王汉功 *，汪刘应，徐建国，华绍春，刘顾

（1.第二炮兵工程学院501 室，陕西 西安 710025；2.第二炮兵驻重庆地区军事代表室，重庆 400039）

1 前言

等离子喷涂技术是20 世纪50年代发展起来的一种热喷涂技术。由于具有电弧温度高、能量密度大、焰流速度高以及稳定性好等特点，等离子喷涂技术可以将各种粉末材料加热到熔融状态，并能够制备出各种高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和耐腐蚀的物理、化学性能稳定的功能涂层。因此，等离子喷涂技术在航空、航天、原子能等领域有着广阔的应用前景，也是目前应用最广泛的热喷涂技术之一[1-2]。近几十年来，随着等离子喷涂技术的快速发展，虽然已相继开发出高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、反应等离子喷涂和超音速等离子喷涂等多种新技术，但是往往由于设备功率大，喷涂电源采用晶闸管或硅整流管整流，因此体积大，质量重，能源利用率低。同时，喷涂过程中用于加热粉末热量的电弧功率小，对工件基体热影响大，不适合现场施工和薄壁件的喷涂。这些缺陷使得等离子喷涂技术的工程应用受到一定程度的限制。

第二炮兵工程学院以实现设备节能和小型化、提高能源利用率为指导思想，以实现“一机多用”和“一专多能”为目的，成功研发了“多功能微弧等离子喷涂”系统[3]。该系统不仅具有微弧等离子喷涂的功能，而且还具有等离子表面淬火以及焊接功能。它不仅能很好地解决工业部门因设备运行过程出现多种失效而需要购置多种维修工艺设备等问题，而且大大提高了能源、资源的利用率。

2 多功能微弧等离子喷涂的基本原理

多功能微弧等离子喷涂实质上是一种小功率等离子喷涂。主要是通过改进电源设计、喷枪结构设计和送粉方式等，在低功率条件下利用微弧等离子焰流，制备出与大功率条件下性能相当甚至更优异的涂层。其基本原理是：当Ar 或N2喷涂工作气体进入等离子发生器后，在高频放电作用下引燃电弧，并将气体加热离解形成等离子体，经孔道高压压缩后呈高速喷射而形成等离子焰流。喷涂粉末被送粉气体从中心轴向或内部径向载入等离子焰流后，迅速呈熔化或半熔化状态，并在轴向气流和切向气流的双重作用下，高速喷射到经过粗化的洁净零件表面，从而产生塑性变形形成涂层。

多功能微弧等离子喷涂可以通过调节电流大小、Ar 和N2气体的配比与流量，来实现对等离子弧的能量、温度和热焓值的控制，从而满足不同喷涂材料的加热要求，并制备出各种性能优异的涂层。多功能微弧等离子喷涂系统主要由喷涂电源、喷枪、送粉系统、循环水冷机以及连接管路等组成，如图1所示。

图1 多功能微弧等离子喷涂设备的构造 Figure 1 Structure of multi-functional micro-arc plasma spraying equipment

3 多功能微弧等离子喷涂系统的设计

多功能微弧等离子喷涂系统设计主要包括喷涂电源设计、喷枪设计等。等离子喷涂电源是等离子射流能量提供装置，喷枪是集所有喷涂资源(电、气、粉和水)于一体的核心装置。

3.1 多功能微弧等离子喷涂逆变电源的设计

逆变电源是将电网交流电通过整流技术变成直流电，然后利用逆变技术，将其变成高频交流，再通过高频变压器降压、整流，以达到缩小变压器体积、减轻重量和提高供电质量的目的。因此，它具有低损耗、高效率、电路简洁、质量轻、体积小、高集成度等特点，在现代工业中有着广阔的应用前景[4-5]。

