CN100560780C - 电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可使熔融粒子在高压气体和电磁力的作用下加速向电爆炸室开口端作近似按一维运动的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺。其步骤如下：a.在待加工的材料表面作常规的清洁处理；b.在一端开口的半封闭腔体电爆炸室的封闭端设有两电极，两电极之间接有可导电的喷涂材料制成的小尺寸爆炸物；c.在电爆炸室的开口端处设置待加工的工件；d.两电极通过数万安培的冲击大电流，丝状物在大电流的作用下发生电爆炸并向电爆炸室的开口端高速运动；e.上述两电极之一接一导线并平行设于两电极的另一侧，两电极通过大电流时该导线同步通过一电流方向与两电极通过的电流相反的大电流，产生一个电磁场，电磁力亦驱动电爆炸产生的待喷涂材料的微粒；高速运动的微粒与待加工的工件表面产生高速碰撞在工件表面形成喷涂层。本发明解决了一般金属线爆炸喷涂的局限性，实现对大尺寸金属或非金属工件的外表面的喷涂，极大提高了喷涂沉积率。

Description

电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺

技术领域：

本发明涉及表面工程技术领域，尤为是一种在基材表面喷涂难熔金属、难熔导电陶瓷材料及金属基陶瓷复合材料的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺。

背景技术：

表面工程技术就是利用各种表面涂镀层及改性技术，以少量的膜层材料获得基材不具备而又期望具有的性能与功能，它可显著提高材料表面的耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐磨性能，从而显著提高部件的使用寿命。

国外自20世纪60～70年代以来已开发了线爆炸喷涂工艺，但由于金属线自由爆炸时，脉冲压力和粒子速度随爆炸半径的增加而急剧衰减，故只能对较小直径的内孔进行喷涂，且内孔直径一般不大于爆炸线直径的40倍，不能对工件外表面进行喷涂，局限性较大。由华北电力大学(北京)研发的电热爆炸喷涂技术可对工件外表面进行喷涂，但当金属箔(丝)发生电爆炸时，由于受喷枪内壁的约束，爆炸高压气体和熔融粒子沿喷枪的封闭端向开口端方向运动，对于向喷枪开口端运动的气体和粒子而言，粒子近似按一维运动直接喷涂到工件表面而形成涂层，而对于向喷枪封闭端运动的气体和粒子而言，则当高压气体冲击波到达封闭端时，会产生波的反射，即冲击波到达喷枪封闭端后反向运动(向开口端方向)并形成高压区，并且粒子到达喷枪封闭端后，高速撞击封闭端表面并形成涂层(无法反射)，从而引起对工件涂层的沉积率下降。

发明内容：

本发明的发明目的是公开一种可使熔融粒子在高压气体和电磁力的作用下加速向电爆炸室开口端作近似按一维运动的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺。

实现本发明的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其步骤如下：

a.在待加工的材料表面作常规的清洁处理；

b.在一端开口的半封闭腔体电爆炸室的封闭端设有两电极，两电极之间接有可导电的喷涂材料制成的箔、丝状物的爆炸片；

c.在电爆炸室的开口端处设置待加工的工件；

d.两电极通过10～30万安培的冲击大电流，箔、丝状物的爆炸片在大电流的作用下发生电爆炸并向电爆炸室的开口端高速运动；

e.上述两电极之一接一导线并平行设于两电极的另一侧，两电极通过大电流时该导线同步通过一电流方向与两电极通过的电流相反的大电流，产生一个电磁场，在爆炸片爆炸以前，电磁力对爆炸片的作用力指向枪口方向(大小可由数值法计算出)，而在发生电爆炸后，磁场力亦驱动待喷涂材料的微粒向枪口方向运动，运动速度可达2000～4500m/s，喷枪内压力可达200～500MPa；高速运动的微粒与待加工的工件12表面产生高速碰撞在工件12表面形成喷涂涂层13。

上述的电爆炸室的内腔的横向尺寸应大于或等于两电极之间的距离，所述的箔、丝状物的爆炸片的截面为矩形的箔片。

上述的爆炸物为难熔金属W、Mo、Ta、Zr，或为导电陶瓷Tic、WC-Co、ZrC、TiB₂、TiN、Hfc、Vc、Cr₃C₂，或合金或金属间化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr₂C₃等金属基陶瓷复合粉芯丝喷涂材料。

