一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍的製作方法
2023-10-10 03:23:04 1
專利名稱：一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種噴塗金屬、金屬氧化物或金屬碳化物的噴塗設備，尤其涉及一種 等離子噴槍。
背景技術：
等離子噴塗是利用電能將氬、氫或氦等混合氣體轉變為高溫等離子體並在陽極內 形成等離子體射流，利用其高溫和高速等離子氣體流將金屬或金屬氧化物、金屬碳化物噴 射到工件的表面，形成塗層的工藝方法。等離子體射流的溫度，速度和壓力的分布特性強烈 地影響著注入等離子體中粉體顆粒的熔化程度，塗層的氣孔率和硬度。而噴槍外部等離子 體溫度和速度分布情況不僅取決於等離子體發生器的結構特點，又與等離子體噴槍外部周 圍環境壓力有關。在低壓環境壓力下，等離子體從噴槍噴出後，等離子體迅速膨脹，隨著周 圍環境壓力的降低，等離子體密度降低，等離子體自由程增大。等離子體對粉體顆粒的傳熱 方式通常根據Knudsen數(Kn)來加以劃分，該無量綱數定義為氣體粒子的平均自由程長度 λ與粉體顆粒的特徵尺度L之比，即Kn= λ/L。大氣條件下等離子體密度較高，平均自由 程長度λ小，因此Knudsen數較小，一般Kn <>1，此時，等離子體對粉 體顆粒加熱能力急速降低，要採用非連續的處理方法研究等離子體與顆粒間的相互作用。等離子噴塗可以採用在噴槍噴嘴外部送粉、從噴嘴內側送粉孔送粉和從陽極入口 送粉三種形式。前兩種粉末被輸送到弧根之後的等離子體中，對等離子電弧特性影響很小； 而陽極入口送粉方式是在弧根之前，對等離子體的電弧特性有影響。從噴塗的穩定性和噴 槍設備的製作簡單性來講，外送粉有利。因此大多工業上的大氣等離子噴塗設備選擇這種 方式。但是，低壓或超低壓條件下，由於噴槍外部Kn > > 1，採用外送粉等離子噴塗方式，勢 必要求等離子噴槍必須具有足夠大的功率，例如，Sulzer Metco AG超低壓等離子噴塗採用 電流2500Α，功率150kW的大功率等離子噴槍，這不僅造成電能的浪費，也會加速陰極和陽 極電弧腐蝕。也有一些低壓等離子噴槍採用噴嘴內側送粉，例如美國專利5679167，5853815 採用內側送粉噴槍，這種方式的送粉會提高粉末的沉積效率，但是由於噴嘴與陽極為同一 體，並且外部噴嘴部分沒有水冷卻，限制了噴嘴不能太長。粉末注入位置離陽極出口較近。 總之目前國內外低壓或超低壓等離子噴塗用的噴槍功率遠遠高於大氣條件下等離子噴塗 功率，並且低壓等離子噴塗很難噴塗像氧化鋯這樣高熔點、低熱導率的材料。從陽極入口送 粉這種方式的最大優點是粉末加熱好，並且噴塗中粉末的沉積效率高，缺點粉末容易在噴 嘴內部堆積，造成塗層質量問題，商用等離子噴塗採用的比較少。發明者曾設計製作了內送 粉等離子噴塗設備，中國實用新型專利ZL99243441. 6和ZL 02251688. 3，可以在輸入功率 6-8kff,大氣條件下噴塗^O2-SY2O3粉體材料，並且沉積效率達50%以上，但是由於內部結 構設計，不能適應低壓等離子噴塗。
發明內容