多功能微弧等离子喷涂逆变电源的目标是要保证等离子喷枪在起弧、工作以及瞬间断弧时，电源能够有额定的高质量波形输出。这就要求多功能微弧等离子喷涂电源具有高的稳态精度和好的动态性能。因此，在多功能微弧等离子喷涂逆变电源设计过程中，系统地分析了传统逆变电源存在的小电流稳定性差，易断弧，硬开关损耗大，感性关断电压尖峰大，电磁干扰严重等缺点，以多功能微弧等离子喷涂电源要同时满足等离子喷涂、等离子淬火以及焊接等多种输出要求为出发点，科学地运用了二次逆变技术、软开关技术和智能控制技术，很好地保证了多功能微弧等离子喷涂电源的稳定性和可靠性，减少了漂移和电磁干扰，实现了精确控制、数字控制，并满足了多功能电源的输出要求。研制的逆变电源质量为50 kg，外形尺寸为640 mm × 320 mm × 620 mm。

3.2 多功能微弧等离子喷枪的设计

多功能微弧等离子喷枪是多功能微弧等离子喷涂系统的核心装置，主要由枪体、阴极组件、阳极组件、绝缘体等几部分构成。多功能微弧等离子喷枪除应具有传统等离子喷枪所具有的水、电、气特征，阴阳两极良好的冷却条件外，还必须改进其送粉方式和进气方式，以满足微弧等离子喷涂在小功率条件下能够制备性能优异的涂层的要求。因此，多功能微弧等离子喷枪的设计主要包括喷嘴设计、送粉方式设计和气室结构设计等。

多功能微弧等离子喷涂设计的拉瓦尔孔形喷嘴是根据等离子喷涂理论，综合考虑喷嘴孔道直径、压缩角、压缩比、送粉口至端面的距离等几何参数对等离子弧压缩、电弧的稳定性影响的基础上，通过计算、仿真、优化和实验而得到的。该喷嘴使得喷枪出口等离子射流速度高，方向性好，对粉末的加热、加力均匀，不仅提高了喷涂粒子速度和涂层质量，而且有利于解决中心轴向送粉带来的喷嘴粘结问题。

多功能微弧等离子喷涂由于功率小，要满足不同熔点材料的喷涂要求，必须充分延长粉末在电弧中的加热时间，提高用于粉末加热的电弧功率。因此，设计了中心轴向送粉和内送粉两种送粉方式，成功地解决了喷嘴使用寿命短、喷嘴与阴极粘结等诸多难题，不仅实现了多功能微弧等离子喷涂连续作业，而且提高了等离子弧的粉末加热效果、沉积效率和涂层的结合强度。

多功能微弧等离子喷涂采用了切向进气和直流进气相结合的进气方式，不仅能够保持电弧的稳定性，而且还能够实施对阴极冷却和提高等离子弧焰流速度，从而提高涂层与基体的结合强度。

4 多功能微弧等离子喷涂碳纳米管/纳米Al2O3- TiO2 复合吸波涂层

4.1 喷涂粉末、喷涂设备及工艺参数

实验所用的碳纳米管是采用催化裂解法制备的多壁碳纳米管，纯度大于95%。纳米Al2O3-TiO2是纳米结构Al2O3和TiO2复合粉末，粉末粒度在50 ～ 500 nm。将碳纳米管按一定质量配比称量，以十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂，将其分散在水溶液中，超声波分散30 min，形成碳纳米管悬浮液。将纳米Al2O3-TiO2粉末高速搅拌加入到聚乙烯醇的水溶液中，并磁力搅拌30 min，形成纳米Al2O3-TiO2悬浮液。在磁力搅拌的同时，滴入碳纳米管悬浮液。滴加完毕，超声分散共混4 h 后过滤，用蒸馏水洗涤至无泡沫出现，在烘箱中干燥 24 h，研磨过筛后，得到碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合粉末。复合粉末的微观结构SEM 如图2所示。图2表明，碳纳米管较好地分散在Al2O3-TiO2复合粉末中。

喷涂设备使用自行研发的多功能微弧等离子喷涂系统。喷涂试样采用180 mm × 180 mm × 5 mm 的45#钢板，试样先进行除油、除锈、喷砂等预处理，然后进行等离子喷涂。喷涂粉末为碳纳米管/Al2O3-TiO2复合粉末，复合涂层厚度分别为1.0、1.5 和2.0 mm。喷涂工作气体使用Ar+N2混合气，N2含量为10%，气流量为20 L/min。送粉气为N2，其流量为5 L/min，喷涂电流为250 A，喷涂距离为100 mm。

