大气等离子喷涂是用于沉积陶瓷涂层以用于磨损和腐蚀保护的常用工艺。原料材料包括例如氧化铝，氧化钛和氧化铬。等离子喷涂氧化铬涂层由于其良好的表面质量，高硬度和耐磨性而广泛用于例如网纹辊，泵密封件和耐磨环。

然而，氧化铬由于其高熔点，低导热性和在高温下挥发的倾向而难以喷涂。喷涂过程中氧化铬的挥发会产生极其细小的灰尘颗粒，这些灰尘颗粒聚集在工件上并被困在涂层内部，降低了涂层的内聚力和机械性能。

干冰喷射已被用于现场，通过保持表面清洁和帮助进行热管理来提高氧化铬和许多其他等离子喷涂涂层的质量。在喷涂过程中使用干冰喷射通过等离子喷涂在TUT上的氧化铬涂层与两个不同的商业干冰喷射器连接到喷涂机器人上。测试了几个参数并实施了温度监控。通过SEM制备金相样品并进行分析。还进行了硬度，附着力，气体渗透性和磨损测试。

据发现，干冰喷射改变了基材的温度历史并且涂层显着具有意想不到的效果。 过度冷却减少了图示粘合力降低内聚力和耐磨性，但调整喷涂参数可以更好地消除一些不利影响。 与离开喷嘴的颗粒大小有关的不同爆破模型也有很大差异。 虽然另一喷射器仅喷洒了主要冷却基板的小干冰尘，但另一喷射器喷射的动能更大的较大颗粒与涂覆非干冰喷射的样品相比，对涂层内聚力具有更加积极的作用，从而增加了耐磨性。

等离子喷涂用于制造陶瓷涂层，特别是用于磨损和腐蚀应用。例如，使用氧化铝，氧化钛和氧化铬作为起始材料。等离子喷涂氧化铬涂层由于其良好的表面光洁度，高硬度和耐磨性而被广泛用于例如卷筒，密封件和耐磨轮胎压机中。

但是，由于氧化铬具有较高的熔化温度和较低的导热率，因此它是一种具有挑战性的注塑材料。氧化铬也容易在高温下蒸发，导致形成细小的氧化铬粉尘。所得到的氧化铬粉尘很容易留在涂层之间，削弱了涂层的内聚力和机械性能。

在现场，干喷喷涂已用于热喷涂，以改善氧化铬和其他等离子镀层的质量。干冰喷射保持工件表面清洁并有助于热量管理。 TUT通过用两种不同的干冰鼓风机喷涂氧化铬来研究在等离子喷涂期间干冰喷射的使用，使得干冰鼓风机喷嘴通过等离子喷涂机附着到喷涂机器人上。测试了几个不同的参数，并监测了工件温度。通过涂覆电子显微镜来制备金相样品。样品还经受硬度，附着力，气体渗透性和磨损测试。

从样品中发现，当干冰喷射明显影响基材和涂层的温度历史时，会有意想不到的后果。过度的冷却已经削弱了涂层的内聚力和耐磨性，但是当参数设置的更热时，一些有害作用被消除了。在不同的锅炉模型之间，从干冰鼓风机喷嘴的喷嘴出来的干冰颗粒的尺寸也存在显着差异。另一台鼓风机喷上干净的干冰，这似乎是最冷却的效果。而另一个喷涂较大颗粒的干燥颗粒，其较高的动能似乎对涂层的内聚力具有更积极的影响，与空冷样品相比提高耐磨性

一，简介

陶瓷涂层在工业中具有广泛的应用范围，从磨损和腐蚀保护到热保护和电绝缘。氧化铬是一种高硬度的陶瓷材料，由于其优异的摩擦学性能，如高耐磨性，它被广泛用于涂料。大气等离子喷涂通常是应用氧化铬涂层的首选技术，因为其极高的火焰温度能够很容易地熔化陶瓷材料[1]。然而，氧化铬在高温下易挥发，容易蒸发并产生细小的灰尘，当被困在涂层结构内时可能会引起问题。在最近的研究[64] - [75]中，已经发现同时干冰处理可以改善多种不同材料（包括氧化铬）的等离子喷涂涂层的质量。因此，根据研究，涂层的显微结构和机械性能显着改善。

