CN104498862B - 高速燃气‑电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速燃气‑电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪。热喷涂方法包括步骤：借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层。基于本发明热喷涂方法，引弧熔化的丝材在压缩空气助燃煤油形成的低氧气含量的超音速燃气作用下，可对待喷涂部件表面可实现高效喷涂，所得的喷涂层质量良好。

Description

高速燃气-电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪

技术领域

本发明涉及一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，以及该热喷涂方法所使用到的喷枪，属于热喷涂技术领域。

背景技术

目前因热喷涂可以制备出种类繁多的金属基和陶瓷基涂层材料，故其被广泛用来实现各种基体零件的尺寸恢复和表面改性，其中的高速燃气喷涂是利用燃料在燃烧室内剧烈燃烧产生高速燃气加速、加热喷涂材料的一种重要的热喷涂技术。按助燃剂种类来分，高速燃气喷涂技术通常包括以氧气助燃的高速氧气火焰(HVOF)喷涂和以空气助燃的高速空气火焰(HVAF)喷涂，按燃料种类来分，高速燃气喷涂技术可分为气体燃料、液体燃料的喷涂技术。

HVOF喷涂技术适宜的燃料众多，例如以丙烷、甲烷、丙烯、天然气、氢气等为代表的气体燃料和以煤油为代表的液体燃料。燃料和氧气在燃烧室完成快速的燃烧反应后，产生的燃气迅速膨胀，经特殊设计的缩扩型喷嘴加速后以超音速的速度推动喷涂粒子高速沉积，同时HVOF喷涂产生的火焰温度很高，例如丙烷和氧气的理论燃烧温度可达2800℃，因此可以加热熔化绝大多数包含金属和陶瓷在内的高熔点材料。HVOF喷涂装置最初由JamesA.Browning在1982年发明，请参见美国专利号为4342551和4343605的专利中的相关描述。后来为了改善其喷涂性能，增大其喷涂粒子的飞行速度，又出现了许多对HVOF喷涂装置(喷枪)进行改进的技术，请参见美国专利号为4370538、4416421、4540121、4568019、4634611、4836447、5019686、5206059、5535590以及中国专利号为01128773.X的专利中的描述，这些改进技术从既无燃烧室也无加速喷嘴的开放式结构逐步完善成为现今的封闭式喷枪结构，燃烧室和加速喷嘴的共同作用使得其可以使用更大流量的氧气和燃料，焰流速度也大大提高，喷涂粒子的飞行速度也达到2倍以上音速的水平。目前国际市场上先后出现了以Jet-kote、Top-Gun、DJ-2700、JP-5000、θ-Gun、Aerospray等为代表的HVOF喷涂设备产品。

HVOF喷涂技术通常需要消耗大流量的氧气和燃料，工业应用成本也较高，对于气体燃料在运输、储存和使用过程中还存在爆炸的风险。为了摆脱对高成本氧气的依赖，以空气助燃的HVAF喷涂技术应运而生(请参见美国专利号为5120582、5405085、5520334的专利)。HVAF喷涂技术主要发展模式是以煤油和空气的燃烧方式，煤油通过高效雾化的喷嘴雾化成液滴，同时和压缩空气掺混后着火燃烧，为喷涂提供高温高速的燃气能量。这种HVAF喷涂技术和煤油为燃料的HVOF喷涂技术在原理上存在相似处，但是在具体的技术实现方法上却存在很大的不同，这主要是因为煤油和空气的高速燃烧要比煤油和氧气之间的燃烧困难得多，具体包括：1)HVAF喷涂技术要求煤油具备更高质量的雾化效果；2)在高速状态下实现煤油和空气的点火非常困难，例如煤油燃料的HVOF喷涂技术使用火花塞就可点燃，而用在HVAF喷涂技术上基本是很难实现的；3)煤油和空气混合物着火后极易熄灭，需要专门的稳焰措施；4)空气和煤油的混合比波动范围比较小，使得喷涂工艺参数的调节范围小。针对这些困难，已出现了很多尝试克服的办法，也因此派生出了一些新工艺，例如专门设计的煤油-空气雾化喷嘴及燃烧室，并先通过气体燃料点燃火焰产生的热量引燃空气和煤油的混合物，但此种外加小火焰的方法需增配气体燃料供应装置，一定程度上增加了设备的复杂程度；又例如出现的活性燃烧HVAF喷涂方法及设备，其拓展了HVAF喷涂技术的研究和应用，但该方法对活性燃烧核心装置(附着催化剂的多孔陶瓷材料)的性能要求较高。

