徐　　玄，顧進(jìn)躍，顧偉華，王躍明，熊　　翔，解　　路

（1.深圳市威勒達(dá)科技開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518048；2.中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083）

等離子噴涂成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)展

徐玄1，顧進(jìn)躍1，顧偉華1，王躍明2，熊翔2，解路2

（1.深圳市威勒達(dá)科技開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518048；2.中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083）

等離子噴涂成形（PSF）由于熱源溫度高、焰流速度快，非常適合高熔點(diǎn)高硬度材料的近凈成形，近年來得到廣泛關(guān)注和發(fā)展。文章綜述了PSF技術(shù)中的噴涂粉末制備、芯模制備和處理、噴涂過程和后處理四個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了PSF技術(shù)在制備薄壁零部件、快速模具和某些特征材料方面的應(yīng)用進(jìn)展。在PSF研究領(lǐng)域，各國更多地注重應(yīng)用研究，在其基礎(chǔ)理論方面有所欠缺，還沒有形成一套公認(rèn)的理論體系；后續(xù)研究應(yīng)在進(jìn)一步分析粉末熔融、飛行和撞擊各階段的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，深入探究噴涂過程的物理本質(zhì)，綜合考慮制粉、芯模和后處理等工序，以求建立一套噴涂參數(shù)-制件性能關(guān)系理論，用以指導(dǎo)PSF實(shí)踐。

等離子噴涂成形（PSF）；噴涂粉末；制備；芯模；處理

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的發(fā)展，各種形狀復(fù)雜的高硬度、高熔點(diǎn)金屬和陶瓷材料制品不斷涌現(xiàn)。就目前技術(shù)水平而言，這些高熔點(diǎn)材料構(gòu)件很難通過傳統(tǒng)的方法制備。材料科學(xué)的發(fā)展迫切需要新的成形與加工手段跟進(jìn)，近年來，等離子噴涂成形技術(shù)（PSF）因其噴射溫度高、速度快、易于實(shí)現(xiàn)短流程精密近凈成形的特點(diǎn)而得到迅速發(fā)展［1］。目前，已經(jīng)發(fā)展成為一門包括粉末制備、芯模制造、等離子噴涂沉積、脫模和后續(xù)處理等工序的綜合工程技術(shù)［2］。

本文介紹了PSF技術(shù)的原理，綜述了噴涂粉末、芯模、噴涂過程和后處理幾方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并敘述了PSF在制備薄壁零部件、快速模具和特征材料方面的應(yīng)用。

1　　等離子噴涂成形的研究

等離子噴涂［3］是以非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，噴涂材料為粉末的熱噴涂方法。等離子噴涂成形是一種采用等離子噴涂技術(shù)在芯模上噴射沉積制備構(gòu)件的近凈成形工藝。等離子噴涂成形的原理和等離子噴涂制備涂層一樣，必須通過等離子噴槍來實(shí)現(xiàn)。噴槍［4］的噴嘴和電極之間通入工作氣體，借助高頻火花引燃電??；電弧將氣體加熱并使之電離，產(chǎn)生等離子弧，氣體熱膨脹噴出高速等離子射流；送粉器將粉末從噴嘴內(nèi)或外送入等離子射流中，被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并被等離子射流加速，以一定速度沉積到經(jīng)預(yù)處理的芯模表面形成與芯模形狀相對應(yīng)的具有特殊性能的材料（如圖1）。目前的研究主要集中在粉末制備、芯模制備、噴涂過程、脫模和后續(xù)處理等方面。

圖1 等離子噴涂成形（PSF）Fig.1　Plasma spray forming（PSF）

1.1噴涂粉末的制備

研究［5］表明，進(jìn)料粉末的形貌和尺寸是關(guān)系到噴涂沉積率和噴涂效率的重要因素。噴涂粉末一般要求球形度高、流動(dòng)性好，粒度在50～150 μm之間。要得到這種特征粉末，必須采取優(yōu)良的制粉工藝。目前，制備噴涂粉末的方法包括：氣體霧化、噴霧干燥、燒結(jié)-破碎、旋轉(zhuǎn)電極制粉和等離子球化等。