為解決現有內送粉等離子噴塗設備技術的不足，通過研究我們發現，在低壓環境 壓力下，噴槍外部等離子射流的壓力在噴嘴出口後急速降低，而在噴嘴內部壓力卻高於噴 槍外部，在噴嘴內部屬於Kn < 1，表明等離子體對粉體的加熱能力高。根據噴嘴內部壓力高 這一原理，設計將粉體送入噴嘴入口，在高壓噴嘴內部，將粉體的熔化率控制在60 %左右， 在噴嘴出口進一步加熱達到完全熔化和部分蒸發。這樣可在不增加等離子噴槍功率和進氣 體流量的情況下完成對粉體顆粒的加熱。即設計了一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，通 過改變噴嘴內部尺寸，形狀，控制等離子體在噴嘴內部壓力，控制粉體熔化狀態，達到在適 當的輸入功率下，實現低壓或超低壓條件下等離子噴塗。本發明的技術解決方案是這樣實現的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，包括槍體、陰極、陽極和噴嘴，直流電源的正 極連接在陽極上，直流電源的負極則連接陰極上，所述的槍體中設有圓錐形頭部的棒狀陰 極，陰極前面沿軸線方向設置圓筒狀陽極，陽極入口設置氣體均勻分布環、陽極出口設置內 部壓縮形狀噴嘴，噴嘴的內徑從入口到出口逐漸變大，噴塗材料粉體送粉口在噴嘴出口內 側，高溫等離子射流將粉體加熱熔化由噴嘴噴出。本發明的技術核心在於在陽極前端設置特殊內部壓縮形狀的噴嘴，且噴嘴為外部 水冷，根據流體力學原理，使壓縮的等離子體通過狹窄噴嘴通路，噴塗粉體在高壓等離子體 噴嘴內部加熱，熔化，控制粉末在噴嘴內部的熔化程度為60%左右，噴嘴內部為壓縮喇叭形 狀，最小截面處內徑為4 8mm，噴嘴長度為20 100mm，噴嘴出口處內徑8 20mm。噴 嘴內部尺寸的設計與粉末種類，顆粒組成有關。技術解決方案還包括所述的陰極的直徑為 6 12mm，陰極過細，當等離子噴塗電流大於500A時，陰極燒損嚴重，而直徑過大，需要相應 增加陽極內徑，不利於提高噴嘴內部等離子體壓力。本發明的技術解決方案還包括，噴塗材料粉體送粉口位於陽極出口和噴嘴入口之 間，通過小於2mm的間隙，將噴塗粉體送入噴嘴入口。或者，噴塗材料粉體送粉口位於距噴 嘴入口端2-8mm的圓周上，通過兩個或兩個以上內徑小於1. 5mm的側孔，將噴塗粉體送入噴 嘴內部。或者，噴塗材料粉體送粉口位於距陽極出口端2-8mm的圓周上，通過兩個或兩個以 上內徑小於1. 5mm的側孔，將噴塗粉體送入陽極內部。總之噴塗原始粉末一定要經過噴嘴 內部高壓等離子體加熱，加速，從特定形狀內部的噴嘴噴出。本發明的有益效果是①在較低等離子電流下(600A)能夠在噴槍外部動態環境 壓力50Pa下，噴塗&02-8Y203，此時等離子噴槍輸入功率僅為30kW。②在低壓條件下，噴塗 Zr02-8Y203可製備類柱狀晶結構塗層。③由於等離子電流低，陽極和陰極壽命得到延長。
下面結合附圖和具體的實施方式對本發明做進一步的描述。圖1為本發明裝置結構示意圖。圖1中1、槍體，2、陰極，3、陽極，4、噴嘴，5、氣體均勻分布環。
具體實施例方式下面結合實施例具體說明本發明。
本實施例的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍包括槍體1、陰極2、陽極3和噴嘴 4，直流電源的正極連接在陽極3上，直流電源的負極則連接陰極2上，所述的槍體1中設有 圓錐形頭部的棒狀陰極2，陰極前面沿軸線方向設置圓筒狀陽極3，陽極3入口設置氣體均 勻分布環5、陽極3出口設置內部壓縮形狀噴嘴4，噴塗材料粉體送粉口在噴嘴出口內部，高 溫等離子射流將粉體加熱熔化由噴嘴4噴出。噴嘴4入口與陽極3出口緊密對接，噴嘴4內部為不同圓截面構成的壓縮喇叭形 狀，入口最小截面處內徑為6mm，噴嘴4長度為60mm，噴嘴4出口處內徑14mm。所述的棒狀 陰極2直徑為9mm，陽極3為銅內部鑲嵌鎢襯管，鎢管內徑為7. 5mm,長度25mm。噴塗材料粉 體送粉口位於陽極3出口和噴嘴4入口之間，通過小於2mm的間隙，將噴塗粉體送入噴嘴4 入口。利用本實施例進行超低壓等離子噴塗氧化物^O2-SY2O3，選取粒度10-35微米的 ^O2-SY2O3粉體為噴塗原料，在表1條件下製備了柱狀晶結構的斷面塗層，塗層厚度超過 0. 8mm。表1超低壓等離子噴塗&02-8Y203參數
