CN104250719B - 大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，属于表面工程技术领域。在进行等离子喷涂时，采用该装置能够在喷枪外形成具有稳定流场和温度场的涡流保护气氛，有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，保证复合涂层的纯度及性能，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能。该喷涂装置包括喷枪、保护罩和套筒。保护罩同轴套装在喷枪的喷头上，保护罩上设置保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道。其中扩张气流通道能够扩大气体的保护范围，涡流通道能够在喷枪外形成涡流保护气氛，不仅能够方便的控制粉末飞行的轨迹，还可起到搅拌反应气体和喷涂颗粒的作用，使气体和颗粒分布更为均匀，从而有利于二者充分反应，制备性能良好的涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷涂装置，具体涉及一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，属于表面工程技术领域。
背景技术
随着航空、航天及民用技术的进步与发展，对发动机等热端部件的使用温度提出了更高的要求，热障涂层可以有效地为热端部件提供隔热、抗氧化、抗腐蚀的作用并延长热端部件的使用寿命。抗氧化涂层是针对于提高热端部件的抗氧化性能而开发的热障涂层体系，包含有硅化物、硼化物等，其机理在于涂层服役时，在高温下易氧化元素通过氧化反应形成氧化物填充涂层裂纹等缺陷，从而起到阻挡氧的渗入，起到提高涂层氧化性的作用。
目前，制备抗氧化涂层的方法主要有包埋法、化学气相沉积法、激光熔覆法以及等离子喷涂法。包埋法要求在高温下长时间扩散，试样尺寸受到限制，基体性能容易发生变化；化学气相沉积法制备的涂层成分变化有限，表面涂层厚度太薄；激光熔覆制备涂层成型差，孔洞较多，不适用于形状复杂的工件。等离子喷涂技术制备的涂层具有基体变形小、涂层成分在较大范围内可控、厚度易控制、易操作等优点，因此是制备热障涂层的常用技术。但是常规的等离子喷涂是在如喷涂间的大气敞开环境里进行的，使得粉末在高温焰流中易发生氧化，导致涂层内氧化物含量较高，影响涂层在服役过程中的使用寿命和涂层性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，在进行等离子喷涂时，采用该装置能够在喷枪外形成具有稳定流场和温度场的涡流保护气氛，有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，保证复合涂层的纯度及性能，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能。
该等离子喷涂装置包括：等离子喷枪、保护罩和套筒；所述保护罩为具有中心孔的环形结构，同轴套装在等离子喷枪的喷头上；保护罩由依次同轴设置的锥形段、柱形段A和柱形段B组成；其中柱形段A的直径小于柱形段B的直径。
在所述保护罩内设置有保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道；具体为：在保护罩锥形段的小端端面上沿其周向均匀分布有一圈以上轴向通孔，形成一个以上保护气流通道；所述轴向通孔的间距和孔径保证保护气流通道出来的保护气流能够扩散至保护罩的轴线上；在所述柱形段B的外圆周面沿其周向均匀分布有一圈通孔，所述通孔为沿保护罩轴向的螺旋孔，螺旋延伸至保护罩的内表面，由此形成涡流通道；在所述锥形段的锥形面上沿其周向均匀分布有一圈盲孔，盲孔的轴线垂直于锥形段的母线，在保护罩柱形段B的端面上沿其周向加工有一圈与上述盲孔一一贯通的轴向孔，由此形成扩张气流通道。
所述套筒同轴固接在保护罩柱形段B的端部，套筒与柱形段B相连的一端为凹形结构，该凹形结构的内圆周面与柱形段B的外圆周面匹配，内端面与柱形段B的端面匹配；在该凹形结构的内圆周面上加工有与涡流通道贯通的环形槽，内端面上加工有两个以上分别与保护气流通道和扩张气流通道一一对应贯通的环形槽；上述环形槽分别通过接气管与相应的气瓶连接。
形成保护气流通道的轴向通孔的间距为1mm-3mm，孔径为0.5mm-1.5mm。
形成涡流通道的螺旋孔的螺旋角度为15°。
所述螺旋孔、盲孔及轴向通孔的孔径依次增大。
有益效果：
(1)采用该装置在进行等离子喷涂时能够在喷枪外形成涡流保护气氛，涡流气氛作为保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉末可以在涡流的作用下垂直于工件表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹以及粉末的温度场和速度场的标定。有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，保证复合涂层的纯度及性能，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能。同时涡流气体对喷枪口边缘产生剪切力，以解决传统不加此保护罩的喷涂过程中，喷枪口边缘处易粘结粉末的问题，达到自清洁的目的。
(2)在该保护罩上设置有多组通孔，可通入不同的气体。在实际运用中，若喷涂需要反应气体的参与，除通入保护气体外，也可从通孔中通入反应气体。在喷涂过程中，在焰流的高温下反应气体与其他原料反应，形成所需物质，进而形成涂层。同时通入反应气体后，涡流保护气体可起到搅拌反应气体和喷涂颗粒的作用，使气体和颗粒可以分布更为均匀，从而有利于二者充分反应，制备性能良好的涂层。