本论文基于过去在干法加工等离子喷涂涂层领域所做的工作，旨在进一步评估辅助干冰喷射作为提高等离子喷涂氧化铬涂层质量的技术的可行性。在等离子喷涂工艺中实施干冰喷射器以提供冷却并在喷涂时同时清洁工件。几个参数组合在设置和经过仔细优化后进行了测试，最终实现了干冰过程的某些好处。利用基板的高速成像和热监控来找到最佳的加工参数。使用光学和电子显微镜评估干冰喷射对微结构的影响。此外，还测试了涂层的表面质量，硬度，附着力，渗透性和磨损。

第2章从热喷涂基础开始，进一步解释等离子和HVOF喷涂技术。第3章介绍最常用的陶瓷涂层材料，并向读者介绍氧化铬作为涂层材料。第4章深入探讨了氧化铬的可喷洒性及其面临的与使用有关的健康问题的挑战。第5章探讨了热喷涂工艺中辅助冷却的可能性以及可用的不同技术。第6-9章涵盖了本论文的实验部分以及结果，讨论和结论。

2.热喷涂

热喷涂是广泛使用的热机械涂覆工艺，用于在各种基底材料上沉积多种不同材料作为涂层。大多数金属和金属合金可以热喷涂以及陶瓷，复合材料和金属陶瓷材料。涂层厚度一般在50-500微米范围内，但在某些应用中可以使用更厚或更薄的涂层[1]。在热喷涂中，原材料作为粉末，线材，棒或液体悬浮液引入热源。然后熔融或半熔化的液滴通过气流推向衬底。接触后，液滴变形并顺应表面，形成所谓的涂层。各个splats固化并形成涂层。上述描述的一个例外是冷喷涂工艺，它不利用热量，而是依靠高的颗粒速度（高达1100米/秒）来使粉末颗粒塑性变形而不是熔化它们。自然地，只有易于变形的金属和合金可以用该方法沉积。图1说明了热喷涂过程。

图1.典型的热喷涂工艺和涂层结构。

热喷涂工艺通常分为热源，包括电弧，等离子弧和燃烧。 在电弧喷涂中，两根金属丝以相互成一定角度的方式进给，并在它们之间施加电弧。 当电线彼此接近时，电弧熔化电线。 来自电弧后面的雾化气体将熔化的材料雾化成液滴并将它们推向基板。 原料仅限于由可延展的导电金属制成的电线，但可用的金属丝甚至包含金属陶瓷可扩大材料的选择范围。 [1]等离子喷涂工艺将在第2.1小节中详细描述。

燃烧过程由常规火焰喷涂，爆轰枪和高速氧燃料喷涂组成。火焰喷涂使用燃料气体来加热和加速原料，原料可以作为粉末，金属丝或棒引入。粒子速度通常小于200米/秒。原料材料包括塑料，金属和合金以及一些陶瓷。在引爆枪工艺原料粉末中，燃料和氧气被注入到混合物被点燃的腔室中，并且所产生的爆炸加热并以非常高的速度（〜1200m / s）将颗粒推出喷枪，比常规火焰喷涂在颗粒上产生更多的动能。该过程是不连续的，并以1-15Hz的频率运行。可喷涂材料包括金属，金属陶瓷和陶瓷。 [1]高速含氧燃料过程类似于连续的除氧枪过程，将在第2.2节中描述。图2显示了不同的热喷涂工艺温度和速度。

图2：气体温度和速度的热喷涂技术。

如前所述，涂层通过冲击，扩散和固化各个喷雾颗粒而形成。 根据喷涂参数，形成的涂层厚度通常为1至20μm，并且具有柱状晶粒结构。 除了熔融和重新固化的颗粒外，由此产生的层状结构也由孔隙，氧化物包裹和未熔化的颗粒组成。 根据所用的材料和工艺，热喷涂涂层的孔隙率在2-15％的范围内，现代先进的工艺可实现更小的孔隙度。 由于液滴不会始终流动以填充所有缝隙，因此孔隙对于过程是很自然的。 特别是在陶瓷中，一些孔隙在冷却过程中由水平或垂直裂纹形成。

氧化是金属涂层中的常见问题;颗粒在飞行期间氧化，但也在通道之间形成涂层之后。在陶瓷的情况下，它们偶尔会部分还原为金属形式，导致金属夹杂物。另一个不希望的特征是未熔化的颗粒，这些颗粒在飞行过程中不会熔化，并且随着进入的熔融颗粒包围而被卷入涂层中。所有上述缺陷通常导致涂层性能下降。 [1]

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