氣體霧化法是研究和應(yīng)用較早的一種制粉方法，基本原理是用高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎成小液滴并凝固成粉末的過程［6］。T.Grosdidier等［7］用Ar氣霧化制備了Fe-10Al合金粉，粒度在40～80μm，球形度較好。一般的霧化法都由坩堝盛裝熔融金屬，難免污染粉末，劉學(xué)暉等［8］用無坩鍋熔化無接觸式Ar氣霧化裝置生產(chǎn)低氧細(xì)粒度的球形鈦與鈦合金粉末，小于0.246 mm純鈦粉收得率可達(dá)96.8%。上述普通霧化制粉效率低，制備的粉末較粗。后來發(fā)展的超聲霧化技術(shù)、緊耦合霧化技術(shù)和高壓霧化法采用限制式噴嘴［6］，氣流速度高，小顆粒粉末比例大，效率高。文獻(xiàn)［9］采用超聲氣體霧化裝置制備了W9高速鋼粉，粒度都在125 μm以下，球形度提高。

噴霧干燥法［10］的原理是溶液、乳濁液、懸濁液或料漿首先在熱風(fēng)中噴霧成細(xì)小的液滴，液滴在下落過程中，因水分蒸發(fā)而形成粉末顆粒。噴霧干燥后粉末為團(tuán)聚體，多為球形，表面光滑，粒徑分布均勻，約45～75 μm，流動(dòng)性較高。林振漢等［10］用PSZ-3Y的原粉通過噴霧干燥制備粉末，得到的顆粒之間粗細(xì)相差很小，粉末的均勻性、流動(dòng)性和分散性都很好。但是噴霧干燥由于加入了黏結(jié)劑和分散劑，還要經(jīng)過H2還原燒結(jié)，由于氣體揮發(fā)，顆粒會發(fā)生坍塌變形?；诖耍瑒⑹缙G等［11］用噴霧干燥結(jié)合特殊空心球化制備氧化鋯空心球形粉末，用于噴涂熱障涂層，也取得了良好的效果。如圖2是本課題組制備的噴霧干燥W-TiC復(fù)合粉末。

燒結(jié)破碎法報(bào)道較少，Sleptsov等［12］曾采用制粒再燒結(jié)的方法，制得了粒徑為40～750 μm的球形TiC、ZrC、Cr3C2、TiB2、ZrB2和CrB2等粉末。目前四川自貢硬質(zhì)合金廠用此法大規(guī)模生產(chǎn)硬質(zhì)合金噴涂粉末，其工藝流程［13］依次為：混合，摻膠，干燥過篩，燒結(jié)，氣流破碎，冷流分級，檢測成品。但用這種方法制得的粉末難以達(dá)到很高的致密度，而且制備的粉末較粗。

旋轉(zhuǎn)電極法（REP）是自耗電極圓形原料棒沿其長軸方向高速旋轉(zhuǎn)，被電弧熔化成液滴甩出，再冷卻成粉末顆粒。它包括普通旋轉(zhuǎn)電極法（REP）和等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）。和氣體霧化法相比，REP避免了坩堝的污染。但是REP的鎢陰極仍會污染粉末，所一般用PREP制備噴涂粉末。文獻(xiàn)［14］介紹了用PREP制備的Ni基高溫合金粉末，其球形度高，雜質(zhì)含量少，組織均勻，流動(dòng)性很好。常健等［15］用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備的鎳基高溫合金FGH4586粉末球形度好，表面光滑完整，但也存在少量破碎和焊合粉末。

圖2W-TiC復(fù)合噴涂粉末Fig.2　W-TiC composite powder for plasma spray

等離子球化是一種粉末修飾工藝，是將普通的粉末顆粒在等離子弧的作用下再熔化而制得球形粉末。等離子弧又分為直流等離子弧和射頻感應(yīng)等離子弧。射頻感應(yīng)等離子體能量密度高、加熱強(qiáng)度大、等離子體炬體積大，沒有電極，不會污染產(chǎn)品。Hedger和Hall［16］利用感應(yīng)耦合等離子體炬成功地對Cr、Ta、Mo、W、MgO和Al2O3等粉末進(jìn)行了球化；古忠濤等［17］用射頻感應(yīng)等離子體球化顆粒形狀不規(guī)則的鎢粉，球化后鎢粉表面光潔無污染，粒度均勻，流動(dòng)性好。該方法要求有一個(gè)很大的冷卻室，冷卻室內(nèi)必須通以高純Ar氣，成本很高，而且一次處理后粉末的球化率不超過85%，要得到全部是球形的粉末，就需要進(jìn)行多次的分選和再球化的過程。中南大學(xué)侯玉柏等［19］用高頻感應(yīng)等離子炬對工業(yè)鎢粉進(jìn)行球化，采用直接水冷，球化鎢粉的流動(dòng)速度和松裝密度都顯著提高，同時(shí)成本降低。

