等離子表面處理工藝是一種以等離子體反應(yīng)為基礎(chǔ)的表面加工技術(shù)，它可以有效地改善材料的表面性能和功能。該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
1.等離子體介紹
在等離子態(tài)下，原子或分子失去或獲得一個(gè)或多個(gè)電子，形成了正電離子和自由電子。這些帶電的粒子不僅具有高速度和高溫度，還具有較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性。因此，在等離子體環(huán)境下，可以進(jìn)行很多難以實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。
2.等離子表面處理的基本原理
等離子表面處理工藝本質(zhì)上是在材料表面產(chǎn)生氣體等離子體，并將等離子體與材料表面發(fā)生作用，從而實(shí)現(xiàn)表面的改性和功能化。等離子體通過(guò)用高頻電場(chǎng)或射頻電場(chǎng)電離氣體形成，然后將其推入靶材濺射工件表面或離子束撞擊，當(dāng)?shù)入x子體與工件表面相互作用時(shí)，會(huì)引起表面反應(yīng)，例如增加表面能量，延長(zhǎng)表面壽命等。
3.等離子表面處理的工藝流程
等離子表面處理的工藝流程主要包括預(yù)處理、干燥、清潔和處理。首先，需要對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處理，通常采用化學(xué)法或物理法去除表面油污和雜質(zhì)。其次，需要將工件送入真空室，通過(guò)真空排氣抽取其中的空氣和水分，這可以減小氣體阻力以提高工作效率；然后將氣體注入，同時(shí)加上外加電場(chǎng)，使得氣體產(chǎn)生等離子，從而在被處理材料表面形成較大的束。較大的束可以提供更好的剪切和軋制特性，重新分布自由電子和化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)表面改性。處理完成后，工件還需要進(jìn)行后處理，以保證表面質(zhì)量和手感。
4.等離子表面處理的優(yōu)勢(shì)
等離子表面處理作為一種高技術(shù)表面處理方式，在材料表面改性和功能化方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：
(1) 處理速度快：等離子體在超高溫下能產(chǎn)生完整的反應(yīng)所需時(shí)間，處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的表面處理方法。
(2) 可精準(zhǔn)控制：等離子表面處理可通過(guò)調(diào)整電場(chǎng)、氣體注入、壓力等參數(shù)對(duì)工作件進(jìn)行合理控制。
(3) 對(duì)特殊材料處理效果高：傳統(tǒng)表面加工技術(shù)往往無(wú)法在硬度、耐磨性和強(qiáng)韌度等特殊材料上產(chǎn)生足夠的效果，而等離子表面處理可以很好地解決這些問(wèn)題。
(4) 低溫且無(wú)污染：等離子表面處理過(guò)程中溫度較低，能有效降低處理時(shí)工件的溫度。此外，當(dāng)它們變成粒子或表面原子后不會(huì)因?yàn)橹斡纬森h(huán)境污染。
5.等離子表面處理的應(yīng)用
由于等離子表面處理加工技術(shù)具有的多種優(yōu)勢(shì)，所以在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如，飛機(jī)零部件、晶體的裂紋快速修復(fù)、單晶切割技術(shù)、汽車(chē)制造等。 近年來(lái)，在醫(yī)療行業(yè)，等離子表面處理也被廣泛應(yīng)用于植入物的制造和修理中。等離子噴涂工藝流程
在等離子噴涂過(guò)程中，影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，主要有：
①等離子氣體：氣體的選擇原則主要根據(jù)是可用性和經(jīng)濟(jì)性，N2氣便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利于粉末的加熱和熔化，但對(duì)于易發(fā)生氮化反應(yīng)的粉末或基體則不可采用。Ar氣電離電位較低，等離子弧穩(wěn)定且易于引燃，弧焰較短，適于小件或薄件的噴涂，此外Ar氣還有很好的保護(hù)作用，但Ar氣的熱焓低，價(jià)格昂貴。
氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴涂效率，涂層氣孔率和結(jié)合力等。流量過(guò)高，則氣體會(huì)從等離子射流中帶走有用的熱，并使噴涂粒子的速度升高，減少了噴涂粒子在等離子火焰中的“滯留”時(shí)間，導(dǎo)致粒子達(dá)不到變形所必要的半熔化或塑性狀態(tài)，結(jié)果是涂層粘接強(qiáng)度、密度和硬度都較差，沉積速率也會(huì)顯著降低；相反，則會(huì)使電弧電壓值不適當(dāng)，并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會(huì)引起噴涂材料過(guò)熱，造成噴涂材料過(guò)度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集，然后以較大球狀沉積到涂層中，形成大的空穴。
②電弧的功率：電弧功率太高，電弧溫度升高，更多的氣體將轉(zhuǎn)變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘攘Ｗ恿?，等粒子火焰溫度也很高，這可能使一些噴涂材料氣化并引起涂層成分改變，噴涂材料的蒸汽在基體與涂層之間或涂層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。
而電弧功率太低，則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰，又會(huì)引起粒子加熱不足，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度，硬度和沉積效率較低。
