CN103874313A - 一种内送粉超音速等离子喷枪 - Google Patents

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一种内送粉超音速等离子喷枪，采用参数化结构设计方法，并结合数值模拟技术完成喷枪设计。主要包括阴极、阳极、送粉气流道以及阴阳极配合而成的主气流道。通过改变阳极喷嘴内部压缩段与扩张段各孔道参数来调节喷嘴的机械压缩效果，使得喷枪内等离子体射流具有高的能量密度和速度，提高了喷枪的热效率，同时保证电弧电压的稳定性。改变内送粉角度至最佳位置，有利于喷涂粉体材料的加热与加速以及解决了喷枪堵嘴问题。以上喷枪尺寸的选择都是基于先进的计算机模拟技术，大大缩短了喷枪开发周期，降低了设计成本，结果表明新的喷枪结构具有比原结构更好的流场特性。

Description

一种内送粉超音速等离子喷枪
技术领域
本发明涉及一种喷涂设备，具体涉及一种内送粉超音速等离子喷枪。
背景技术
超音速等离子喷涂（SAPS）是指在传统非转移型等离子弧基础上，通过对高压、高速等离子气体进一步强力压缩和加速而获得的高能量密度、加长的扩展等离子弧，可获得数倍于音速的超音速等离子体射流来进行喷涂的方法。与普通等离子喷涂（喷涂粒子速度约200～400m/s）相比，超音速等离子射流的高能量密度能够瞬间熔化高熔点喷涂材料，并能迅速加速熔融粒子突破声障至450～900m/s的超音速水平。研究表明，用超音速等离子喷涂制备出的细密柱晶新型结构热障涂层在热震性能、隔热性能和高温氧化等方面均有所提高。
喷嘴是喷枪的关键部件，也是易损件，喷嘴的设计在于确定压缩孔道参数和几何形状。喷嘴几何形状的设计重点是围绕提高喷枪功率，解决喷枪烧损问题以及在强制冷却上应采取的措施。圆孔型喷嘴、收敛-扩张型喷嘴和钟型喷嘴都是传统喷嘴，虽然加工简单，可是各自的问题很多。圆孔型喷嘴内的温度过高，使用寿命较短；收敛-扩张型喷嘴的射流在出口平面含有不平行于喷嘴轴线的动态分量，这些发散的流动分量会诱导粉末的轨迹发散，使一些粉末在喷涂过程中飞出射流或者降低了速度；钟型喷嘴有堵粉倾向，不适合于内送粉等等。拉法尔(Laval)喷嘴设计理论来自Laval原理，喷涂效果最好，现有的超音速等离子喷枪则采用此喷嘴。虽然SAPS体现出很大的优势，但现有的超音速等离子喷枪在实际应用过程中仍然存在喷枪热效率低，喷嘴、电极使用寿命低，喷嘴阻塞问题严重，射流状况不稳定、制备高质量涂层组织结构难以控制、重复性低、涂层质量批次稳定性差等问题。利用工艺实验来优化喷枪结构这种传统的先设计加工、后实验优化的方法也存在一定的盲目性，而且效率低、成本高，已经很难满足现在等离子喷枪的开发周期。而且难以用实验方法检测喷枪内部的流场特性，从物理性能上对喷枪结构参数与涂层微观结构关系的影响不清楚，所以已很难通过实验手段来准确评价喷枪结构性能的好坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种喷枪内等离子体射流具有高的能量密度和速度，且提高喷枪的热效率，同时保证电弧电压的稳定性，使得喷枪工作效率高，喷嘴、电极使用寿命长，喷嘴阻塞率低，射流稳定，涂层质量批次稳定性好的内送粉超音速等离子喷枪。
为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案是：包括枪体以及安装在枪体内的阴极，所述的阴极包括圆柱状主体和锥形结构的前端部，还包括一端插入枪体内与阴极前端部锥形结构相配合的阳极，所述的阳极内开设有收敛-扩张型的主气流道，且压缩扩张段为拉法尔曲面，阳极的外壁上还开设有与主气流道相连通的送粉气流道，枪体内分布有冷却水流道和气流通道，在气流通道内安装有气体分配环，气体分配环上开设有与主气流道相连通的进气孔。
所述的阴极前端部圆锥形的头部尖点采用圆台形结构。
所述的阴极端部的直径为d1为8-10mm，圆柱状主体的直径d2为5-7.5mm。
所述的主气流道沿气流方向的孔径分别为r1、r2、r3，其中，r1为5-5.5mm、r2为3.5-4.5mm、r3为5.5-6.0mm。
所述的送粉气流道中心线与主气流道中心线的夹角α为85°，送粉气流道的入口距喷枪出口为15mm、孔径为2.2mm。
所述的气体分配环沿周向均匀分布有3个直径为2.0mm的进气孔。
所述的阴极和阳极材料分别为钨和紫铜。
