涂层参数控制 烹调优质的热喷涂涂层

涂层参数配方

就像烤蛋糕一样，任何涂层都需要一个起始配方，以确保当涂层零部件从“烤箱”中出来时，很有可能得到你所期望的。对于热喷涂，通常的格式遵循喷涂参数表（右侧的表格显示了典型的APS示例）。

在这里，我们的想法是控制尽可能多的输入参数，以将可变性保持在最低限度。在这种情况下，参数表会调用要喷涂的材料、要使用的枪硬件和所需的系统输入参数。这些表格还提供了所得微观结构的标识。除了这种结构预期之外，很可能还需要满足一系列涂层性能。通常，这些将由内部或客户测试规范控制。

涂层参数 : Metco 204NS ZrO₂8Y₂O₃

起始原料：首先要考虑的涂层参数

APS和HVOF都使用粉末作为消耗品。根据粉末的化学成分和所需的涂层性能，可以使用多种方法制造粉末（见图2）。所使用的制造方法将对粉末密度、形态、相分布等产生影响，因此也会对所得涂层产生影响。

一旦制成，粉末的尺寸随后会根据所使用的工艺进行调整。图3显示了一系列粉末用料体系的典型尺寸。对于APS和HVOF，粉末随后可以进行优化，以生产具有特定性能的涂层。例如，如果需要低表面粗糙度的喷涂涂层，那么选择尺寸接近通常尺寸范围底端的粉末是明智的。当然，总有其他因素需要注意。在这种情况下，选择太细的材料可能会导致APS和HVOF工艺的硬件阻塞问题。

设置拨号盘

当然，APS和HVOF过程都是非常活跃的热力学系统。如果我们在任何时候都能产生40+千瓦的能量，那一定有充分的理由。快速计算表明，以750米/秒的速度在375毫米的喷涂距离内行进的HVOF粉末颗粒在离开枪管末端后，到撞击基材所需的时间不足千分之一秒。因此，需要大量的能量（热和动能）来获得所需的涂层也就不足为奇了。

HVOF工艺依赖于燃料与氧气的燃烧来产生火焰温度和速度。需要调节送入喷枪的气体（和/或液体）量，以确保达到最佳燃烧效果。这种在受控公差范围内的调节通常是通过使用流量计（最新的是数字质量流量）来实现的。

为任何给定材料选择的参数不一定基于最高气体温度或完全（化学计量）燃烧。在许多情况下，它们是根据经验定义的，以获得所需的涂层性能。也就是说，一旦制定，就存在一些明确的规则，可用于修改喷涂条件。图10显示了HVOF-LF系统的典型流程图。在这里，我们可以看到流量和比率的变化如何影响火焰（以及颗粒）的温度和速度。

该图还显示了测量的HVOF气体燃烧压力的可用性。这个过程反馈值在提供系统健康数据方面非常有价值。适用于压力值的适当公差可以指示硬件堵塞或燃烧条件不正确的问题。一个关于即将出现的问题的有用警告！

转到APS，我们希望从我之前的一篇文章中知道，等离子体喷涂是一个电学过程，它的能量来自气体的电离。正如本文前面提到的，使用的气体量有助于定义粒子速度，而使用的气体类型决定了能量水平。

图11是一个历史上观察得很好的图表，但它确实很好地表明了APS工艺中使用的典型气体的能量水平。主气和次气的选择肯定会影响热量向粉末颗粒的传递，从而影响涂层性能和沉积效率。因此，例如，在沉积高熔点材料如钇稳定氧化锆（如Metco 204NS）时，您可以选择N2/H2（主气和次气，在喷涂热敏感材料如Co/WC（如Metco73F-NS-2）时，可以选择Ar/He。

回到图1中详细描述的参数表，您可以看到需要控制工艺气体流量和等离子体能级。后者主要围绕电功率定义，如前所述，以瓦特（通常为kW）为单位，计算为电流（A）乘以电压（V）。电压是电离过程的结果，是监测系统鲁棒性的良好反馈工具。对于传统的单电极APS系统来说尤其如此，因为随着耗材硬件的老化，电压（以及功率）往往会降低。级联等离子体系统（如SinplexPro和TriplexPro枪呈现的）的情况并非如此。

为了帮助控制APS过程，将定义的参数输入到过程控制器中，如MultiCoatPro Clarity用户界面提供的过程控制器中（见图12）。该界面与一系列（在许多情况下）闭环设备相连，这些设备将控制和维持设定参数在规定的公差范围内。

因此，这种类型的界面是我们传输客户或您友好的Metco联系人可能提供给我们的参数的主要工具。因此，从参数表传输的电流强度、主气和次气流量、载气流量和粉末进料速率的输入将提供对大量关键工艺变量的控制。最新的控制器提供了设置和监测公差的设施。报警警告是一个非常有用的功能，可以确保在可能影响涂层（并产生意想不到的成本）之前，对任何工艺偏差采取行动。

尽管如此，有了所有这些花哨的技术，仍然需要大量的注意力来选择合适的粉末，正确设置喷枪硬件，设置正确的喷涂距离等（以及考虑我没有时间提及的47个变量中的其余部分），以确保我们获得所需的涂层和所有所需的性能。

作者后记

我似乎记得有一次坐下来，面临着写下热喷涂过程中可能对所产生的沉积物产生重大影响的变量的心理挑战。大约两三分钟后，我总共达到了47种，我认为这已经足够进行第一次尝试了！

当然，这意味着在生产高质量涂层时需要考虑和控制许多因素。在我参与这一过程的38年里，我目睹了在提高鲁棒性的过程中取得的一些巨大进步：质量流量控制器、PC集成系统、诊断传感器等。这些都是了不起的东西，但由于热喷涂尚未进入数控加工领域，仍然需要手动干预，这意味着我开始从事这项业务时使用的一些关键技术在今天仍然非常重要。

在倒数第二篇文章中，我希望深入了解影响大气等离子体喷涂（APS）和高速氧燃料（HVOF）的变量的“配方”。虽然我很欣赏这些只是许多热喷涂工艺中的两种，但为了简短起见，最好还是专注于其中几种最受欢迎的工艺。