目前普遍使用的就是上述五種制粉方法，它們各有特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的粉末特征要求來選擇。為了得到優(yōu)質(zhì)涂層，進(jìn)料前要對粉末進(jìn)行處理。如低熔點(diǎn)材料粉末，在噴涂的過程中容易揮發(fā)。將其與高熔點(diǎn)材料粉末混合制備復(fù)合粉末再進(jìn)料，使高熔點(diǎn)材料包覆在低熔點(diǎn)材料表面，就能解決這個(gè)問題。

Si3N4和SiC粉末單獨(dú)噴涂常常嚴(yán)重?fù)]發(fā)，將其和MoSi2混合制備復(fù)合粉末，使高熔點(diǎn)的MoSi2包覆在外，通過PSF可以制備MoSi2-Si3N4和MoSi2-SiC復(fù)合材料［19］。為了得到納米結(jié)構(gòu)材料，必須使用納米原料粉。而其在噴涂過程中極易被吹散和燒蝕，不能直接用來噴涂，必須將其制備成具有一定質(zhì)量和球形度的納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體方可裝入送粉器進(jìn)行等離子噴涂［20］。一般運(yùn)用納米粉體團(tuán)聚再造粒工藝，獲取納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體粉末喂料。

1.2芯模

制模和脫模在等離子噴涂成形過程中都是不可或缺的。首先，芯模材料的選擇要適當(dāng)，一般要求芯模具備如下條件：（1）有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度；（2）熱物理性能和成形材料差異適當(dāng)；（3）能保持形狀和尺寸精度；（4）表面清潔無顯微缺陷；（5）容易去模。

1.2.1芯模的制備

根據(jù)上述要求，選擇合適材料經(jīng)過車鑄造或快速制模等方法將芯模制成所需形狀，以適合構(gòu)件的成形。芯模可以根據(jù)需要由多種材料組成復(fù)合芯模。鋼鐵研究總院［21］通過PSF制備大尺寸鎢管發(fā)熱體時(shí)采用的是石墨托模復(fù)合模具。該復(fù)合模具由鋼模具和石墨模具組裝而成。單純的鋼制芯模剛性好、承載能力強(qiáng)，但涂層直接沉積在鋼制模具上將無法脫模；將鋼制芯模上配上石墨托模，在石墨基體上沉積涂層，利用鋼制模具承載性好和石墨良好的傳熱性，可有效控制沉積涂層表面溫度；且石墨與金屬鎢的膨脹系數(shù)差異很小，可減小熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

1.2.2芯模的處理

總的來說，芯模應(yīng)具有良好的表面質(zhì)量，如表面光潔、硬度均勻，無微觀缺陷。既要保障PSF過程中粉末材料具有較高的沉積率，又要保障PSF之后芯模與制件易于分離，脫模完整。制件的表面粗糙度取決于芯模的表面粗糙度，芯模表面粗糙度越小，成形件越容易脫模，但過于光滑的芯模表面不利于粉末初始沉積。借助現(xiàn)有表面技術(shù)，在芯模表面形成適當(dāng)?shù)谋砻婺ぃ欣诿撃?。表面膜可以是無機(jī)物，也可以是有機(jī)物。這主要取決于芯模材料、噴涂粉末種類和噴涂參數(shù)。

1.2.3去除芯模

噴涂成形之后，待成形件和芯模冷卻至室溫，將芯模脫除。脫?？梢苑譃槠茐男悦撃：头瞧茐男悦撃！Ｆ茐男悦撃Ｊ侵赣眉訜崛刍?、化學(xué)溶解、電化學(xué)溶解和物理溶解等方法把芯模破壞去除而使構(gòu)件無破壞地分離。它適合于那些形狀復(fù)雜，多角多彎曲面的成形件。而形狀規(guī)則，菱角和曲面較少的成形件，芯模能夠通過機(jī)械作用如振動(dòng)、拉伸、熱沖擊等成功脫除。這種脫除芯模的方法叫非破壞性脫模法，脫模后芯模形狀和尺寸沒有變化，能夠重復(fù)利用。