在热喷涂技术中，还包括一种重要的喷涂工艺就是电弧(Arc)喷涂，它曾是工业应用中继高速燃气喷涂和等离子喷涂之后的第三大热喷涂技术。电弧喷涂是通过两根金属丝得电起弧，电弧产生的高热量迅速熔化丝材，并通过高速空气或其它气体雾化熔滴的一种喷涂工艺，与HVOF和HVAF喷涂技术相比，电弧喷涂最大的优势就是生产效率高、设备投资和运行成本低，例如使用碳钢丝作为喷涂材料的电弧喷涂效率可达6-8kg/h，是常规粉末HVOF和HVAF喷涂技术的4倍以上，空气雾化的电弧喷涂主要使用电能，其运行成本通常不到HVOF喷涂技术的1/10。但是，电弧喷涂技术的最大瓶颈就是粒子沉积速度和涂层结合强度低、使用空气雾化时金属氧化严重，这些问题严重制约了该技术的进一步发展。

鉴于此，Kosikowskia等人曾经研究出了HVOF-Arc复合喷涂方法，它是使用丙烯和氧气产生的高速燃气将两根或四根金属丝材经电弧熔化后加速雾化喷射，喷涂的粒子速度可达300m/s以上。另外，V.Baranovski等人在美国专利(美国专利号为6245390B 1)中还介绍了一种运用丙烷燃料和空气的活性燃烧气与电弧复合的喷涂方法及喷枪设备。这两种高速燃气与电弧喷涂复合喷涂方法都是利用气体燃料与氧气或空气燃烧产生的高速燃气加速雾化金属丝材，因此，气体燃料在运输、储存和使用时同样存在着诸多不便，氧气作为助燃剂时运行成本较高。

由此可见，设计出一种将高速燃气与电弧高效结合使用并可避免出现上述不足的热喷涂技术方案，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，以及该热喷涂方法所使用的喷枪，经由该热喷涂方法，引弧熔化的丝材在压缩空气助燃煤油形成的低氧气含量的超音速燃气作用下，可对待喷涂部件表面实现高效喷涂，所得的喷涂层质量良好。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：

借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层。

一种所述的高速燃气-电弧复合热喷涂方法使用的喷枪，其特征在于：它包括超音速燃气形成室，该超音速燃气形成室包括缩扩型喷嘴、燃烧室，该燃烧室的出口端设有该缩扩型喷嘴，该超音速燃气形成室的外壁装配有外枪体，该外枪体的内壁与该燃烧室的外壁之间形成环型密闭冷却水流动腔，该冷却水流动腔与设于该外枪体上的冷却水输入接口、冷却水输出接口连通，该外枪体的内壁与该缩扩型喷嘴的外壁之间形成环型密封压缩空气输送腔，该压缩空气输送腔与设于该外枪体上的压缩空气输入接口连通，该缩扩型喷嘴的输出口与至少两个导丝器的出口相对应设置，该燃烧室的入口端安装有头盖，该头盖的中心腔内安装有等离子点火器，该等离子点火器的喷射口与该燃烧室的燃烧腔相通，该等离子点火器的外壁与该头盖的中心腔内壁之间形成有用于实现煤油与压缩空气掺混得到环状高速喷射油气混合流的环型腔流道，该环型腔流道的一端口与外部隔离且与该等离子点火器的输气孔连通以及经由该头盖上开设的输气通道、该燃烧室壁面上开设的贯穿孔与该压缩空气输送腔连通，该环型腔流道的另一端口与该燃烧室的该燃烧腔相连通，该环型腔流道上位于该环型腔流道的两端口之间的部位经由输油通道与设于该头盖上的煤油输入接口连通。