上述的平行设于两电极的另一侧导线为断面为矩形的扁平状导体，该金属扁平状导体的长度可与电爆炸室内腔的横向长度等长，宽度大于或等于爆炸箔的宽度，在10～20mm范围。

上述的工艺过程可在真空状态或保护气体下进行。

本发明解决了一般金属线爆炸喷涂的局限性，金属线爆炸的爆炸微粒速度有限，一般只能对小圆管内壁喷涂，且颗粒到达圆管内壁时速度一般低于1000m/秒，难以使涂层与基体达到冶金结合，本发明的金属电爆炸微粒速度可达2000～4500m/秒，可以对大型平面或圆弧面尺寸的金属或非金属工件的外表面进行喷涂。爆炸微粒与工件表面的碰撞速度与碰撞压力大为提高，使电爆炸后的金属微粒和气体在电磁力和高气压作用下，将喷涂粒子几乎全部向喷枪出口方向运动，从而极大提高了喷涂沉积率。本发明与华北电力大学(北京)前期开发的电热爆炸喷涂技术相比，在相同的输入能量下，不仅可使喷枪内压力提高15～30％，喷涂速度提高20～30％，而且可使喷涂材料沉积率由20～30％提高到40～75％。并可在常温、正常大气压或真空、保护气体环境下进行喷涂，使涂层与基体达到冶金结合，涂层与基体的结合强度达150～数百MPa，任何导电材料均可作为涂层原料，并可喷涂熔点超过3000℃的金属或金属基陶瓷复合材料。

附图说明：

图1为本发明的系统原理图。

图2为本发明的电爆炸室的结构示意图。

图3为本发明的金属箔与电极板距离之间的关系示意图。

具体实施方式：

请同时参见图1～图3，实现本发明的工艺步骤如下：

a.在待加工的材料表面作常规的清洁处理；

b.在一端开口的半封闭腔体电爆炸室1的封闭端设有两电极2，两电极2之间接有可导电的喷涂材料制成的箔、丝状物的爆炸片14；

c.在电爆炸室1的开口端处设置待加工的工件12；

d.两电极2通过10～30万安培的冲击大电流，箔、丝状物的爆炸片14在大电流的作用下发生电爆炸并向电爆炸室1的开口端高速运动；

e.上述两电极2之一接一导线3并平行设于两电极2的另一侧，两电极2通过大电流时该导线同步通过一电流方向与两电极2通过的电流相反的大电流，产生一个磁场，磁场力亦驱动电爆炸产生的待喷涂材料的微粒；高速运动的微粒与待加工的工件12表面产生高速碰撞在工件表面形成喷涂层13，喷涂颗粒运动速度在2000～4500m/s，喷枪内压力可达200～500MPa。

上述的电爆炸室1的内腔的横向尺寸应大于或等于两电极2之间的距离，所述的箔、丝状物的爆炸片的截面为矩形的箔片。

上述的爆炸物为难熔金属W、Mo、Ta、Zr，或为导电陶瓷Tic、WC-Co、ZrC、TiB₂、TiN、Hfc、Vc、Cr₃C₂，或合金或金属间化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr₂C₃等金属基陶瓷复合粉芯丝喷涂材料。

上述的平行设于两电极的另一侧导线(3)为断面为矩形的扁平状导体，该金属扁平状导体的长度可与电爆炸室(1)内腔的横向长度等长，宽度大于或等于爆炸箔的宽度，约为10～20mm。