權利要求
一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，包括槍體(1)、陰極(2)、陽極(3)和噴嘴(4)，直流電源的正極連接在陽極(3)上，直流電源的負極則連接陰極(2)上，其特徵在於所述的槍體(1)中設有圓錐形頭部的棒狀陰極(2)，陰極前面沿軸線方向設置圓筒狀陽極(3)，陽極(3)入口設置氣體均勻分布環(5)、陽極(3)出口設置內部壓縮形狀噴嘴(4)，噴嘴(4)的內徑從入口到出口逐漸變大，粉體噴塗材料從噴嘴入口進入噴嘴內部，高溫等離子射流將粉體加熱熔化由噴嘴(4)噴出。
2.根據權利要求1所述的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，其特徵在於噴嘴(4) 入口與陽極⑶出口緊密對接，噴嘴⑷內部為不同圓截面構成的壓縮喇叭形狀，入口最小 截面處內徑為4 8mm，噴嘴(4)長度為20 100mm，噴嘴(4)出口處內徑8 20mm。
3.根據權利要求1所述的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，其特徵在於所述的棒 狀陰極⑵直徑為6 12mm，陽極(3)為銅內部鑲嵌鎢襯管，鎢管內徑為5 10mm，長度 5-40mmo
4.根據權利要求1或2或3所述的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，其特徵在於 噴塗材料粉體送粉口位於陽極⑶出口和噴嘴⑷入口之間，通過小於2mm的間隙，將噴塗 粉體送入噴嘴(4)入口。
5.根據權利要求1或2或3所述的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，其特徵在於 噴塗材料粉體送粉口位於距噴嘴⑷入口端2-8mm的圓周上，通過一個以上內徑小於1. 5mm 的側孔，將噴塗粉體送入噴嘴(4)內部。
6.根據權利要求1或2或3所述的一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，其特徵在於 噴塗材料粉體送粉口位於距陽極(3)出口端2-8mm的圓周上，通過一個以上內徑小於1.5mm 的側孔，將噴塗粉體送入陽極內部。
全文摘要
一種低壓等離子噴塗用等離子噴槍，屬於金屬及其氧化物或碳化物塗層製備的噴塗設備。包括槍體、陰極、陽極和噴嘴，槍體中設有圓錐形頭部的棒狀陰極，陰極前面沿軸向設置外部水冷圓筒狀陽極和與陽極緊密連接的內部壓縮形狀噴嘴，噴塗粉體材料送入噴嘴入口，在噴嘴內得到加熱，加速，從噴嘴噴出後，繼續在低壓環境的等離子體中加熱，飛向噴塗工件表面。直流電源的正極連接陽極上，負極則連接在陰極上。本發明裝置對粉體加熱能力強，適於低壓或超低壓環境下進行等離子噴塗。
文檔編號C23C4/12GK101954324SQ201010288490
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月19日 優先權日2010年9月19日
發明者高陽 申請人:大連海事大學