等离子喷涂成形技术的研究现状和应用进展

徐　　玄，顾进跃，顾伟华，王跃明，熊　　翔，解　　路

（1.深圳市威勒达科技开发有限公司，广东 深圳 518048；2.中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083）

等离子喷涂成形技术的研究现状和应用进展

徐玄1，顾进跃1，顾伟华1，王跃明2，熊翔2，解路2

（1.深圳市威勒达科技开发有限公司，广东 深圳 518048；2.中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083）

等离子喷涂成形（PSF）由于热源温度高、焰流速度快，非常适合高熔点高硬度材料的近净成形，近年来得到广泛关注和发展。文章综述了PSF技术中的喷涂粉末制备、芯模制备和处理、喷涂过程和后处理四个方面的研究现状，详细介绍了PSF技术在制备薄壁零部件、快速模具和某些特征材料方面的应用进展。在PSF研究领域，各国更多地注重应用研究，在其基础理论方面有所欠缺，还没有形成一套公认的理论体系；后续研究应在进一步分析粉末熔融、飞行和撞击各阶段的现象和数据基础上，深入探究喷涂过程的物理本质，综合考虑制粉、芯模和后处理等工序，以求建立一套喷涂参数-制件性能关系理论，用以指导PSF实践。

等离子喷涂成形（PSF）；喷涂粉末；制备；芯模；处理

随着现代经济和国防工业的发展，各种形状复杂的高硬度、高熔点金属和陶瓷材料制品不断涌现。就目前技术水平而言，这些高熔点材料构件很难通过传统的方法制备。材料科学的发展迫切需要新的成形与加工手段跟进，近年来，等离子喷涂成形技术（PSF）因其喷射温度高、速度快、易于实现短流程精密近净成形的特点而得到迅速发展［1］。目前，已经发展成为一门包括粉末制备、芯模制造、等离子喷涂沉积、脱模和后续处理等工序的综合工程技术［2］。

本文介绍了PSF技术的原理，综述了喷涂粉末、芯模、喷涂过程和后处理几方面的国内外研究现状，并叙述了PSF在制备薄壁零部件、快速模具和特征材料方面的应用。

1　　等离子喷涂成形的研究

等离子喷涂［3］是以非转移型等离子弧为热源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。等离子喷涂成形是一种采用等离子喷涂技术在芯模上喷射沉积制备构件的近净成形工艺。等离子喷涂成形的原理和等离子喷涂制备涂层一样，必须通过等离子喷枪来实现。喷枪［4］的喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧；电弧将气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀喷出高速等离子射流；送粉器将粉末从喷嘴内或外送入等离子射流中，被加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，以一定速度沉积到经预处理的芯模表面形成与芯模形状相对应的具有特殊性能的材料（如图1）。目前的研究主要集中在粉末制备、芯模制备、喷涂过程、脱模和后续处理等方面。

图1 等离子喷涂成形（PSF）Fig.1　Plasma spray forming（PSF）

1.1喷涂粉末的制备

研究［5］表明，进料粉末的形貌和尺寸是关系到喷涂沉积率和喷涂效率的重要因素。喷涂粉末一般要求球形度高、流动性好，粒度在50～150 μm之间。要得到这种特征粉末，必须采取优良的制粉工艺。目前，制备喷涂粉末的方法包括：气体雾化、喷雾干燥、烧结-破碎、旋转电极制粉和等离子球化等。

气体雾化法是研究和应用较早的一种制粉方法，基本原理是用高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程［6］。T.Grosdidier等［7］用Ar气雾化制备了Fe-10Al合金粉，粒度在40～80μm，球形度较好。一般的雾化法都由坩埚盛装熔融金属，难免污染粉末，刘学晖等［8］用无坩锅熔化无接触式Ar气雾化装置生产低氧细粒度的球形钛与钛合金粉末，小于0.246 mm纯钛粉收得率可达96.8%。上述普通雾化制粉效率低，制备的粉末较粗。后来发展的超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压雾化法采用限制式喷嘴［6］，气流速度高，小颗粒粉末比例大，效率高。文献［9］采用超声气体雾化装置制备了W9高速钢粉，粒度都在125 μm以下，球形度提高。

