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等离子喷涂涂层制备工艺及防结垢性能评价体系构建

一、等离子喷涂技术原理与防结垢涂层特性

（一）等离子喷涂技术核心原理

等离子喷涂技术是材料表面强化和改性的关键手段，其原理基于直流电弧产生的高温等离子体。在喷枪内部，直流电源在阴极和阳极（喷嘴）间建立电场，当工作气体（如氩气、氮气等）通入时，气体被电离，形成导电的等离子体。等离子体的产生是由于气体原子在强电场和高温作用下，外层电子脱离原子核束缚，形成包含电子、离子和中性原子的混合态物质。在这个过程中，等离子体的温度急剧升高，可达15000-33000℃，这一超高温环境为喷涂材料的加热提供了强大热源。

喷涂材料通常为金属、陶瓷或复合粉末，被送入高温等离子体区域。在极短时间内，粉末吸收等离子体的热量，迅速升温至熔融或半熔融状态。此时，高速气流（300-500m/s）将这些软化的粉末颗粒加速喷射向预处理后的基体表面。粉末颗粒以高速撞击基体，在基体表面扁平化铺展，随后快速冷凝固化，层层堆积，最终形成致密的涂层。

该技术的关键在于对等离子焰流参数的精确控制。功率决定了等离子焰流的能量输入，影响粉末的熔化程度和涂层的沉积效率。气体成分和流量则调节等离子体的性质，如热焓、温度和流速等。送粉速率需与等离子焰流的能量相匹配，确保粉末充分熔化且均匀地沉积在基体上。通过优化这些参数，可以实现对涂层成分、结构和性能的精准调控，满足不同工程应用的需求。

（二）防结垢涂层的作用机制

防结垢涂层通过物理和化学双重作用机制来抑制结垢现象的发生。

在物理层面，涂层的表面微观结构和表面能起着关键作用。研究表明，当涂层表面粗糙度降低（Ra≤1.5μm）时，垢物在涂层表面的附着位点显著减少。这是因为光滑的表面减少了垢物颗粒能够嵌入的微观凹槽和孔隙，使得垢物难以在涂层表面稳定附着。此外，低表面能的涂层（如NiCr-Cr3C2涂层表面能≤40mN/m）能够削弱水分子与涂层表面的相互作用。根据表面能理论，液体在固体表面的润湿性与表面能密切相关，低表面能使得水分子在涂层表面的接触角增大，难以在涂层表面铺展和吸附，从而减少了垢物形成的基础条件。

从化学角度来看，涂层的成分设计是抑制结垢的重要因素。例如，含有Cr、Al等元素的涂层在与含有Ca2?、Mg2?等成垢离子的溶液接触时，会在涂层表面形成化学稳定的界面。这些元素能够与成垢离子发生化学反应，形成难溶性的化合物，或者阻碍成垢离子在涂层表面的沉积和结晶生长过程。以Cr元素为例，它在涂层表面可形成致密的氧化膜，这层氧化膜不仅具有化学稳定性，还能够阻止成垢离子与涂层基体进一步反应，从而有效抑制结垢现象的发生。

二、等离子喷涂涂层制备关键工艺

（一）基体预处理技术

基体预处理技术是等离子喷涂制备高质量涂层的首要环节，对涂层与基体的结合强度和涂层性能有着决定性影响。

表面净化是预处理的基础步骤，旨在去除基体表面的油脂、污染物和氧化物等杂质，确保涂层与基体之间形成良好的物理和化学结合。采用丙酮进行超声清洗是一种高效的净化方法，通常将基体置于丙酮溶液中，在超声频率为40-60kHz的条件下清洗10-20min。超声波的空化效应会在液体中产生微小气泡，这些气泡在破裂时释放出强大的能量，能够有效剥离和分散表面的油脂和污染物，使基体表面达到清洁状态，保证后续喷涂过程中涂层与基体的紧密接触。

粗化处理是提高涂层与基体结合力的关键步骤。通过80-120目石英砂喷砂，在0.4-0.6MPa的压缩空气压力下，将石英砂高速喷射到基体表面。石英砂的撞击使基体表面形成平均粗糙度5-10μm的凹凸结构，这种粗糙表面极大地增加了涂层与基体的接触面积，形成机械咬合作用。研究表明，经过喷砂粗化处理后，涂层与基体的结合强度可提高30%-50%，有效增强了涂层在使用过程中的稳定性和耐久性。

预热处理则是在喷涂前将基体加热至100-150℃，这一过程有着多重作用。一方面，预热可以减少喷涂过程中涂层与基体之间的温差，降低因热胀冷缩产生的热应力，从而有效避免涂层开裂和剥落；另一方面，预热能够去除基体表面的潮气，进一步提高涂层与基体的结合质量，增强涂层的抗疲劳性能，延长涂层的使用寿命。

（二）喷涂工艺参数优化

喷涂工艺参数的优化是实现高质量等离子喷涂涂层的核心环节，直接决定了涂层的组织结构和性能。

热源控制是喷涂过程的关键，功率30-40kW的稳定输出对于维持等离子焰流的稳定性至关重要。合适的功率能够确保等离子体具备足够的能量，使喷涂粉末充分熔化。氩气作为主要工作气体，流量控制在30-50L/min，它不仅提供了等离子体形成的介质，还对等离子焰流的形态和稳定性起着关键作用。氢气则作为辅助气体，流量在5-20L/min，通过调节氢气