本发明的优点是：

1、本发明一方面提出了压缩空气助燃煤油的燃烧设计方案，充分利用了煤油及压缩空气的安全、便携和低成本的优势，弥补了现有燃气与电弧复合喷涂技术的不足。另一方面在借助压缩空气助燃煤油形成的超音速燃气的高能量提高了电弧喷涂的雾化速度的同时，减小了常规空气电弧喷涂方法存在的严重氧化问题，在整体上提升了电弧喷涂层的质量。在本发明中，油气混合物经过燃烧腔、收缩腔、扩张腔后已实现了充分的燃烧，压缩空气中的氧气消耗殆尽，因而产生的超音速燃气一方面可以实现对于喷涂材料(丝材)的加速雾化，另一方面熔化的喷涂材料处在低氧气含量的射流气氛中，有效降低了对喷涂材料的氧化，从而整体上改善了涂层的质量。

2、与现有高速燃气喷涂技术所采用的火花塞或外加小火焰点火方式相比，本发明采用的空气等离子体点火方式的点火能量更高，点火可靠，且可直接使用压缩空气源作为等离子体产生气源，无需额外增加多余气体供应装置，极大简化了设备组成。

3、本发明提出了水冷与压缩空气联合冷却的方式，实现了对整体燃烧系统的高效降温。

4、面对高速喷射状态下煤油与压缩空气混合燃烧较困难的现状，针对本发明热喷涂方法，本发明设计了特殊结构的喷枪，解决了以下几个问题：一是通过环型腔流道、喷油嘴的设计，实现了煤油和压缩空气的均匀混合以及煤油的充分雾化；二是使用空气等离子体点火方式，实现了高速状态下煤油与压缩空气的可靠点火；三是通过环型腔流道的环状端口的结构设计，实现了稳焰效果，保证了煤油与压缩空气的持续燃烧；四是通过对导丝器的结构设计，在高速燃气与丝材汇合时解决了送入丝材的导丝器的绝缘和耐高温问题。

附图说明

图1是本发明喷枪的一较佳实施例结构示意图。

图2是图1的A-A向剖视示意图。

图3是图2中的B部分放大示意图。

图4是控制系统的构成示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，它包括以下步骤：

1)借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流，喷射出的油气混合流的速度可达100m/s以上；