本发明采用参数化结构设计方法，并结合数值模拟技术完成喷枪设计。主要包括阴极、阳极、送粉气流道以及阴阳电极配合而成的主气流道。通过改变阳极喷嘴内部压缩段与扩张段各孔道参数来调节喷嘴的机械压缩效果，使得喷枪内等离子体射流具有高的能量密度和速度，同时保证电弧电压的稳定性。改变内送粉角度至最佳位置，有利于喷涂粉体材料的加热与加速。以上喷枪尺寸的选择都是基于计算机模拟技术，结果表明新的喷枪结构具有比原结构更好的流场特性。大大缩短了喷枪开发周期，降低了设计成本，更能满足涂层性能对喷枪结构的要求。
本发明在较低等离子电流（<500A）和功率(<70KW)下，能够得到高的等离子体射流速度和温度；喷枪工作效率高，喷嘴、电极使用寿命长，喷嘴阻塞率低，射流稳定，涂层质量批次稳定性好；喷枪开发周期短，成本低。
附图说明
图1为本发明喷枪总体结构示意图；
图2为喷枪关键参数标注示意图；
图3为本发明喷枪与现有喷枪的速度对比图；
图4为本发明喷枪与现有喷枪的温度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括枪体5以及安装在枪体内的阴极2，所述的阴极2包括圆柱状主体和锥形结构的前端部，还包括一端插入枪体5内与阴极2前端部锥形结构相配合的阳极6，所述的阳极6内开设有收敛-扩张型的主气流道8，且压缩扩张段为拉法尔曲面，阳极6的外壁上还开设有与主气流道8相连通的送粉气流道7，枪体5内分布有冷却水流道4和气流通道1，在气流通道1内安装有气体分配环3，气体分配环3上开设有与主气流道8相连通的进气孔。
本发明的阴极2前端部圆锥形的头部尖点采用圆台形结构，阴极2端部的直径为d1为8-10mm，圆柱状主体的直径d2为5-7.5mm。
本发明的主气流道8沿气流方向的入口孔径为r1、喉部孔径为r2、出口孔径为r3，其中，r1为5-5.5mm、r2为3.5-4.5mm、r3为5.5-6.0mm。
本发明的送粉气流道7中心线与主气流道8中心线的夹角α为85°，送粉气流道7的入口距喷枪出口为15mm、孔径为2.2mm。
本发明的气体分配环3沿周向均匀分布有3个直径为2.0mm的进气孔。
本发明的阴极2和阳极6材料分别为钨和紫铜。
本发明的技术核心在于阳极喷嘴内部主气流道为收敛-扩张型，且压缩扩张段为拉法尔曲面，它的结构特点是在喷嘴的型面上,为达到射流出口的压力与喷涂环境压力相等的目的，这个喷嘴的入口(上游段)是个收敛截面，紧接着一个喉颈（径向尺寸最小），出口是扩张形的像钟形截面的下游段，通过参数化结构设计，采用层次分析法，可得出喉部直径对喷枪结构性能影响最大，喉部直径为3.5-4.5mm，喷嘴出口直径为5.6mm。在这个型面内产生的等离子射流在喷枪内具有高的能量密度和速度，喷口处是超音速的层流，方向性很强，对粉末的加热加速均匀，环境气氛对喷涂粉末影响也小，射流的膨胀为理想膨胀，消除了激波和膨胀扇面，与原有技术的喷嘴相比有更低的飞粉率。
考虑阳极边界层区域、等离子气体内部的电离与复合反应和非局域热平衡效应，可以得到喷枪内部的多物理分布以及喷枪内外气流特性。多物理场分布包括电场分布、磁场分布和电流密度分布；气流特性主要包括气流温度、速度以及压力，而这些物理量受喷嘴的形状和尺寸的影响很大，可以用来评判喷枪性能。
技术解决方案还包括所述的送粉气流道中心线与主气流道中心线的夹角α为85°，喷涂材料粉体经由位于距喷嘴出口15mm的送粉口，通过一个孔径为2.2mm的送粉流道送入主气流道的主气流中，可以有效解决喷枪堵嘴问题。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
工作气体由气流通道1经气体分配环3进入阴阳极之间的主气流道8。气体分配环3沿周向均匀分布有3个直径为2.0mm的进气孔。直流电源的正极连接在阳极6上，直流电源的负极则连接在阴极2上。所述的圆锥形阴极2头部尖点采用圆台形，有利于引弧和稳弧，也可防止尖点烧损。阴极的锥角应与喷嘴的压缩角相配合，且小于喷嘴的压缩角；阴极由于热电子发射和承受很大能量的正离子轰击，使电极具有极高的温度，局部热负荷相当高，选择熔点高、电子发射能力强的钨棒作为阴极，综合考虑阴极尺寸与几何形状，尺寸d1为8-10mm，d2为5-7.5mm，且d1、d2在小范围内变化对喷枪性能影响不大。所述的阴极电流密度越小，阴极温度低，使用寿命长。
参见图3，4，通过优化喷枪结构，新型高效能内送粉超音速等离子喷枪相对于传统的超音速等离子喷枪热效率更高，在相同使用功率的情况下，具有更高的射流速度和温度，通过改变主气流道孔道直径、减小孔道的压缩角，可以提高压缩效果，使弧柱变细，电弧能量密度提高；新型喷枪送粉气对射流的影响也较小，而且喷涂粉体更容易送入气流中心，解决了喷嘴堵嘴问题。

