，已建立起很好的制备工艺。另外，已被研究的其他它体系还包括：Cu/W 和Cu/B4C、与Al2O3-Cr2O3 结合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂层的Ni-20 %Cr、Ni/Al2O3、WC/Co 等。K. A. Khor 等人对YSZ/ NiCoCrAlY体系的研究表明，与传统的双层材料相比，功能梯度涂层具有更优异的性能。得到的FGM涂层的结合强度为18 MPa，双层涂层仅为9 MPa，而涂层的抗热循环寿命FGM涂层是双层涂层的6倍。Sudarshan Rangaraj 等设计了五种不同成分的YSZ 梯度涂层，研究了涂层设计对YSZ 涂层性能的影响，结果表明莫来石（mullite）成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。
等离子喷涂弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，不需要保护气氛，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7- x (YBCO) 和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一种典型的超导材料，临界温度为94 K。等离子喷涂的YBCO 涂层由于喷涂过程中材料的氧损失，涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性，使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理，使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构，才能获得超导性。YBCO 涂层的热处理条件为920℃×1 h，降至400℃再保温1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷从高温急冷或淬冷后，它会产生超导态。这一特性对等离子喷涂具有特别的意义，因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达106℃/ s的急冷冷却速率，只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。
等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面，形成以韧性金属为骨架，表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节，此方法充分发挥了金属和陶瓷两类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石（HA）涂层和钛涂层的研究报导较多，并成功地应用于临床试验。羟基磷灰石涂层对生物体无毒，耐体液腐蚀，且对生物体组织有良好的适应性和亲和性，耐长期运动过程中的磨损，有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性，并且与组织结合良好，与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用，这些涂层既利用了不锈钢的强度，又利用了钛涂层的生物相容性，防止不锈钢中有毒元素的释放。我国的上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展。
等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105～106 K/s，这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂Fe基非晶合金粉末（含Si、B、Cr、Ni 等）制备的高非晶含量的Fe基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度在HV0.1700～950内，结合强度在27 MPa以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作。另外大气等离喷涂技术在制备固体氧化物燃料电池（SOFC）方面也有相关的研究和报道。
等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术，在近代工业中地位越来越重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不断扩展，但仍存在许多问题需要解决，有以下几方面的发展趋势或方向：
（1）研制全方位微电脑控制的高能、高速、高焓的新型等离子喷涂设备。深入研究探索新的诊断技术，利用现代测试技术，探索应用神经网络和模糊控制策略，实现等离子喷涂过程的智能控制，完善喷涂过程的实时诊断。
（2）合理选择喷涂工艺，优化工艺参数，改善粉末受热和熔化状态，减少环境对高温粒子的污染和氧化，从而形成性能优异的涂层。利用激光、超声波等现代技术，研究并应用复合工艺，使涂层结构更趋完善。
（3）进一步研究涂层的形成机理、孔隙形成机理，寻求消除或减少孔隙率的方法，以及研究涂层与基体的结合机理等，提高涂层结合强度。
（4）等离子弧或等离子火焰产生时，发出强烈的噪声损伤操作人员听觉器官，并辐射出红外、紫外线等，对人眼、皮肤伤害极大。因此，需研究开发出能有效防止光辐射、高噪音、有害衍生气体、粉尘及有害物质的新型等离子喷涂机，从而从根本上改善工作环境。
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