上述的工艺过程可在真空状态或保护气体下进行。

结合图1～图3所示，对本发明作全面的描述，本发明的具体实现的装置为包括产生大电流的电路、控制装置和电爆炸室1，电爆炸室1为一端开口的半封闭腔体，电路中的断开状电极2设在电爆炸室1的封闭端，断开状电极2下方设有一磁场发生装置；产生大电流的电路由升压变压器6、限流电阻5和高压脉冲放电电容器组7构成，高压脉冲放电电容器组7配套有充放电控制装置及保护回路，电容器电压等级可为5、15、20、30KV四个等级(推荐使用30kV电压等级)，电容器储能为25～30KJ，控制装置由间隙开关8、触发装置9、电流测量装置10、电压测量装置11等组成，以控制电流的大小及通断，上述各装置均为已有的脉冲功率技术；电爆炸室1为一端开口的半封闭腔体，其内腔为矩形截面，内腔高度在100～180mm范围，内腔长度在60～90mm范围，内腔宽度在8～20mm范围(由电容器储能、所需单次喷涂面积大小决定)。该内腔构成一爆炸喷枪，电爆炸室1的开口端(即内腔的开口)与待加工的工件12相对；电路中的断开状电极2设置在电爆炸室1的封闭端，电极2的两个电极之间的断开距离可根据所要联结的小尺寸爆炸物14的长度尺寸或内腔的横向尺寸设定，内腔的横向尺寸应大于或等于两电极之间的距离；箔、丝状物的爆炸片14为矩形截面的爆炸箔片，其横截面积可为1～3mm²，长度为50～90mm，其可为难熔金属(如W、Mo、Ta、Nb、Zr等)或导电陶瓷(如TiC、WC-Co、ZrC、TaC、B₄2、TiB₂、TiN、HfC、VC、Cr₃C₂等)及其它合金及金属间化合物(如NiCr、NiAl等)，爆炸箔14的二个端点分别与电极2的两个电极相对断开的两个端点相连，使电极2由于爆炸箔14与其相联而由断开状变为连接状；断开状电极2的下方设有一导线3，导线3为矩形扁平状导体，该金属扁平体的长度可与内腔的横向长度等长，其宽度大于或等于爆炸箔14的宽度，导线3置于电爆炸室1的封闭端并与其上方的电极2平行间隔，导线3与电路连接，该导线构成一电极板，导线3在通过电流时，可产生与所通过的电流强度成正比的磁场强度，成为一磁场发生装置，导线3所通过的电流的电流方向与通过爆炸箔14的电流方向相反且电流强度相等；当导线3和联有爆炸箔14的电极2分别通过电流强度相等但电流方向相反的幅值达数万安培的冲击大电流，爆炸箔14在数百微秒内被加热至熔化或汽化温度，在快速加热过程中，箔片内部的部分材料首先被加热到沸点而形成蒸汽，并在导线3产生的磁场力和喷枪内腔的内部热压力综合作用下，高压蒸汽爆炸，产生冲击波，驱动熔融粒子高速运动，冲击波和熔融粒子并受到电爆炸室1内腔的约束，使熔融粒子几乎全部向电爆炸室1的开口端方向运动，使熔融粒子的出口速度可达2000～4500m/s，粒子超高速冲击待涂覆工件12的表面，形成超亚微米晶体或纳米晶涂层13，实现电爆炸-电磁加速超高速喷涂，显著提高了喷涂沉积率及微粒的运动速度，解决了因向电爆炸室1封闭端运动的粒子直接喷涂到其表面，从而引起的对工件涂层的沉积率下降及粒子运动速度难以大幅提高的技术难题。

电爆炸室1可用非金属材料制成，导线3可从电爆炸室1的封闭端横向穿过，其与断开状电极2平行且由爆炸室的室体隔离，导线3尽可能处于近爆炸室1封闭端的端面以缩小与电极2的间隔距离，而电极2则要与导线3保持一定的间距，以使导线3与电极2始终保持绝缘状态，或可将导线3设置在爆炸室1封闭端端面，在导线3与电极2间设置一绝缘陶瓷板4(其厚度在5～10mm范围)，绝缘陶瓷板4将导线3与电极2隔开，以使两者为绝缘状态；或穿入封闭端体内的导线3与断开状电极2平行，其端头与封闭端另一侧的断开状电极2的一极电极连接，电极2的另一极电极和导线3均与电路连接，当电极2联结爆炸箔14后，由于形成回路，导线3通过大电流时，电流方向是流经爆炸箔14后返经处于其上方的与其平行的导线3，使爆炸箔14所通过的电流方向与流过穿入封闭端体内的导线3的电流方向强度相等但电流方向相反，使平行于电极2的导线3的产生电磁力且该电磁力可直接作用在爆炸粒子上；为增强电爆炸室1的强度及耐用性，电爆炸室1可为绝缘陶瓷材料制成。