喷雾干燥法［10］的原理是溶液、乳浊液、悬浊液或料浆首先在热风中喷雾成细小的液滴，液滴在下落过程中，因水分蒸发而形成粉末颗粒。喷雾干燥后粉末为团聚体，多为球形，表面光滑，粒径分布均匀，约45～75 μm，流动性较高。林振汉等［10］用PSZ-3Y的原粉通过喷雾干燥制备粉末，得到的颗粒之间粗细相差很小，粉末的均匀性、流动性和分散性都很好。但是喷雾干燥由于加入了黏结剂和分散剂，还要经过H2还原烧结，由于气体挥发，颗粒会发生坍塌变形。基于此，刘淑艳等［11］用喷雾干燥结合特殊空心球化制备氧化锆空心球形粉末，用于喷涂热障涂层，也取得了良好的效果。如图2是本课题组制备的喷雾干燥W-TiC复合粉末。

烧结破碎法报道较少，Sleptsov等［12］曾采用制粒再烧结的方法，制得了粒径为40～750 μm的球形TiC、ZrC、Cr3C2、TiB2、ZrB2和CrB2等粉末。目前四川自贡硬质合金厂用此法大规模生产硬质合金喷涂粉末，其工艺流程［13］依次为：混合，掺胶，干燥过筛，烧结，气流破碎，冷流分级，检测成品。但用这种方法制得的粉末难以达到很高的致密度，而且制备的粉末较粗。

旋转电极法（REP）是自耗电极圆形原料棒沿其长轴方向高速旋转，被电弧熔化成液滴甩出，再冷却成粉末颗粒。它包括普通旋转电极法（REP）和等离子旋转电极法（PREP）。和气体雾化法相比，REP避免了坩埚的污染。但是REP的钨阴极仍会污染粉末，所一般用PREP制备喷涂粉末。文献［14］介绍了用PREP制备的Ni基高温合金粉末，其球形度高，杂质含量少，组织均匀，流动性很好。常健等［15］用等离子旋转电极法制备的镍基高温合金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。

图2W-TiC复合喷涂粉末Fig.2　W-TiC composite powder for plasma spray

等离子球化是一种粉末修饰工艺，是将普通的粉末颗粒在等离子弧的作用下再熔化而制得球形粉末。等离子弧又分为直流等离子弧和射频感应等离子弧。射频感应等离子体能量密度高、加热强度大、等离子体炬体积大，没有电极，不会污染产品。Hedger和Hall［16］利用感应耦合等离子体炬成功地对Cr、Ta、Mo、W、MgO和Al2O3等粉末进行了球化；古忠涛等［17］用射频感应等离子体球化颗粒形状不规则的钨粉，球化后钨粉表面光洁无污染，粒度均匀，流动性好。该方法要求有一个很大的冷却室，冷却室内必须通以高纯Ar气，成本很高，而且一次处理后粉末的球化率不超过85%，要得到全部是球形的粉末，就需要进行多次的分选和再球化的过程。中南大学侯玉柏等［19］用高频感应等离子炬对工业钨粉进行球化，采用直接水冷，球化钨粉的流动速度和松装密度都显著提高，同时成本降低。

目前普遍使用的就是上述五种制粉方法，它们各有特点，可以根据不同的粉末特征要求来选择。为了得到优质涂层，进料前要对粉末进行处理。如低熔点材料粉末，在喷涂的过程中容易挥发。将其与高熔点材料粉末混合制备复合粉末再进料，使高熔点材料包覆在低熔点材料表面，就能解决这个问题。