附图说明
图1为保护罩的立体图；
图2为套筒的剖视图。
其中：1-锥形段、2-柱形段A、3-柱形段B、4-轴向通孔、5-圆孔、6-螺旋孔
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，通过该装置在敞开环境里进行等离子喷涂时，能够在喷枪外形成涡流保护气氛，有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能。
该喷涂装置包括喷枪、保护罩和套筒，保护罩的结构如图1所示，包括依次同轴设置的锥形段1、柱形段A2和柱形段B3。其中柱形段A2的直径小于柱形段B3的直径，由此在柱形段A2与柱形段B3之间形成台阶；保护罩的中心孔为阶梯孔。
在所述保护罩内设置有保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道,具体为：在保护罩锥形段1的小端端面上沿其周向均匀分布有两圈轴向通孔，由此形成两个保护气流通道。轴向通孔的间距和孔径保证每个轴向通孔出来的气流在保护罩的轴线上有交叠，即保证保护气流通道出来的保护气流能够扩散至保护罩的轴线上，从而在保护罩的中心也能形成保护氛围，避免存在保护气体的盲区，影响喷涂效果。本实施例中轴向通孔的间距为2mm，孔径为1mm。在锥形段的锥形面上沿其周向均匀分布有一圈圆孔，圆孔的轴线垂直于锥形段的母线，从而使圆孔的轴线与保护罩轴线方向呈一定角度，在保护罩柱形段B的端面上沿其周向加工有一圈与上述锥形段上的圆孔一一贯通的轴向孔，由此形成扩张气流通道，以扩大保护气氛的范围。在柱形段B的外圆周面沿其周向均匀分布有一圈通孔，该通孔为沿顺时针方向螺旋上升的螺旋孔，旋转倾角为15°，由此形成涡流通道。涡流通道用于在保护罩的中心孔内形成涡流，当进行等离子喷涂工艺制备涂层时，保护气体通过涡流通道在喷枪外形成涡流保护气氛。上述形成涡流通道的螺旋孔的孔径、形成扩张气流通道的圆孔的孔径、形成保护气流通道的轴向通孔的孔径依次增大，以保证喷枪中心的焰流不受影响。
套筒的结构如图2所示，套筒同轴固接在柱形段B的端部(在柱形段B的端面上有三圈同心的圆孔)。套筒与柱形段B相连的一端为凹形结构，该凹形结构的内圆周面与柱形段B的外圆周面匹配，内端面与柱形段B的端面匹配。在该凹形结构的内圆周面螺旋孔所在位置加工有环形槽，该环形槽与涡流通道贯通；该凹形结构的内端面上加工有三个同心的环形槽，该三个环形槽分别与扩张气流通道和两个保护气流通道一一对应贯通。每个环形槽内通过四个通孔与接气管相连，每个接气管与相应的气瓶连接。所述气瓶为保护气体气瓶或反应气体气瓶。
采用该装置进行喷涂时，将保护罩同轴套装在喷枪的喷头上，采用氩气作为保护气体，将上述环形槽内的接气管与氩气瓶相连，也可选择一路保护气流通道与喷涂所需的反应气体的气瓶相连。
喷枪工作前，先打开氩气瓶，控制氩气的压力和流量，在喷枪口至基体材料之间形成保护气氛环境。然后再打开喷枪和反应气体的气瓶进行等离子喷涂，等离子喷涂过程中，由于保护气氛的存在，能够有效避免粉末在高温焰流中发生氧化；同时通入反应气体后，涡流通道出来的涡流保护气体可起到搅拌反应气体和喷涂颗粒的作用，使气体和颗粒可以分布更为均匀，从而有利于二者充分反应。喷涂结束后，先关闭喷枪和反应气体的气瓶，再关闭氩气瓶。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，其特征在于，包括：等离子喷枪、保护罩和套筒；所述保护罩为具有中心孔的环形结构，同轴套装在等离子喷枪的喷头上；保护罩由依次同轴设置的锥形段、柱形段A和柱形段B组成；其中柱形段A的直径小于柱形段B的直径；
在所述保护罩内设置有保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道；具体为：在保护罩锥形段的小端端面上沿其周向均匀分布有一圈以上轴向通孔，形成一个以上保护气流通道；所述轴向通孔的间距和孔径保证保护气流通道出来的保护气流能够扩散至保护罩的轴线上；在所述柱形段B的外圆周面沿其周向均匀分布有一圈通孔，通孔为沿保护罩轴向的螺旋孔，螺旋延伸至保护罩的内表面，由此形成涡流通道；在所述锥形段的锥形面上沿其周向均匀分布有一圈盲孔，盲孔的轴线垂直于锥形段的母线，在保护罩柱形段B的端面上沿其周向加工有一圈与上述盲孔一一贯通的轴向孔，由此形成扩张气流通道；
所述套筒同轴固接在保护罩柱形段B的端部，套筒与柱形段B相连的一端为凹形结构，该凹形结构的内圆周面与柱形段B的外圆周面匹配，内端面与柱形段B的端面匹配；在该凹形结构的内圆周面上加工有与涡流通道贯通的环形槽，内端面上加工有两个以上分别与保护气流通道和扩张气流通道一一对应贯通的环形槽；上述环形槽分别通过接气管与相应的气瓶连接。
2.如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，其特征在于，形成保护气流通道的轴向通孔的间距为1mm-3mm，孔径为0.5mm-1.5mm。
3.如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，其特征在于，形成涡流通道的螺旋孔的螺旋角度为15°。
4.如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂装置，其特征在于，所述螺旋孔、盲孔及轴向通孔的孔径依次增大。
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