③供粉：供粉速度必須與輸入功率相適應(yīng)，過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)生粉（未熔化），導(dǎo)致噴涂效率降低；過(guò)低，粉末氧化嚴(yán)重，并造成基體過(guò)熱。
送料位置也會(huì)影響涂層結(jié)構(gòu)和噴涂效率，一般來(lái)說(shuō)，粉末必須送至焰心才能使粉末獲得好的加熱和高的速度。
④?chē)娡烤嚯x和噴涂角：噴槍到工件的距離影響噴涂粒子和基體撞擊時(shí)的速度和溫度，涂層的特征和噴涂材料對(duì)噴涂距離很敏感。
噴涂距離過(guò)大，粉粒的溫度和速度均將下降，結(jié)合力、氣孔、噴涂效率都會(huì)明顯下降；過(guò)小，會(huì)使基體溫升過(guò)高，基體和涂層氧化，影響涂層的結(jié)合。在機(jī)體溫升允許的情況下，噴距適當(dāng)小些為好。
噴涂角：指的是焰流軸線與被噴涂工件表面之間的角度。該角小于45度時(shí)，由于“陰影效應(yīng)”的影響，涂層結(jié)構(gòu)會(huì)惡化形成空穴，導(dǎo)致涂層疏松。
⑤噴槍與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度
噴槍的移動(dòng)速度應(yīng)保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡。也就是說(shuō)，每個(gè)行程的寬度之間應(yīng)充分搭疊，在滿(mǎn)足上述要求前提下，噴涂操作時(shí)，一般采用較高的噴槍移動(dòng)速度，這樣可防止產(chǎn)生局部熱點(diǎn)和表面氧化。
⑥基體溫度控制
較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預(yù)熱到噴涂過(guò)程要達(dá)到的溫度，然后在噴涂過(guò)程中對(duì)工件采用噴氣冷卻的措施，使其保持原來(lái)的溫度。等離子設(shè)備，也被稱(chēng)為等離子體物理裝置，是一種利用高能量的電磁輻射來(lái)產(chǎn)生等離子體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它正在被廣泛應(yīng)用于核聚變、材料加工、環(huán)保和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中。
一、等離子體的概念
等離子體是四態(tài)物質(zhì)，與固體、液體和氣體不同。等離子體是由正、負(fù)離子及自由電子組成的一種高度電離的氣體。等離子體具有很高的電導(dǎo)率、介電常數(shù)以及熱傳導(dǎo)吸收系數(shù)，因此可以產(chǎn)生大量的電磁輻射和能量輸出。
二、等離子設(shè)備的類(lèi)型
等離子體展示設(shè)備：這種設(shè)備主要用于展示等離子體的性質(zhì)和特點(diǎn)，如等離子云球、閃電球和火焰。
低溫等離子體設(shè)備：這種設(shè)備也稱(chēng)為非熱等離子體設(shè)備，它是在室溫下產(chǎn)生等離子體。低溫等離子體設(shè)備被廣泛應(yīng)用于材料表面處理、納米制造、慢性傷口治療等領(lǐng)域。
高溫等離子體設(shè)備：這種設(shè)備被用于核聚變實(shí)驗(yàn)，它通常包括托卡馬克、磁約束聚變中心和慣性約束聚變中心。高溫等離子體設(shè)備需要達(dá)到百萬(wàn)攝氏度以上的高溫才能產(chǎn)生并維持等離子體狀態(tài)。
等離子噴射處理設(shè)備：這種設(shè)備主要用于材料的表面處理和改性。它以高能等離子體流為工作介質(zhì)，可以清除焊接縫、去除腐蝕層、增強(qiáng)表面硬度等。
三、等離子設(shè)備的應(yīng)用
核聚變實(shí)驗(yàn)：高溫等離子體設(shè)備被廣泛應(yīng)用于核聚變實(shí)驗(yàn)，在其中進(jìn)行控制聚變反應(yīng)，研究能源問(wèn)題。
材料加工：等離子噴射處理設(shè)備被廣泛應(yīng)用于金屬表面處理、陶瓷涂覆及納米顆粒制造等領(lǐng)域。
環(huán)保：低溫等離子體技術(shù)被應(yīng)用于廢水、廢氣、工業(yè)垃圾以及醫(yī)療廢棄物的處理。
醫(yī)學(xué)：低溫等離子體技術(shù)被用于慢性傷口治療、消毒以及癌癥治療的研究。
四、等離子設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)
有效：等離子設(shè)備可以在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫或高能狀態(tài)，可以在材料加工或清潔領(lǐng)域快速有效地進(jìn)行處理。
精度：由于等離子體流對(duì)原物質(zhì)影響很小，因此等離子體加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微觀尺寸上的準(zhǔn)確控制。
環(huán)保：等離子體處理技術(shù)可以使廢棄物的數(shù)量大大減少，并且不會(huì)產(chǎn)生任何有害污染。
可持續(xù)：等離子體技術(shù)是一種可持續(xù)發(fā)展技術(shù)，它可以利用可再生能源來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變等目的，也可以用于清洗和改善環(huán)境。
五、結(jié)語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，等離子設(shè)備已經(jīng)成為了許多領(lǐng)域中的關(guān)鍵工具和方法。從核聚變到材料加工，從醫(yī)療治療到環(huán)保，等離子設(shè)備可以幫助我們更好地理解和應(yīng)對(duì)我們所面臨的各種復(fù)雜問(wèn)題。未來(lái)，等離子設(shè)備的應(yīng)用前景將會(huì)隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展而不斷拓展。