Si3N4和SiC粉末单独喷涂常常严重挥发，将其和MoSi2混合制备复合粉末，使高熔点的MoSi2包覆在外，通过PSF可以制备MoSi2-Si3N4和MoSi2-SiC复合材料［19］。为了得到纳米结构材料，必须使用纳米原料粉。而其在喷涂过程中极易被吹散和烧蚀，不能直接用来喷涂，必须将其制备成具有一定质量和球形度的纳米结构团聚体方可装入送粉器进行等离子喷涂［20］。一般运用纳米粉体团聚再造粒工艺，获取纳米结构团聚体粉末喂料。

1.2芯模

制模和脱模在等离子喷涂成形过程中都是不可或缺的。首先，芯模材料的选择要适当，一般要求芯模具备如下条件：（1）有适当的强度；（2）热物理性能和成形材料差异适当；（3）能保持形状和尺寸精度；（4）表面清洁无显微缺陷；（5）容易去模。

1.2.1芯模的制备

根据上述要求，选择合适材料经过车铸造或快速制模等方法将芯模制成所需形状，以适合构件的成形。芯模可以根据需要由多种材料组成复合芯模。钢铁研究总院［21］通过PSF制备大尺寸钨管发热体时采用的是石墨托模复合模具。该复合模具由钢模具和石墨模具组装而成。单纯的钢制芯模刚性好、承载能力强，但涂层直接沉积在钢制模具上将无法脱模；将钢制芯模上配上石墨托模，在石墨基体上沉积涂层，利用钢制模具承载性好和石墨良好的传热性，可有效控制沉积涂层表面温度；且石墨与金属钨的膨胀系数差异很小，可减小热应力的产生。

1.2.2芯模的处理

总的来说，芯模应具有良好的表面质量，如表面光洁、硬度均匀，无微观缺陷。既要保障PSF过程中粉末材料具有较高的沉积率，又要保障PSF之后芯模与制件易于分离，脱模完整。制件的表面粗糙度取决于芯模的表面粗糙度，芯模表面粗糙度越小，成形件越容易脱模，但过于光滑的芯模表面不利于粉末初始沉积。借助现有表面技术，在芯模表面形成适当的表面膜，有利于脱模。表面膜可以是无机物，也可以是有机物。这主要取决于芯模材料、喷涂粉末种类和喷涂参数。

1.2.3去除芯模

喷涂成形之后，待成形件和芯模冷却至室温，将芯模脱除。脱模可以分为破坏性脱模和非破坏性脱模。破坏性脱模是指用加热熔化、化学溶解、电化学溶解和物理溶解等方法把芯模破坏去除而使构件无破坏地分离。它适合于那些形状复杂，多角多弯曲面的成形件。而形状规则，菱角和曲面较少的成形件，芯模能够通过机械作用如振动、拉伸、热冲击等成功脱除。这种脱除芯模的方法叫非破坏性脱模法，脱模后芯模形状和尺寸没有变化，能够重复利用。

1.3喷涂过程

1.3.1喷涂设备

目前使用的等离子喷涂设备［3］主要是来自Sulzer Metco公司的Metco7M、Sulzer Metco9M和Praxair公司的3620、4500和5500等。国产设备主要仿照Metco7M和Sulzer Metco9M制得，如图3。

