等离子体增强高速电弧喷涂射流特性与Inconel 718涂层性能之间的相关性：Ar/H?工作气体比例的影响

《Applied Surface Science》：Correlation between plasma enhanced high-velocity arc spraying jet characteristics and Inconel 718 coating performance: influence of Ar/H 2 working gas ratio

高效耐蚀金属防护涂层制备技术研究及其性能优化

　　
本文围绕新型热喷涂技术等离子体增强高速电弧喷涂（PE-HAS）制备Inconel 718涂层的研究展开，重点探讨气体配比对等离子体射流特性及涂层性能的影响机制。研究团队通过数值模拟、光谱分析和在线监测相结合的方式，系统揭示了Ar-H?混合气体环境下射流能量传递规律与涂层失效行为之间的关联性，为深海装备表面防护技术研发提供了创新思路。

在技术原理层面，传统热喷涂技术（如HVOF、APS、AS）普遍存在单一热源能量利用率低的问题，导致熔滴飞行过程中热力学参数波动显著。PE-HAS技术通过双极供电系统构建了等离子体-熔丝协同作用机制：高压电源对送丝端形成正极，熔丝端作为负极，这种配置不仅实现了等离子体射流的定向加速，更通过二次电子发射效应增强了熔池能量密度。实验数据显示，当H?占比提升至15%时，等离子体射流温度较纯Ar环境提升达220℃，飞行速度提高18.6%，这直接源于氢气离解产生的活性离子对电子温度的显著提升作用。

在气体配比调控方面，研究构建了Ar-H?混合气体梯度实验体系。通过ANSYS Fluent的流体动力学模拟发现，当H?体积占比从5%增至20%时，射流峰值温度呈现非线性增长趋势，其中H?比例达15%时达到最佳能量传递效率。这一现象与氢气在等离子体中的离解特性密切相关：在电子温度超过30 eV时，氢分子离解为基态氢原子和正离子，这种电离过程不仅释放出丰富的自由电子维持等离子体稳定性，更通过质量-能量守恒定律将化学能转化为热力学能。实验验证显示，当混合气体中氢气占比超过12%时，熔滴撞击基体的动能转化率提升至89.7%，较传统HVOF工艺提高23.4%。

涂层组织分析方面，透射电镜（TEM）观测揭示了氢气配比对微观组织结构的定向调控作用。在Ar-H?混合气体中，当氢气含量为10%-15%时，Inconel 718涂层呈现典型的等轴晶与柱状晶梯度结构。具体而言，距熔嘴5mm处的涂层以等轴晶为主（晶粒尺寸38±5μm），而25mm处则形成定向排列的柱状晶（长径比达6:1）。这种结构演变源于射流能量的空间梯度分布：近端的高温区（＞1300℃）促使晶界迁移，远端（＞500℃）则形成稳定的再结晶核心区。值得注意的是，当H?含量超过18%时，晶界氧化物的面积占比从3.2%骤增至17.5%，这直接导致涂层显微硬度下降至510 HV0.2，较最佳配比的580 HV0.2降低12.3%。

力学性能测试揭示了氢气配比的阈值效应。实验表明，当H?体积占比为12%-15%时，涂层的显微硬度、结合强度和耐磨性达到最优组合：硬度峰值580 HV0.2，结合强度43.7±1.2 MPa，磨损率稳定在5.1×10^-10 m3/(N·m)。其中，氢气对硬度的提升作用主要体现在晶界强化相的定向析出——TEM分析发现，在15% H?配比下，晶界处Cr-rich析出相（尺寸50-80nm）密度达每平方微米12.7个，较纯Ar环境增加210%。这些析出相通过Orowan机制阻碍位错运动，使涂层硬度提升达18.5%。

摩擦学性能测试进一步验证了氢气配比的调控价值。在往复式摩擦磨损试验中，当H?占比为12%时，涂层磨损体积仅为0.32 mm3，较纯Ar环境降低41.7%。微观形貌分析显示，此时熔滴撞击基体时形成的动态再结晶层（厚度约15μm）能有效分散摩擦应力。当H?含量超过15%时，虽然涂层致密度提升至98.7%，但晶界处因氢致空位聚集形成的微裂纹（平均间距28μm）导致磨损率激增至8.6×10^-9 m3/(N·m)，较最佳配比增加67.8%。

技术经济性评估表明，PE-HAS在氢气配比15%时达到最佳工艺窗口：沉积效率310μm/pass，较传统AS工艺提升42%；单层厚度控制精度±3μm，达到航空发动机涂层标准。通过建立气体配比-射流参数-涂层性能的映射模型，为工艺优化提供了理论支撑。特别值得关注的是，当H?含量超过18%时，等离子体射流稳定性显著下降，出现周期性脉动现象（频率12Hz，振幅±15%），这可能与氢气在等离子体中的自离解特性有关，导致电子密度波动加剧。

该研究在工程应用层面提出了"梯度氢能强化"概念：通过在射流路径上动态调控H?浓度，实现涂层从表面到芯部的性能梯度设计。具体而言，在距熔嘴50-200mm区域维持H?占比12%-15%，既保证熔滴动能又抑制晶界氧化；而在200-400mm区域将H?含量提升至18%-20%，利用氢气促进涂层致密化。这种分区调控策略使涂层整体孔隙率降至1.8%，较传统工艺降低65%，同时保持界面结合强度＞42MPa。

研究团队还创新性地提出了"双模态能量传递"理论，解释了PE-HAS技术中两种能量传递机制的协同作用：一种是基于电弧物理的电磁能传递（占比约65%），另一种是氢气离解产生的化学能向热力学能的转化（占比35%）。通过建立三维能量场分布模型，可预测不同气体配比下涂层晶粒生长方向，为定向凝固工艺开发提供新思路。

在设备优化方面，研究发现了等离子体射流衰减的关键控制参数。通过对比分析不同Ar:H?配比下的射流速度衰减曲线，发现当H?含量超过15%时，射流在空气中的热损失速率提升至3.2×10^-3 J/(s·cm3)，较纯Ar环境增加58%。这导致熔滴在飞行过程中速度衰减加剧，影响涂层致密度。通过在喷枪出口加装环形电场增强装置，可将射流在5m距离处的速度保留率从72%提升至89%，有效改善远端涂层性能。

最后，研究团队在设备标准化方面取得突破性进展。通过建立包含气体流量、送丝速度、功率密度等18个关键参数的PE-HAS工艺数据库，成功将涂层性能波动范围从±15%压缩至±5%。特别开发的自适应控制系统，可根据实时监测的射流温度和速度自动调节气体配比，使工艺窗口稳定性提升40%。这些成果不仅为海洋工程装备表面防护提供了可靠解决方案，更为新一代高效能热喷涂技术的研发奠定了理论基础。

该研究在基础理论层面实现了三大突破：首先，揭示了氢气在等离子体中的多级离解机制（H?→H•+H•→2H·），明确了电子温度与气体离解效率的定量关系；其次，建立了涂层晶界氧化与氢致空位浓度的动态平衡模型，为防止氢脆提供理论依据；最后，开发出基于机器学习的工艺优化算法，可将涂层性能预测精度从82%提升至96%。这些创新成果使PE-HAS技术成功应用于"深海一号"能源站核心设备的防护涂层制备，使关键部件使用寿命从5年延长至15年以上。