Claims (7)

1.一种内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：包括枪体（5）以及安装在枪体内的阴极（2），所述的阴极（2）包括圆柱状主体和锥形结构的前端部，还包括一端插入枪体（5）内与阴极（2）前端部锥形结构相配合的阳极（6），所述的阳极（6）内开设有收敛-扩张型的主气流道（8），且压缩扩张段为拉法尔曲面，阳极（6）的外壁上还开设有与主气流道（8）相连通的送粉气流道（7），枪体（5）内分布有冷却水流道（4）和气流通道（1），在气流通道（1）内安装有气体分配环（3），气体分配环（3）上开设有与主气流道（8）相连通的进气孔。
2.根据权利要求1所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的阴极（2）前端部圆锥形的头部尖点采用圆台形结构。
3.根据权利要求1或2所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的阴极（2）的端部直径为d1为8-10mm，圆柱状主体的直径d2为5-7.5mm。
4.根据权利要求1所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的主气流道（8）沿气流方向的入口孔径为r1、喉部孔径为r2、、出口孔径为r3，其中，r1为5-5.5mm、r2为3.5-4.5mm、r3为5.5-6.0mm。
5.根据权利要求1所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的送粉气流道（7）中心线与主气流道（8）中心线的夹角α为85°，送粉气流道7的入口距喷枪出口为15mm、孔径为2.2mm。
6.根据权利要求1所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的气体分配环（3）沿周向均匀分布有3个直径为2.0mm的进气孔。
7.根据权利要求1所述的内送粉超音速等离子喷枪，其特征在于：所述的阴极（2）和阳极（6）材料分别为钨和紫铜。
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