图3PSF设备Fig.3　PSF equipment

图3（a）是本课题组使用的气氛保护等离子喷涂装置。随着工业自动纯水平的不断提高，工业机器人的应用已越来越广泛。图3（b）是机器人PSF设备，可改善操作环境，还可对喷涂轨迹和过程进行数字化描述和精确控制，从而显著提高喷涂成形工艺的质量稳定性。早在20世纪90年代初，Weiss L E等［22］曾用机器人喷涂枪成功地制备了形状复杂的大尺寸构件。目前，张海鸥等［23-24］将机器人等离子喷涂设备用于金属模具的成形，并进行了机器人等离子喷涂轨迹间距优化实验研究，确定了最佳的轨迹间距，随后又开发了一套机器人等离子喷涂控制系统，对电流、电压、气流量等主要工艺参数进行闭环控制，利用机器人喷枪操作，实现了喷涂路径的优化，解决了人工喷涂皮膜厚度不均匀、易开裂、起皮等缺陷，获得较高质量的喷涂皮膜。机器人等离子喷涂实现了喷涂操作自动化和智能化，提高了喷涂的效率和质量。此外，贺定勇等［25］采用的微束等离子喷涂（MPS），焰流为平稳的层流，具有功率低（0.5～2.0kW）、粒子束流沉积直径小（3～5 mm）和对基材热输入小的特点，因而非常适合喷涂尺寸较小或薄壁的零件，并能避免局部过热和变形；后来采用的外置阳极MPS［26］等离子弧能够在阳极稳定燃烧，未沉积粉末可以回收利用，但不适合喷涂高熔点陶瓷材料。

1.3.2参数

影响喷涂的因素多达50多种，但由于实验装备限制，能够控制的只有功率、主气（次气）流量、载气流量、喷涂距离、喷涂角度和送粉量等参数。电功率是影响粉末熔化状态的重要因素：功率过小，粉末熔化不良；功率过大，粉末氧化严重，细小粉末气化，较大粉末过热，撞击时发生溅射，从而降低结合强度。合适的气体流量能够确保粉末被准确地送入等离子焰流中心的高温区，并为熔融液滴提供良好的气氛环境。喷涂距离直接影响沉积率和涂层质量：喷涂距离过大，熔滴飞行时间过长，温度和速度下降，撞击时变形小，从而降低结合强度，增加气孔率；而过小的喷涂距离会使涂层局部热应力过大，变形不均匀，引起涂层翘曲开裂。喷枪轴线和基模表面之间的夹角称为喷涂角度。喷涂角度越小，涂层孔隙率越大，结合强度越低。喷涂时尽量做到喷枪与基模表面垂直。送粉量要和功率匹配，否则粉末熔融状态不好而影响涂层质量。

由于参数较多，且参数之间存在交互作用。Varacalle等［27-28］曾通过正交试验和田口方法来确定影响所需涂层的主要参数及其交互作用，但对于参数具体数值，大部分依靠经验指定。此外，许多研究者试图建立喷涂参数-涂层性能关系。E.Lugscheider［29］用计算机模拟了等离子焰流的流体力学、等离子体-粉末颗粒相互作用和颗粒在芯模表面撞击行为，并认为输入功率、工作气体流量、载气流量、喷嘴几何形状和冷却过程是影响涂层质量的五个重要因素；Kucuk等人［30］则认为影响颗粒飞行过程中熔融状态和沉积率的关键参数是载气流量，并确定了80μm的ZrO2-8%（质量分数）Y2O3复合粉末进料的最优载气流量为3.5 L/min；Shaw［31］提出了关键等离子喷涂参数（CPSP）的概念，CPSP=P/v，其中P是等离子喷涂功率，v是主气流速，并指出对于Al2O3-13%（质量分数）TiO2粉末，CPSP＞310才能充分熔融；A.F.Kanta等［32］认为影响涂层性能和结构的直接因素是飞行过程中粉末颗粒的特征和状态，并通过人工神经网络（ANN）模型建立了喷涂过程中熔融粉末平均颗粒直径、表面温度、飞行速度和喷涂参数之间的关系式。

1.3.3喷涂实施

喷涂之前，要将芯模固定并预热。文献［33］指出，芯模表面温度是影响熔融液滴扁平行为的重要因素。研究［34］表明，预热芯模表面，可以除去芯模表面杂质，增加结合力；冷的芯模表面，杂质不能去除，易形成气孔，且杂质受到液滴高温而迅速升温膨胀移动，使液滴呈溅射状；当芯模表面温度超过某一转变温度Tt时，液滴与芯模表面撞击后的形状会由溅射状变为圆盘状。因此，预热温度一般要超过Tt。芯模预热之后就可以按照设定的工艺参数实施喷涂了如图。喷涂过程中合理的涂层冷却措施是非常必要的［35］，一般采用压缩CO2气体冷却涂层，使其保持在一个合理的温度范围内，成形过程顺利，涂层达到预定厚度。