1.3噴涂過程

1.3.1噴涂設(shè)備

目前使用的等離子噴涂設(shè)備［3］主要是來自Sulzer Metco公司的Metco7M、Sulzer Metco9M和Praxair公司的3620、4500和5500等。國產(chǎn)設(shè)備主要仿照Metco7M和Sulzer Metco9M制得，如圖3。

圖3PSF設(shè)備Fig.3　PSF equipment

圖3（a）是本課題組使用的氣氛保護(hù)等離子噴涂裝置。隨著工業(yè)自動(dòng)純水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已越來越廣泛。圖3（b）是機(jī)器人PSF設(shè)備，可改善操作環(huán)境，還可對噴涂軌跡和過程進(jìn)行數(shù)字化描述和精確控制，從而顯著提高噴涂成形工藝的質(zhì)量穩(wěn)定性。早在20世紀(jì)90年代初，Weiss L E等［22］曾用機(jī)器人噴涂槍成功地制備了形狀復(fù)雜的大尺寸構(gòu)件。目前，張海鷗等［23-24］將機(jī)器人等離子噴涂設(shè)備用于金屬模具的成形，并進(jìn)行了機(jī)器人等離子噴涂軌跡間距優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究，確定了最佳的軌跡間距，隨后又開發(fā)了一套機(jī)器人等離子噴涂控制系統(tǒng)，對電流、電壓、氣流量等主要工藝參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制，利用機(jī)器人噴槍操作，實(shí)現(xiàn)了噴涂路徑的優(yōu)化，解決了人工噴涂皮膜厚度不均勻、易開裂、起皮等缺陷，獲得較高質(zhì)量的噴涂皮膜。機(jī)器人等離子噴涂實(shí)現(xiàn)了噴涂操作自動(dòng)化和智能化，提高了噴涂的效率和質(zhì)量。此外，賀定勇等［25］采用的微束等離子噴涂（MPS），焰流為平穩(wěn)的層流，具有功率低（0.5～2.0kW）、粒子束流沉積直徑?。?～5 mm）和對基材熱輸入小的特點(diǎn)，因而非常適合噴涂尺寸較小或薄壁的零件，并能避免局部過熱和變形；后來采用的外置陽極MPS［26］等離子弧能夠在陽極穩(wěn)定燃燒，未沉積粉末可以回收利用，但不適合噴涂高熔點(diǎn)陶瓷材料。

1.3.2參數(shù)

影響噴涂的因素多達(dá)50多種，但由于實(shí)驗(yàn)裝備限制，能夠控制的只有功率、主氣（次氣）流量、載氣流量、噴涂距離、噴涂角度和送粉量等參數(shù)。電功率是影響粉末熔化狀態(tài)的重要因素：功率過小，粉末熔化不良；功率過大，粉末氧化嚴(yán)重，細(xì)小粉末氣化，較大粉末過熱，撞擊時(shí)發(fā)生濺射，從而降低結(jié)合強(qiáng)度。合適的氣體流量能夠確保粉末被準(zhǔn)確地送入等離子焰流中心的高溫區(qū)，并為熔融液滴提供良好的氣氛環(huán)境。噴涂距離直接影響沉積率和涂層質(zhì)量：噴涂距離過大，熔滴飛行時(shí)間過長，溫度和速度下降，撞擊時(shí)變形小，從而降低結(jié)合強(qiáng)度，增加氣孔率；而過小的噴涂距離會使涂層局部熱應(yīng)力過大，變形不均勻，引起涂層翹曲開裂。噴槍軸線和基模表面之間的夾角稱為噴涂角度。噴涂角度越小，涂層孔隙率越大，結(jié)合強(qiáng)度越低。噴涂時(shí)盡量做到噴槍與基模表面垂直。送粉量要和功率匹配，否則粉末熔融狀態(tài)不好而影響涂層質(zhì)量。