2)使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成速度在1倍以上音速的燃气后向丝材喷射；

3)丝材通电起弧熔化并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层，完成热喷涂作业。

在上述本发明热喷涂方法中，对燃烧的油气混合流可使用水与压缩空气联合冷却的方式降温。

图1至图3示出了本发明热喷涂方法所使用的喷枪的一较佳实施例。如图1至图3所示，本发明高速燃气-电弧复合热喷涂用喷枪100包括使油气混合流充分燃烧、加速而形成超音速燃气的超音速燃气形成室，该超音速燃气形成室包括缩扩型喷嘴、具有燃烧腔32的筒型燃烧室1，该燃烧室1的出口端设有该缩扩型喷嘴，该缩扩型喷嘴由具有收缩腔52的喇叭状收缩喷嘴33、具有扩张腔51的筒型扩张喷嘴34构成，该收缩喷嘴33的大接口端与该燃烧室1的出口端相连，该收缩喷嘴33的小接口端与该扩张喷嘴34的入口端连接，该燃烧腔32、该收缩腔52、该扩张腔51相贯通，该燃烧室1与该缩扩型喷嘴所构成的结构为本领域的公知结构，故不再详述。该超音速燃气形成室的外壁装配有外枪体2，该外枪体2的内壁与该燃烧室1的外壁之间形成环型密闭冷却水流动腔41，该冷却水流动腔41与设于该外枪体2上的冷却水输入接口40、冷却水输出接口42连通，该冷却水输入接口40与该冷却水输出接口42位于该外枪体2的相异两侧。该外枪体2的内壁与该缩扩型喷嘴的外壁之间形成环型密封压缩空气输送腔26，该压缩空气输送腔26与该冷却水流动腔41两者之间相互分离，该压缩空气输送腔26与设于该外枪体2上的压缩空气输入接口7连通。该缩扩型喷嘴的输出口(即扩张喷嘴34的出口端)处相应设有至少两个导丝器，具体地说，该缩扩型喷嘴的输出口与至少两个导丝器的出口相对应设置(图中所示为两个导丝器的情形)。该燃烧室1的入口端安装有头盖8，该头盖8的中心腔内安装有实现压缩空气等离子体点火的等离子点火器，该等离子点火器的喷射口60与该燃烧室1的该燃烧腔32相通，该等离子点火器的外壁与该头盖8的中心腔内壁之间形成有用于实现煤油与压缩空气掺混得到环状高速喷射油气混合流的环型腔流道31，该环型腔流道31的一端口(指远离燃烧室1的环状端口)与外部隔离且与该等离子点火器的输气孔35连通，并且该环型腔流道31的该端口经由该头盖8上开设的输气通道、该燃烧室1壁面上沿轴向方向开设的贯穿孔27与该压缩空气输送腔26连通，该环型腔流道31的另一端口(环状端口)与该燃烧室1的该燃烧腔32相连通，该环型腔流道31上位于该环型腔流道31的两端口之间的部位经由输油通道46与设于该头盖8上的煤油输入接口11连通。

如图2，在实际设计时，两个导丝器相对于喷射方向倾斜设置，两个导丝器的出口之间相距一定距离，且较佳地，导丝器的出口呈倾斜状，两个导丝器之间的夹角α呈锐角且该锐角朝向缩扩型喷嘴的输出口设置，以使经由各导丝器的出口伸出的两个丝材(图中未示出)之间也呈相同锐角的夹角α。较佳地，为了得到高效喷涂效果，两个导丝器之间的夹角α应介于30度至60度之间。

如图2，导丝器包括固定安装在外枪体2上的陶瓷导丝管3，该陶瓷导丝管3上伸出外枪体2的一端口与缩扩型喷嘴的输出口相对应设置，该陶瓷导丝管3上伸出外枪体2的另一端口设有导电嘴6，该导电嘴6的外壁套设有导电接头4，该导电接头4与外枪体2之间设有绝缘套5，外枪体2与导电接头4之间通过该绝缘套5互相绝缘电隔离，丝材通过送丝机87送入导丝器，即穿过导电嘴6的送丝孔23以及陶瓷导丝管3的送丝孔43后，伸出陶瓷导丝管3的送丝孔43且与导电嘴6内壁保持电接触。

在本发明中，使用耐高温陶瓷材料制作的陶瓷导丝管3一方面保证了丝材与外枪体2之间的绝缘，另一方面，陶瓷导丝管3的出口端加工成斜面(即上面所述导丝器的出口呈倾斜状)可改善超音速燃气在丝材处的流态分布，同时避免了陶瓷导丝管3因过多受热而发生开裂。

如图1和图2，在实际设计中，在缩扩型喷嘴的输出口处，与导丝器的出口可相对应设有遮挡弧光的挡弧罩9。

如图3，等离子点火器包括阳极喷嘴12，该阳极喷嘴12的内腔内设有由紫铜材料制成的阴极柱14，阴极柱14上还可镶嵌锆或铪合金，该阴极柱14与电极连接柱15连接，该电极连接柱15经由绝缘件16固定设于该阳极喷嘴12上，以实现该阳极喷嘴12与该阴极柱14之间的固定安装，该阴极柱14与该阳极喷嘴12之间形成有电离腔室，该电离腔室与该阳极喷嘴12上开设的输气孔35连通，该阳极喷嘴12的外壁与头盖8的中心腔内壁之间形成有环型腔流道31，该电离腔室朝向燃烧室1的一端开设有喷射孔39，以形成与燃烧室1的燃烧腔32相通的喷射口60。