1.4后处理

对PSF制备的构件来说，孔隙越少，致密度越高，性能越好。但是由于喷涂中存在的未熔或半熔粉末颗粒、氧化夹杂和典型的层片状沉积结构，以及脱模过程带来的损伤，都会给成形件组织带来结构缺陷和残余应力，限制了成形件的致密度和使用性能。为了改善成形件组织结构，或者得到一定的表面特征，除控制好喷涂参数，提高沉积率，对成形件进行相关处理是必要的。后处理一般包括致密化处理和表面处理两大类。

1.4.1致密化处理

致密化处理包括退（淬）火、热等静压烧结、电火花烧结、重熔、旋压和浸渗。

前四项处理可以统称为“热处理”。热处理过程中，物质扩散，组织均匀化，结构改变。胡明等［36］发现，退火处理会降低PSF成形SiCP/Al复合材料热膨胀系数，而淬火则使其热膨胀系数增加，从而影响复合材料的热导率。文献［37］中，为降低离子喷涂WC-Co涂层的孔隙度，增加涂层与基体间是机械结合，减少层状组织，对涂层进行了HIP处理，得到细晶组织。钢铁研究总院［22］采用PSF制备的W管发热体在2 350℃烧结后涂层由原来的层状结构转变为晶粒结构，相对密度由喷涂态的83%提高到93%，室温下电阻由176.8 μΩ/cm降到5.62 μΩ/cm。研究［38］指出，喷射成形的FeAl纳米结构复合材料，在1 050℃电火花烧结（SPS）之后，能达到近全致密，并保持纳米结构。Dongsheng Wang［39］等用激光重熔对Al2O3-13%（质量分数）TiO2涂层处理后，发现原来的柱状晶组织被细小的共晶组织取代，涂层致密。

热处理过程中控制温度是关键。晶粒形核与长大对温度非常敏感。如图在W-Ni-Fe构件的真空烧结中，1 300℃的显微晶粒要比1 400℃的小。如PSF制备的Al2O3-TiO2复合材料在1 200℃热处理，体积收缩了0.5%～1.0%，得到了细小开孔的显微形貌，层间结合更紧密；而在1 400℃、1 500℃和1 600℃进行热处理，发现孔隙增多，比热处理前还要多，晶粒由层片状变为等轴状，强度和硬度下降。

图4PSF喉衬截面SEM形貌Fig.4　SEM microstructure of PSF-throat

旋压［40］是一种综合锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少切削、无切削加工的先进工艺。旋压非常适合于PSF制备的筒形件、锥形件和曲母线形件。那些对致密度要求高的构件，可以在热处理之后再旋压。旋压后，晶粒沿管材的轴向被拉长，径向被压扁，晶粒内部存在大量的变心孪晶、变形带，有效地破碎了粗大的颗粒。

浸渗处理［41］是将渗透剂渗入多孔性物质，填充孔隙，增加积层颗粒间结合强度。文献［42］报道，黏结剂能够均匀浸渗到涂层的粒子间以及层状结构界面处，使涂层结合强度提高5～10倍，达到40～50MPa，涂层耐冲蚀性能提高了2倍。经浸渗处理［43］，PSF成形单电池管（SOFC）的气密性显著提高。浸渗剂的选择是决定浸渗处理效果的关键。浸渗剂［41］应具有良好的浸渗性和黏附性，固化物应具备耐蚀性及与制件较为接近的物理性能。一般对Cr2O3、Al2O3-TiO2等应用于高温条件下的陶瓷粉末PSF制件，可选用硅酸盐无机浸渗剂；对常温下工作的合金粉末PSF制件，可根据耐蚀介质要求和制件物理性能，选择相应的树脂类浸渗剂。