由于參數(shù)較多，且參數(shù)之間存在交互作用。Varacalle等［27-28］曾通過正交試驗(yàn)和田口方法來確定影響所需涂層的主要參數(shù)及其交互作用，但對于參數(shù)具體數(shù)值，大部分依靠經(jīng)驗(yàn)指定。此外，許多研究者試圖建立噴涂參數(shù)-涂層性能關(guān)系。E.Lugscheider［29］用計(jì)算機(jī)模擬了等離子焰流的流體力學(xué)、等離子體-粉末顆粒相互作用和顆粒在芯模表面撞擊行為，并認(rèn)為輸入功率、工作氣體流量、載氣流量、噴嘴幾何形狀和冷卻過程是影響涂層質(zhì)量的五個(gè)重要因素；Kucuk等人［30］則認(rèn)為影響顆粒飛行過程中熔融狀態(tài)和沉積率的關(guān)鍵參數(shù)是載氣流量，并確定了80μm的ZrO2-8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Y2O3復(fù)合粉末進(jìn)料的最優(yōu)載氣流量為3.5 L/min；Shaw［31］提出了關(guān)鍵等離子噴涂參數(shù)（CPSP）的概念，CPSP=P/v，其中P是等離子噴涂功率，v是主氣流速，并指出對于Al2O3-13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）TiO2粉末，CPSP＞310才能充分熔融；A.F.Kanta等［32］認(rèn)為影響涂層性能和結(jié)構(gòu)的直接因素是飛行過程中粉末顆粒的特征和狀態(tài)，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型建立了噴涂過程中熔融粉末平均顆粒直徑、表面溫度、飛行速度和噴涂參數(shù)之間的關(guān)系式。

1.3.3噴涂實(shí)施

噴涂之前，要將芯模固定并預(yù)熱。文獻(xiàn)［33］指出，芯模表面溫度是影響熔融液滴扁平行為的重要因素。研究［34］表明，預(yù)熱芯模表面，可以除去芯模表面雜質(zhì)，增加結(jié)合力；冷的芯模表面，雜質(zhì)不能去除，易形成氣孔，且雜質(zhì)受到液滴高溫而迅速升溫膨脹移動(dòng)，使液滴呈濺射狀；當(dāng)芯模表面溫度超過某一轉(zhuǎn)變溫度Tt時(shí)，液滴與芯模表面撞擊后的形狀會由濺射狀變?yōu)閳A盤狀。因此，預(yù)熱溫度一般要超過Tt。芯模預(yù)熱之后就可以按照設(shè)定的工藝參數(shù)實(shí)施噴涂了如圖。噴涂過程中合理的涂層冷卻措施是非常必要的［35］，一般采用壓縮CO2氣體冷卻涂層，使其保持在一個(gè)合理的溫度范圍內(nèi)，成形過程順利，涂層達(dá)到預(yù)定厚度。

1.4后處理

對PSF制備的構(gòu)件來說，孔隙越少，致密度越高，性能越好。但是由于噴涂中存在的未熔或半熔粉末顆粒、氧化夾雜和典型的層片狀沉積結(jié)構(gòu)，以及脫模過程帶來的損傷，都會給成形件組織帶來結(jié)構(gòu)缺陷和殘余應(yīng)力，限制了成形件的致密度和使用性能。為了改善成形件組織結(jié)構(gòu)，或者得到一定的表面特征，除控制好噴涂參數(shù)，提高沉積率，對成形件進(jìn)行相關(guān)處理是必要的。后處理一般包括致密化處理和表面處理兩大類。

1.4.1致密化處理

致密化處理包括退（淬）火、熱等靜壓燒結(jié)、電火花燒結(jié)、重熔、旋壓和浸滲。

前四項(xiàng)處理可以統(tǒng)稱為“熱處理”。熱處理過程中，物質(zhì)擴(kuò)散，組織均勻化，結(jié)構(gòu)改變。胡明等［36］發(fā)現(xiàn)，退火處理會降低PSF成形SiCP/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)，而淬火則使其熱膨脹系數(shù)增加，從而影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。文獻(xiàn)［37］中，為降低離子噴涂WC-Co涂層的孔隙度，增加涂層與基體間是機(jī)械結(jié)合，減少層狀組織，對涂層進(jìn)行了HIP處理，得到細(xì)晶組織。鋼鐵研究總院［22］采用PSF制備的W管發(fā)熱體在2 350℃燒結(jié)后涂層由原來的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я＝Y(jié)構(gòu)，相對密度由噴涂態(tài)的83%提高到93%，室溫下電阻由176.8 μΩ/cm降到5.62 μΩ/cm。研究［38］指出，噴射成形的FeAl納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，在1 050℃電火花燒結(jié)（SPS）之后，能達(dá)到近全致密，并保持納米結(jié)構(gòu)。Dongsheng Wang［39］等用激光重熔對Al2O3-13%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）TiO2涂層處理后，發(fā)現(xiàn)原來的柱狀晶組織被細(xì)小的共晶組織取代，涂層致密。