如图3，电离腔室被陶瓷分隔件13分割成电离前端腔室38、电离后端腔室36，该电离前端腔室38与该电离后端腔室36之间经由该陶瓷分隔件13上开设的贯通细孔37相通，该电离后端腔室36与输气孔35相通，该电离后端腔室36的流通截面积大于该电离前端腔室38的流通截面积，该贯通细孔37的总截面积大于该电离前端腔室38的流通截面积，喷射孔39的截面积小于该电离前端腔室38的流通截面积，且在实际设计时，在该喷射孔39与该电离前端腔室38之间还可设有一个呈喇叭状的过渡孔17，这样的结构设计可以使压缩空气在电离腔室内充分电离后从喷射口60喷出。

陶瓷分隔件13为耐高温陶瓷材料制作，其与绝缘件16一起起到了阳极喷嘴12与阴极柱14之间的电隔离作用。

在实际制造中，较佳地，阳极喷嘴12的外壁套设有筒型喷油嘴10，该喷油嘴10介于阳极喷嘴12与头盖8之间，该喷油嘴10与阳极喷嘴12之间形成环型腔流道31，输油通道46经由该喷油嘴10上的集油槽45、输油微小孔44而与环型腔流道31连通，环型腔流道31依次经由该喷油嘴10上的送气孔30、位于该喷油嘴10外侧、头盖8上开设的输气环状通道29、输气传送通道28而与燃烧室1壁面上开设的贯穿孔27连通。如图3，输气通道由输气环状通道29、多个输气传送通道28构成。在实际中，输气传送通道28可为各种形状的通道，例如图中示出的倾斜状输气传送通道28。

如图3，在本发明中，环型腔流道31上与燃烧腔32相连通的端口为环状端口，这样的结构设计可以使喷入燃烧腔32内的油气混合流的中部产生较大的回流区，进入到回流区内的油气混合流较稀薄且速度很低，因而即便燃烧腔32内燃烧的油气混合流的外周部分被后续快速喷射出的油气混合流吹灭，处于回流区内的油气混合流仍能够可靠燃烧，从而燃烧产生的热量足够再次引燃吹灭的油气混合流外周部分，保证燃烧腔32内的稳定燃烧，起到稳定火焰的作用。在实际设计时，阳极喷嘴12朝向燃烧腔32的一端还可设计成向外周边扩展延伸(喇叭状)的形式，当然并不局限于这种结构形式。

在实际设计时，输油微小孔44的孔径远小于输油通道46的孔径，环型腔流道31的间隙很窄，而从距离燃烧腔32由远到近来看，环型腔流道31的间隙由大到小设计，以使得这种结构设计可实现使煤油在环型腔流道31内被压缩空气充分碎化以及与压缩空气充分掺混、提高油气混合流喷射出的速度。在实际制作中，环型腔流道31的流通截面积介于6平方毫米与60平方毫米之间。

在实际设计时，如图3，输油微小孔44位于环型腔流道31两端口的中部，且较佳地，输油微小孔44相对于环型腔流道31倾斜设置，以使从输油微小孔44输出的煤油沿环型腔流道31朝向燃烧腔32方向运动，而不朝向输气孔35运动，以使得这种结构设计可使煤油不会经由输气孔35进入输气通道以及电离腔室内。

在实际设计中，如图1所示，在冷却水流动腔41与压缩空气输送腔26之间可设有使冷却水流动腔41与压缩空气输送腔26两者间相隔离的密封环18，在燃烧室1的入口端与头盖8之间可设有使燃烧腔32与贯穿孔27相隔离的密封环21、使贯穿孔27与冷却水流动腔41之间相隔离的密封环20，在头盖8与外枪体2之间可设有密封环24，在扩张喷嘴34的出口端与外枪体2之间可设有使压缩空气输送腔26与外界隔离的密封垫22。如图3所示，在喷油嘴10的外壁上可设有密封环19、25。