电爆炸室1也可为金属材料制成，导线3的设置方式可与上述非金属材料的电爆炸室相同，但导线3须绝缘，并在电爆炸室1封闭端的端面铺设一绝缘陶瓷板4，陶瓷板4的一端面与电爆炸室1封闭端的端面接触，其另一端面可与断开状电极2接触或不接触，绝缘陶瓷板即可耐高温冲击又可起到绝缘作用。

通过电磁场分析，金属箔14所受电磁力f和金属箔14与电极板3的距离a之间的关系如图3所示

计算实例：

取：I＝9.65×10⁵×e^-25tsinωt，b₁＝12mm，b₂＝8mm

L＝50mm，t＝T/4时

式中，I为通过爆炸片电流，b₁为下电极板宽度，b₂为爆炸片宽度，l为爆炸片长度，t为时间，T为脉冲电流振荡周期。

为提高喷涂效率，可设置多对断开状电极2，每对电极可按设定的时间顺序同时或间隔通电以发生电爆炸；为适应对不同形状、多个或不同需涂层部位的工件12喷涂，断开状电极2的排列可采用直线排列或曲线排列或空间立体(既环绕工件四周的上下左右方位)排列，以适于对不同形状的工件或工件的不同部位进行喷涂。

为防止易高温氧化的涂层材料因电爆炸而产生的融熔粒子在飞行中会与大气中的氧气接触发生反应，从而造成涂层中含有氧化物，或待涂覆材料为易氧化的金属，电爆炸室1和工件12可置于一可密闭的容器(图中未示出)内，该容器为一真空罐，容器与真空机连接，真空机与容器之间设有截止阀门；在喷涂过程中，可将容器密闭，打开截止阀门，启动真空机，将容器抽为真空(真空度最高4×10-4pa)，或将容器内充入保护性的惰性气体并保持一定的压力，便可制备出高质量的涂层，可避免金属被氧化，对于其它不易高温氧化的涂层材料，则可在大气中直接进行喷涂，无需使用真空机。

由于单台电爆炸喷枪的喷涂面积有限，可使用多台电爆炸喷枪多点同时电爆炸，可喷涂更大面积的涂层并使涂层的均匀和工艺一致。

Claims (5)

1.一种电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其步骤如下：

a.在待加工的材料表面作常规的清洁处理；

b.在一端开口的半封闭腔体电爆炸室(1)的封闭端设有两电极(2)，两电极(2)之间接有可导电的喷涂材料制成的箔、丝状物的爆炸片(14)；

c.在电爆炸室(1)的开口端处设置待加工的工件(12)；

d.两电极(2)通过10万～30万安培的冲击大电流，箔、丝状物的爆炸片(14)在大电流的作用下发生电爆炸并向电爆炸室(1)的开口端高速运动；

e.上述两电极(2)之一接一导线(3)并平行设于两电极(2)的另一侧，两电极(2)通过大电流时导线(3)同步通过一电流方向与两电极(2)通过的电流相反的大电流，产生一个磁场，磁场力亦驱动电爆炸产生的待喷涂材料的微粒；高速运动的微粒与待加工的工件(12)表面产生高速碰撞在工件表面形成喷涂层(13)，喷涂颗粒运动速度在2000～4500m/s范围，喷枪内压力幅值为200～500MPa。

2.根据权利要求1所述的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其特征在于上述的电爆炸室(1)的内腔的横向尺寸应大于或等于两电极(2)之间的距离，所述的箔、丝状物的爆炸片(14)的截面为矩形的箔片。

3.根据权利要求2所述的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其特征在于所述的箔、丝状物的爆炸片(14)为难熔金属W、Mo、Ta、Zr，或为导电陶瓷TiC、WC-Co、ZrC、TiB₂、TiN、HfC、VC、Cr₃C₂，或金属间化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr₂C₃丝喷涂材料。

4.根据权利要求1或2或3所述的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其特征在于所述的平行设于两电极的另一侧导线(3)为断面为矩形的扁平状导体，该断面为矩形的扁平状导体的长度与电爆炸室(1)内腔的横向长度等长，宽度大于或等于箔、丝状物的爆炸片(14)的宽度，在10～20mm范围。

5.根据权利要求4所述的电爆炸-电磁加速超高速喷涂工艺，其特征在于上述的工艺过程在真空状态或保护气体下进行。

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