1.4.2表面处理

表面处理包括化学镀、表面氧化和抛光。化学镀是在成形件表面电镀一薄层金属，起到防腐蚀、耐磨、热障等作用。铁基粉末PSF成形件表面耐腐蚀性能差，化学镀镍是其表面防腐蚀处理的重要手段。另外，化学镀镍层具有抗腐蚀性和耐磨性，在PSF成形模具和零件上使用，可大大改善润滑性能，使脱模更容易，耐磨性更好。化学镀之前要根据成形件材质和表面状况进行烘烤、化学除油和浸蚀等前处理。

表面氧化工艺简单、成本低廉，在某些耐蚀性要求较低的场合，可作为钢铁PSF制件的防护和装饰性处理。

PSF成形模具脱模后要对喷涂壳体进行打磨与抛光，以获得表面质量高的金属模具。抛丸采用塑料小球，可轻易将石膏或陶瓷型去除，并可用于抛光模具表面。抛丸一般不用高硬度颗粒，以免破坏模具表面。

2应用

1924年首次使用PSF制备固体器件［44］以来，人们不断地对PSF工艺进行研究开发，不断尝试用其制备各种器件和材料。到目前为止，PSF已经广泛应用于薄壁材料、快速成形模具和特征结构材料的制备。

2.1薄壁零件

PSF技术适合于高硬度高熔点金属、陶瓷和复合材料的零件制造，可以解决其制备和加工难题，特别适合制造某些特殊形状的薄壁件。

美国通用电气曾经利用PSF成功制备了IN718合金［45］和Rene95合金［46］；美国纽约州立大学用VPSF制备了3 mm厚的金属间化合物材料：Li2-Ni3Al合金和NiAl-Ni3Al合金；H.W.Ng等［47］制备了金属Ni、ZrO2-Y2O3以及Ni-ZrO2交替复合材料的喷嘴和锥形件；美国的R.Goswami等［48］将粒度为10～40 μm的Mo粉通过APSF制备了MoO2纳米颗粒弥散分布的Mo-MoO2复合材料；M.V.Gopalakrishnan等［49］用PSF制备了Al2O3-TiO2复合材料，陶瓷金属复合（ZrO2-Y2O3内层，CoNiCrAlY中间层，IN-738LC外层）；S. Seal等［50］采用VPSF制备了大尺寸纳米结构的WHfC圆筒件，再通过热等静压处理，致密度达99%，模量和硬度高；S.C.和J.Hale等分别采用PSF后轧制和PSF后热压的方法，制备得到了几乎全致密的TiAl基合金薄板［51］；NASA兰利研究中心将PSF技术制备的0.1781 mm厚的λ-MET合金箔与SCS-6纤维交替叠放，进行真空热压处理，获得了SCS-6f/ λ-MET基复合材料薄板［52］；我国钢铁研究总院［21］用PSF制备了大尺寸纯W发热体；航天材料工业［52］曾用PSF制备B/Al复合材料无纬布及板材，其优点金属基体与纤维界面密实、结合牢固，且金属几乎不与纤维发生反应。王跃明等［1］采用PSF技术制备钨喷管、钨药型罩等薄壁或复杂形状零部件。图5是PSF制备的一些产品。

图5PSF产品Fig.5　PSF products

2.2模具

应用PSF制造模具［35］是一种周期短、成本低的制模方法。目前，PSF制模工艺在塑料模制造中得到一定的应用。比如日本本田公司［35］已经利用该技术制造出可以生产几万件塑料制品的快速模具。快速金属模具的PSF制模工艺是一种基于RP原型的快速模具制造新技术，与传统钢模制造工艺相比，它周期周期可缩短60%以上，成本只有传统钢模的15%～20%，非常适合于新产品试制和小批量、多品种应急产品的生产。在PSF过程中，没有收缩，误差小，可以保证较高的精度。因此，PSF金属模具适用于制备尺寸精度高的零件。美国、英国、日本和丹麦等国家发展了PSF制模方法，喷涂金属颗粒细小，85%的颗粒是20 μm或更小。