在本发明喷枪中，冷却水输入接口40、冷却水输出接口42、压缩空气输入接口7、煤油输入接口11、等离子点火器、导丝器与控制系统相连，如图4，该控制系统可包括水冷子系统、压缩空气供给子系统、煤油供给子系统、喷涂电弧发生子系统、空气等离子体发生子系统，其中：

该水冷子系统包括冷水机组81，该冷水机组81的输出口经由水泵82、流量调节器83与冷却水输入接口40连接，该冷水机组81的回流口与冷却水输出接口42连接，该水泵82与该流量调节器83之间的管道上设有压力传感器84，冷水机组81用于将从喷枪100流回的热水降为冷水，然后通过水泵82再将冷水输送至喷枪100，以进行冷却水的循环流动。

该压缩空气供给子系统包括压缩空气源88，该压缩空气源88经由气体压力调节器89、气体流量计77、流量调节器78与压缩空气输入接口7连接，流量调节器78的输出管道上设有压力传感器79。

该煤油供给子系统包括煤油箱71，该煤油箱71的输出口经由油泵72、液体流量计73、流量调节器74与煤油输入接口11连接，煤油箱71上设有液位传感器75，油泵72与液体流量计73之间的管道上设有压力传感器76。

该喷涂电弧发生子系统包括可调节喷涂电流、电压的喷涂电源85，该喷涂电源85的供电端与导丝器的接电端连接，实际上，喷涂电源85的供电端与导丝器的导电接头4连接，在例如设计有两个导丝器的情况下，两个导丝器的接电端分别与喷涂电源85的正、负供电端连接，以实现起弧。

该空气等离子体发生子系统包括等离子电源80，该等离子电源80的正、负输出端分别与等离子点火器的正、负接线端连接，实际上，如图3所示，等离子电源80的正、负输出端分别与阳极喷嘴12、电极连接柱15连接，电极连接柱15与等离子电源80的负输出端的连接，即实现了阴极柱14与等离子电源80的负输出端的连接。在实际中，可将头盖8与等离子电源80的正输出端连接，以实现阳极喷嘴12与等离子电源80的正输出端的连接。

等离子电源80产生高频振荡电能，其稳定工作电压控制在100V以内，工作电流控制在10A以内，等离子点火器的通电时间控制在0.1s以内，压缩空气在电离腔室内的压力控制在0.5MPa以内，从而有效避免等离子点火器长期工作产生的高温烧蚀问题。

在实际设计中，控制系统还可包括将丝材86送入导丝器的送丝机87。

在控制系统中，冷水机组81、压缩空气源88、流量调节器74、78、83、喷涂电源85、等离子电源80、送丝机87等均为本领域的公知设备或器件，故其具体构成不再详述。

使用本发明喷枪100进行喷涂的过程为：

首先，通过流过冷却水流动腔41的冷却水对喷枪100开始实施降温。然后，向喷枪100送入压缩空气和煤油，煤油在环型腔流道31内被压缩空气冲击而碎化且与压缩空气掺混，形成雾化的油气混合流以环状形态快速喷入燃烧室1的燃烧腔32内，被经等离子点火器起弧电离成等离子体后喷入燃烧腔32内的空气等离子体点火(点火持续时间在0.1秒以内)引燃。在经过贯穿孔27传输压缩空气的过程中，压缩空气也起到了降温的作用。然后油气混合流在经过燃烧腔32以及缩扩型喷嘴的缩扩腔的过程中被充分燃烧，向外喷射出低氧气含量的超音速燃气。然后通过送丝机87，经由导丝器送入丝材(金属丝材)，使丝材与超音速燃气交汇。导丝器通电，丝材得电，实现丝材的起弧、熔化，在超音速燃气射流作用下被雾化并加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层，完成喷涂作业。

