真空等离子喷涂（VPS）方案
定义
等离子喷涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。而真空等离子喷涂是指在气氛可控的，4～40Kpa的密封室内进行等离子喷涂技术。因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的材料。
- 过程
1、准备阶段Ⅰ由更换装料、真空室抽真空与调整到喷涂阶段Ⅱ所需的工作压力所组成。
2、在喷涂阶段Ⅱ中用转移电弧清理基体的表面、加热并覆盖保护层，这时可使真空室压力对每种喷涂材料最佳化。
3、在断路阶段Ⅲ中，由于安全原因对真空室重新抽真空，以便是氢含量降低到临界极限一下。
4、然后在惰性气体中冷却，用干燥氮气冲洗，在位更换装料而打开真空室之前使真空室通风以消除粉尘。
对比
- 与粉末火焰
喷涂对比 1、超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。（高熔点陶瓷材料）
2、喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。
3、由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。
4、等离子喷涂时，喷涂后基体组织不发生变化，工件几乎不产生变形。
5、等离子喷涂时，生产效率高，采用高能等离子喷涂时，粉末的沉积速率达8Kg/h。
- 与大气等离子
喷涂对比 1、等离子射流的速度和温度都比大气等离子喷涂明显提高，压力愈低，射流速度和温度就愈高。
2、粉末在等离子射流高温区域滞留的时间增加，受热更均匀，飞行速度更高。
3、可大幅度提高基体表面预热温度；还可以用反向转移弧对基体进行溅射清洗，清除氧化物和污垢，使涂层和基体的结合状况得到改善。
4、粉末和基体表面完全避免了氧化，能制备各种活性金属材料涂层。
5、涂层结合强度大幅度提高，气孔率大幅度降低，涂层残余应力减小，涂层质量明显改善。
| 项目 | 粉末火焰喷涂 | 丝材火焰喷涂 | 电弧喷涂 | 等离子喷涂 | 高温火焰喷涂（HVOF） | 真空等离子喷涂（VPS/LPPS） |
| 火焰温度℃ | 3100 | 3100 | 4100 | 5000-10000 | 2900 | 5000-12000 |
| 颗粒飞行速度 | 50-70 | 100-120 | 150-170 | 200-600 | 600-1000 | 400-800 |
| 结合强度MPA | 重熔＞70 喷涂“14-18” | 21-42 | 28-50 | 35-70 | 60-90 | ＞80 |
| 空隙率% | 7-12 | 3-8 | 3-6 | 0.5-3.0 | 0.5-2.0 | 0.1-1.0 |
| 生产效果KGH-1 | 5-6 | 5-8 | 5-20 | 5-10 | 4-6 | 5-10 |
| 生产成本 | 较低 | 较低 | 低 | 较高 | 高 | 高 |
应用功能
1、有目的地调整喷涂层的结构通过火焰能量与所用粉末相配合，可使喷涂层结构在从非常致密到极端多孔的宽泛范围内变化。
2、产生活性材料的喷涂层（钻）污和凹蚀借助真空室内残余气体的条件与等离子气的掺杂，可以用活性材料生产极纯的喷涂层。
3、获得新的材料组合——金属陶瓷涂层通过双路喷入等离子火焰或借助预混的粉末，可使极不相同的两种物质制取实际上是均质的、具有重要材料性能的保护层，由VPS技术产生了用硬质合金制取高结合力和致密组织的滑动和耐磨涂层的新前景。
4、涂覆硬质材料碳化物、硼化物、氮化物及氧化物由于VPS等离子射束中较高的能量，对硬质材料涂层开辟了全新的应用领域。
5、制取极厚的喷涂层涂覆时的沉积速度与温度控制是在高涂层厚度范围内产生稳定涂层的关键。
实际案例
- 人工关节表面真空等离子弧喷涂Ti、HA涂层
- 在Ti或其合金基材上沉积的等离子喷涂钛(Ti)、羟基磷灰石(HA)涂层已在临床上获得应用。等离子弧喷涂是一个高温过程，粉末在喷涂过程中会发生较为复杂的物理、化学变化。等离子弧喷涂HA涂层与其喷涂粉末相比，会发生结构和组成的改变，并导致涂层结晶度的降低。在高于500℃的环境中，Ti很容易与O2、H2、N2以及CO2反应。由于等离子弧射流温度极高(高达10000℃)，在大气中进行等离子弧喷涂时，Ti会与周围气氛发生反应。喷涂过程中产生的反应产物往往会降低涂层的延展性，并导致材料产生裂纹，真空等离子弧喷涂与大气等离子弧喷涂相比较，具有射流速度快、温度较低、喷涂室气氛可控等特点，所制备的涂层比较致密、含氧量低、成分与粉末较为接近。采用真空等离子喷涂技术可以制备性能优良的Ti和HA涂层。
- 航空发动机的表面喷涂
- 随着高推重比发动机的研发，其使用环境越来越苛刻，使用寿命和可靠性要求也越来越高，如：美国新型发动机寿命达到3000h，大型军用运输机、客机发动机寿命达到数万小时，未来军用发动机空中停车率为0.01‰~0.06‰飞行小时，民用发动机为0.002‰~0.02‰飞行小时，由上述数据可以断定如想提高发动机使用寿命和可靠性，单纯依靠材料本身性能已不能满足要求，因此必须对相关零件进行表面防护。高能束流表面工程技术主要利用激光、电子束、离子束及等离子体等高能量密度束流使材料表面改性或在材料的表面形成防护或功能涂层，以提高零件的寿命或使用性能。
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