国内，华中科技大学和西北工业大学对用PSF制模的研究较早［54-55］。文献［54］指出，等离子喷涂所用的喷涂材料和工作气体都比较昂贵，若先用等离子喷涂制作模具型腔，然后用电弧喷涂来强化和加固金属型腔，这样可提高模具型腔的硬度和强度，降低费用。

PSF制模［56］，首先要建立产品的三维CAD模型，然后将CAD模型转换成STL文件，驱动快速成形系统，制造出RP原型。对原型进行必要的后处理，再用硅胶模来精确复制RP原型的形貌。等离子喷涂产生的金属微滴温度很高，直接喷射在原型（原型材质一般为纸或塑料等不耐火材料）上会烧损原型。因此，必须翻制耐高温的无焙烧陶瓷过渡基模，再在过渡基模上喷射沉积涂层。涂层后面用电弧喷涂工艺喷涂锌合金以制作锌合金黏结层，在黏结层后面对壳层进行背衬。喷涂层相对很薄，硬度高，但强度不大，无法单独承受成型压力，所以必须通过背衬方法支撑补强，然后打掉陶瓷过渡基模，加装钢结构，形成快速模具，最后对模具进行调整试模。

2.3特殊结构材料

Agarwal等［57］采用微米粉末原料，用VPS工艺制备出了纳米结构Al-21%（质量分数）Si复合材料。材料结构中有50～100 nm的Al-Si共晶颗粒，其中亚微米的Si晶粒均匀分布在Al基体中，成形件致密，层间结合牢固，硬度比铸造Al-17%Si（质量分数）合金要高。Agarwal等还利用纳米颗粒不能抵达等离子焰流中心被熔融的特点，将纳米和微米尺寸的Al2O3粉末按照2∶3混合进料，通过PSF方法制备出一种特殊结构的陶瓷材料。该材料组织中纳米Al2O3颗粒包裹着微米Al2O3颗粒，能够阻止裂纹萌生和扩散，孔隙率只有9.0%（体积分数），维氏硬度值约为1 065。和传统粉末冶金压制烧结相比，PSF能够避免纳米晶粒长大，保证纳米结构特性，降低了孔隙率，提高了材料的力学性能。PSF还可以制备多层复合材料和梯度材料，这些材料用铸造和粉末冶金方法很难制备。如M.V.Gopalakrishnan等［49］用PSF制备了Al2O3-TiO2复合材料，陶瓷金属复合（ZrO2-Y2O3内层，CoNiCrAlY中间层，IN-738LC外层）。

3结语

PSF是一种快速、灵活和适应性广泛的新型成形制备技术。随着航空航天等尖端科技的发展，PSF技术将在各种高熔点高硬度金属、合金、金属间化合物、陶瓷和复合材料的成形制备方面得到广泛应用。目前，国外发达国家凭借优越的科研技术条件，在PSF技术方面发展较快，并逐步趋于实用化，而国内对PSF快速成形模具的研究较多，也取得了可喜的成绩，但跟国外还有很大差距。在PSF研究领域，各国都更多地注重其应用研究，而在基础理论、基础实验研究方面做得不够，还没有得出一套公认的理论系统。要解决这个问题，研究者必须结合测试实验和数值模拟，进一步分析粉末熔融、飞行和撞击各阶段的现象和数据，深入探究喷涂过程的物理本质，综合考虑制粉、芯模和后处理等工序，以求建立一套喷涂参数-制件性能关系理论，用以指导PSF实践。

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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

深圳市战略新兴产业发展专项资金项目（CXZZ20140505140344968）

徐玄（1986-），男，湖南长沙人，工程师，主要从事粉末冶金、等离子喷涂、3D打印材料和工艺研究。