熱處理過程中控制溫度是關(guān)鍵。晶粒形核與長大對溫度非常敏感。如圖在W-Ni-Fe構(gòu)件的真空燒結(jié)中，1 300℃的顯微晶粒要比1 400℃的小。如PSF制備的Al2O3-TiO2復(fù)合材料在1 200℃熱處理，體積收縮了0.5%～1.0%，得到了細(xì)小開孔的顯微形貌，層間結(jié)合更緊密；而在1 400℃、1 500℃和1 600℃進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)孔隙增多，比熱處理前還要多，晶粒由層片狀變?yōu)榈容S狀，強(qiáng)度和硬度下降。

圖4PSF喉襯截面SEM形貌Fig.4　SEM microstructure of PSF-throat

旋壓［40］是一種綜合鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋、橫軋和滾壓等工藝特點(diǎn)的少切削、無切削加工的先進(jìn)工藝。旋壓非常適合于PSF制備的筒形件、錐形件和曲母線形件。那些對致密度要求高的構(gòu)件，可以在熱處理之后再旋壓。旋壓后，晶粒沿管材的軸向被拉長，徑向被壓扁，晶粒內(nèi)部存在大量的變心孿晶、變形帶，有效地破碎了粗大的顆粒。

浸滲處理［41］是將滲透劑滲入多孔性物質(zhì)，填充孔隙，增加積層顆粒間結(jié)合強(qiáng)度。文獻(xiàn)［42］報(bào)道，黏結(jié)劑能夠均勻浸滲到涂層的粒子間以及層狀結(jié)構(gòu)界面處，使涂層結(jié)合強(qiáng)度提高5～10倍，達(dá)到40～50MPa，涂層耐沖蝕性能提高了2倍。經(jīng)浸滲處理［43］，PSF成形單電池管（SOFC）的氣密性顯著提高。浸滲劑的選擇是決定浸滲處理效果的關(guān)鍵。浸滲劑［41］應(yīng)具有良好的浸滲性和黏附性，固化物應(yīng)具備耐蝕性及與制件較為接近的物理性能。一般對Cr2O3、Al2O3-TiO2等應(yīng)用于高溫條件下的陶瓷粉末PSF制件，可選用硅酸鹽無機(jī)浸滲劑；對常溫下工作的合金粉末PSF制件，可根據(jù)耐蝕介質(zhì)要求和制件物理性能，選擇相應(yīng)的樹脂類浸滲劑。

1.4.2表面處理

表面處理包括化學(xué)鍍、表面氧化和拋光?；瘜W(xué)鍍是在成形件表面電鍍一薄層金屬，起到防腐蝕、耐磨、熱障等作用。鐵基粉末PSF成形件表面耐腐蝕性能差，化學(xué)鍍鎳是其表面防腐蝕處理的重要手段。另外，化學(xué)鍍鎳層具有抗腐蝕性和耐磨性，在PSF成形模具和零件上使用，可大大改善潤滑性能，使脫模更容易，耐磨性更好?；瘜W(xué)鍍之前要根據(jù)成形件材質(zhì)和表面狀況進(jìn)行烘烤、化學(xué)除油和浸蝕等前處理。

表面氧化工藝簡單、成本低廉，在某些耐蝕性要求較低的場合，可作為鋼鐵PSF制件的防護(hù)和裝飾性處理。

PSF成形模具脫模后要對噴涂殼體進(jìn)行打磨與拋光，以獲得表面質(zhì)量高的金屬模具。拋丸采用塑料小球，可輕易將石膏或陶瓷型去除，并可用于拋光模具表面。拋丸一般不用高硬度顆粒，以免破壞模具表面。

2應(yīng)用

1924年首次使用PSF制備固體器件［44］以來，人們不斷地對PSF工藝進(jìn)行研究開發(fā)，不斷嘗試用其制備各種器件和材料。到目前為止，PSF已經(jīng)廣泛應(yīng)用于薄壁材料、快速成形模具和特征結(jié)構(gòu)材料的制備。