4.2 吸波涂层反射率的测试方法

反射率是表征材料吸波性能最重要的指标，它表示了吸波材料相对于金属平板基体反射的大小。常用的测量吸波材料反射率的方法有弓型法、远场RCS 法、空间样板平移法等。根据GJB 2038-1994《雷达吸波材料反射率测试方法》，采用“RAM 反射率弓形测量法”进行测试。弓形法是20 世纪40年代美国海军研究实验室(NRL)发明的，是目前国际应用最广泛的吸波材料评价方法。其测试系统如图3所示。

图3 RAM 反射率弓形测量法示意图 Figure 3 Schematic diagram of arch method for measuring RAM reflectivity

发射与接收天线安装在被测样板上方的弓型架上，被测样板放置在弓型架的圆心。通过改变天线在弓型架上的位置，即可测出不同入射角的被测样板的反射率[6]。测试使用惠普公司的HP8360L 型扫频仪，发射频率范围10 MHz ～ 26.5 GHz，使用HP8510B 型网络分析仪系统对涂层的反射率进行测试。弓形法测试频段范围为2 ～ 18 GHz。

4.3 碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2 复合涂层的吸波性能

为了研究碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合材料的吸波性能，采用微弧等离子喷涂在180 mm × 180 mm × 5 mm的45#钢板试样上，制备厚度分别为1.0、1.5 和2.0 mm的碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合吸波涂层，测试了其在2 ～ 18 GHz 波段内的反射率，如图4所示。

图4 不同厚度碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2 复合涂层的反射率 Figure 4 Reflectivity of carbon nanotube/nano-Al2O3-TiO2 composite coatings with different thickness

由图4可知，当复合吸波涂层的厚度为1.0 mm 时，吸波效果较差，反射率均大于-5 dB。当厚度增加到1.5 mm 时，复合涂层的吸波能力有较大提高，最小反射率为-22.14 dB，其谐振频率为15.36 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的频带宽分别为6.24 GHz 和4.00 GHz。当厚度为2.0 mm 时，最小反射率为-19.03 dB，其谐振频率为10.48 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的频带宽分别为5.00 GHz 和2.30 GHz。当涂层厚度为1.0 mm和2.0 mm 时，碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合吸波涂层的反射率峰值先增大后减小，其谐振频率不断向低频移动，而反射率小于-5 dB 和-10 dB 的频带宽不断增加。

5 结论

(1) 采用逆变技术、软开关技术和智能控制技术，设计了多功能微弧等离子喷涂逆变电源。该电源具有等离子喷涂、等离子淬火以及焊接等多种功能，并实现等离子喷涂电源的小型化、轻量化和智能化。通过对等离子喷枪喷嘴、送粉方式以及气室结构设计，成功研制了多功能微弧等离子喷枪，实现了在低功率条件下制备性能优异的涂层。

(2) 应用多功能微弧等离子喷涂系统制备了碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合涂层。吸波性能研究结果表明，随着涂层厚度的增加，复合吸波涂层的反射率峰值先增大后减小，谐振频率不断向低频移动，而反射率小于-5 dB 和-10 dB 的频带宽不断增加。

(3) 厚度为1.5 mm 时，碳纳米管/纳米Al2O3-TiO2复合涂层的吸波能力最佳，最小反射率为-22.14 dB，谐振频率为15.36 GHz，反射率小于-5 dB 和-10 dB 的频带宽分别为6.24 GHz 和4.00 GHz。

[1]戴达煌,周克崧,袁镇海.现代材料表面技术科学[M].北京: 冶金工业出版社,2004: 130.

[2]徐滨士,刘世参.表面工程[M].北京: 机械工业出版社,2000: 113.

[3]汪刘应,王汉功,华绍春,等.多功能微弧等离子喷涂技术[J].焊接学报,2006,27 (2): 81-84,88.

[4]周志敏,周纪海,纪爱华.逆变电源实用技术──设计与应用[M].北京: 中国电力出版社,2005: 98.

[5]李德元,赵文珍,董晓强,等.等离子技术在材料加工中的应用[M].北京: 机械工业出版社,2005: 122.

[6]邢丽英.隐身材料[M].北京: 化学工业出版社,2004: 176.