2.1薄壁零件

PSF技術(shù)適合于高硬度高熔點(diǎn)金屬、陶瓷和復(fù)合材料的零件制造，可以解決其制備和加工難題，特別適合制造某些特殊形狀的薄壁件。

美國通用電氣曾經(jīng)利用PSF成功制備了IN718合金［45］和Rene95合金［46］；美國紐約州立大學(xué)用VPSF制備了3 mm厚的金屬間化合物材料：Li2-Ni3Al合金和NiAl-Ni3Al合金；H.W.Ng等［47］制備了金屬Ni、ZrO2-Y2O3以及Ni-ZrO2交替復(fù)合材料的噴嘴和錐形件；美國的R.Goswami等［48］將粒度為10～40 μm的Mo粉通過APSF制備了MoO2納米顆粒彌散分布的Mo-MoO2復(fù)合材料；M.V.Gopalakrishnan等［49］用PSF制備了Al2O3-TiO2復(fù)合材料，陶瓷金屬復(fù)合（ZrO2-Y2O3內(nèi)層，CoNiCrAlY中間層，IN-738LC外層）；S. Seal等［50］采用VPSF制備了大尺寸納米結(jié)構(gòu)的WHfC圓筒件，再通過熱等靜壓處理，致密度達(dá)99%，模量和硬度高；S.C.和J.Hale等分別采用PSF后軋制和PSF后熱壓的方法，制備得到了幾乎全致密的TiAl基合金薄板［51］；NASA蘭利研究中心將PSF技術(shù)制備的0.1781 mm厚的λ-MET合金箔與SCS-6纖維交替疊放，進(jìn)行真空熱壓處理，獲得了SCS-6f/ λ-MET基復(fù)合材料薄板［52］；我國鋼鐵研究總院［21］用PSF制備了大尺寸純W發(fā)熱體；航天材料工業(yè)［52］曾用PSF制備B/Al復(fù)合材料無緯布及板材，其優(yōu)點(diǎn)金屬基體與纖維界面密實(shí)、結(jié)合牢固，且金屬幾乎不與纖維發(fā)生反應(yīng)。王躍明等［1］采用PSF技術(shù)制備鎢噴管、鎢藥型罩等薄壁或復(fù)雜形狀零部件。圖5是PSF制備的一些產(chǎn)品。

圖5PSF產(chǎn)品Fig.5　PSF products

2.2模具

應(yīng)用PSF制造模具［35］是一種周期短、成本低的制模方法。目前，PSF制模工藝在塑料模制造中得到一定的應(yīng)用。比如日本本田公司［35］已經(jīng)利用該技術(shù)制造出可以生產(chǎn)幾萬件塑料制品的快速模具?？焖俳饘倌＞叩腜SF制模工藝是一種基于RP原型的快速模具制造新技術(shù)，與傳統(tǒng)鋼模制造工藝相比，它周期周期可縮短60%以上，成本只有傳統(tǒng)鋼模的15%～20%，非常適合于新產(chǎn)品試制和小批量、多品種應(yīng)急產(chǎn)品的生產(chǎn)。在PSF過程中，沒有收縮，誤差小，可以保證較高的精度。因此，PSF金屬模具適用于制備尺寸精度高的零件。美國、英國、日本和丹麥等國家發(fā)展了PSF制模方法，噴涂金屬顆粒細(xì)小，85%的顆粒是20 μm或更小。

國內(nèi)，華中科技大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)對用PSF制模的研究較早［54-55］。文獻(xiàn)［54］指出，等離子噴涂所用的噴涂材料和工作氣體都比較昂貴，若先用等離子噴涂制作模具型腔，然后用電弧噴涂來強(qiáng)化和加固金屬型腔，這樣可提高模具型腔的硬度和強(qiáng)度，降低費(fèi)用。

PSF制模［56］，首先要建立產(chǎn)品的三維CAD模型，然后將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL文件，驅(qū)動(dòng)快速成形系統(tǒng)，制造出RP原型。對原型進(jìn)行必要的后處理，再用硅膠模來精確復(fù)制RP原型的形貌。等離子噴涂產(chǎn)生的金屬微滴溫度很高，直接噴射在原型（原型材質(zhì)一般為紙或塑料等不耐火材料）上會燒損原型。因此，必須翻制耐高溫的無焙燒陶瓷過渡基模，再在過渡基模上噴射沉積涂層。涂層后面用電弧噴涂工藝噴涂鋅合金以制作鋅合金黏結(jié)層，在黏結(jié)層后面對殼層進(jìn)行背襯。噴涂層相對很薄，硬度高，但強(qiáng)度不大，無法單獨(dú)承受成型壓力，所以必須通過背襯方法支撐補(bǔ)強(qiáng)，然后打掉陶瓷過渡基模，加裝鋼結(jié)構(gòu)，形成快速模具，最后對模具進(jìn)行調(diào)整試模。

2.3特殊結(jié)構(gòu)材料

Agarwal等［57］采用微米粉末原料，用VPS工藝制備出了納米結(jié)構(gòu)Al-21%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Si復(fù)合材料。材料結(jié)構(gòu)中有50～100 nm的Al-Si共晶顆粒，其中亞微米的Si晶粒均勻分布在Al基體中，成形件致密，層間結(jié)合牢固，硬度比鑄造Al-17%Si（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金要高。Agarwal等還利用納米顆粒不能抵達(dá)等離子焰流中心被熔融的特點(diǎn)，將納米和微米尺寸的Al2O3粉末按照2∶3混合進(jìn)料，通過PSF方法制備出一種特殊結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。該材料組織中納米Al2O3顆粒包裹著微米Al2O3顆粒，能夠阻止裂紋萌生和擴(kuò)散，孔隙率只有9.0%（體積分?jǐn)?shù)），維氏硬度值約為1 065。和傳統(tǒng)粉末冶金壓制燒結(jié)相比，PSF能夠避免納米晶粒長大，保證納米結(jié)構(gòu)特性，降低了孔隙率，提高了材料的力學(xué)性能。PSF還可以制備多層復(fù)合材料和梯度材料，這些材料用鑄造和粉末冶金方法很難制備。如M.V.Gopalakrishnan等［49］用PSF制備了Al2O3-TiO2復(fù)合材料，陶瓷金屬復(fù)合（ZrO2-Y2O3內(nèi)層，CoNiCrAlY中間層，IN-738LC外層）。

3結(jié)語

PSF是一種快速、靈活和適應(yīng)性廣泛的新型成形制備技術(shù)。隨著航空航天等尖端科技的發(fā)展，PSF技術(shù)將在各種高熔點(diǎn)高硬度金屬、合金、金屬間化合物、陶瓷和復(fù)合材料的成形制備方面得到廣泛應(yīng)用。目前，國外發(fā)達(dá)國家憑借優(yōu)越的科研技術(shù)條件，在PSF技術(shù)方面發(fā)展較快，并逐步趨于實(shí)用化，而國內(nèi)對PSF快速成形模具的研究較多，也取得了可喜的成績，但跟國外還有很大差距。在PSF研究領(lǐng)域，各國都更多地注重其應(yīng)用研究，而在基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究方面做得不夠，還沒有得出一套公認(rèn)的理論系統(tǒng)。要解決這個(gè)問題，研究者必須結(jié)合測試實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析粉末熔融、飛行和撞擊各階段的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，深入探究噴涂過程的物理本質(zhì)，綜合考慮制粉、芯模和后處理等工序，以求建立一套噴涂參數(shù)-制件性能關(guān)系理論，用以指導(dǎo)PSF實(shí)踐。

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（a）—×200；（b）—×500

Research Status and Application Progress of Plasma Spray Forming Technology

XU Xuan1，GU Jin-yue1，GU Wei-hua1，WANG Yue-ming2，XIONG Xiang2，XIE Lu2

（1.ShenzhenWeilidaTechnologyDevelopmentCo.，Ltd.，Shenzhen 518048，Guangdong，China；2.StateKeyLabforPowderMetallurgy，CentralSouthUniversity，Changsha 410083，Hunan，China）

Plasma Spray Forming，due to its characteristics of high source temperature and fast flow flame，is suitable for the near-net-forming for the refractory material with high hardness.This paper reviews the research status in the four aspects of PSF technology，including spray powder preparation techniques，preparation and processing of the mandrel，the coating process and post-processing.The application advances of thin-walled parts preparation，rapid tooling and some characterized materials are introduced.An accepted theoretical system in the field of PSF has not been established for most researchers have focused on the application，rather than the basic theory.It has not accepted the formation of a theoretical system.Milling，mandrel and post-treatment processes taken into account，the spray parameters-Part Performances Relations Theory should be established by exploring the physical nature of the coating process based on analyzing the phenomenon and data of the powder melted，the various stages of flight and impact.

plasma spray forming（PSF）；spraying powder；preparation；mandrel；treatment

TF123；TG146.4

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.03.010

2014-07-28

深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CXZZ20140505140344968）

徐玄（1986-），男，湖南長沙人，工程師，主要從事粉末冶金、等離子噴涂、3D打印材料和工藝研究。