下面对本发明喷枪的工作过程进行具体阐述：

在热喷涂前，先向冷却水流动腔41通入冷却水，对超音速燃气形成室进行降温，具体为：冷却水从冷却水输入接口40流入冷却水流动腔41中，然后从冷却水输出接口42流出，实现高效冷却。

压缩空气源88输出的压缩空气通过压缩空气输入接口7送入压缩空气输送腔26内，再通过燃烧室1上均匀分布的贯穿孔27进入头盖8的输气传送通道后进入输气环状通道29内。在穿过贯穿孔27的同时，压缩空气对超音速燃气形成室实现冷却作用。输气环状通道29内的压缩空气分两路，一路通过输气孔35进入电离后端腔室36，然后经由贯通细孔37进入电离前端腔室38，另一路进入环型腔流道31。

煤油箱71输出的煤油通过煤油输入接口11送入，煤油经由输油通道46、集油槽45、输油微小孔44后低速进入环型腔流道31内，且在压缩空气的高速推力作用下，煤油与压缩空气在环型腔流道31靠近燃烧腔32的前端部分内实现充分、均匀掺混以及煤油的充分碎化、雾化，煤油与压缩空气形成的油气混合流以环状雾化形态从环型腔流道31的环状端口快速喷入燃烧腔32内。

通过等离子电源80使得阳极喷嘴12、阴极柱14分别得电，实现引弧，电离腔室中的压缩空气被电离成等离子体，等离子体气流通过喷射孔39被高速喷入燃烧腔32中，引燃油气混合流。

于是，油气混合物在燃烧腔32中激烈、充分、稳定燃烧，产生高温高压的燃气，燃气依次经过收缩腔52、扩张腔51完成射流加速过程，向外喷出低氧气含量的超音速燃气。

通过送丝机87，金属丝材依次穿过导电嘴6、陶瓷导丝管3进入超音速燃气射流中，通过喷涂电源85使金属丝材起弧熔化，在超音速燃气射流的高速推动作用下雾化成小熔滴，高速沉积在待喷涂部件表面上形成涂层，完成喷涂作业。

燃烧室1使用铜合金材料制成，具有很高的导热性，煤油与压缩空气混合燃烧产生的燃气的最大理论温度可达1900℃，高于燃烧室1的制造材料的熔点，为此，本发明采用水冷和空冷的共同降温方式，使燃烧室1的壁面温度可下降至正常范围内。

另外，本发明采用水冷和空冷的双重冷却设计还具备两个方面的优势：一是可以减小冷水机组81的制冷量，进而降低设备功率和体积，实现轻便化；二是可使压缩空气途经燃烧室1的壁面后再流入环型腔流道31内作为煤油雾化的气源，这样，到达环型腔流道31内的压缩空气已被燃烧室1加热，于是热空气可显著改善煤油的雾化效果。

本发明的优点是：

基于本发明热喷涂方法，引弧熔化的丝材在压缩空气助燃煤油形成的低氧气含量的超音速燃气作用下，可对待喷涂部件表面可实现高效喷涂，所得的喷涂层质量良好。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：

借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；

使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；

丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层；

其中：对燃烧的油气混合流使用水与压缩空气联合冷却的方式降温。

2.一种权利要求1所述的高速燃气-电弧复合热喷涂方法使用的喷枪，其特征在于：它包括超音速燃气形成室，该超音速燃气形成室包括缩扩型喷嘴、燃烧室，该燃烧室的出口端设有该缩扩型喷嘴，该超音速燃气形成室的外壁装配有外枪体，该外枪体的内壁与该燃烧室的外壁之间形成环型密闭冷却水流动腔，该冷却水流动腔与设于该外枪体上的冷却水输入接口、冷却水输出接口连通，该外枪体的内壁与该缩扩型喷嘴的外壁之间形成环型密封压缩空气输送腔，该压缩空气输送腔与设于该外枪体上的压缩空气输入接口连通，该缩扩型喷嘴的输出口与至少两个导丝器的出口相对应设置，该燃烧室的入口端安装有头盖，该头盖的中心腔内安装有等离子点火器，该等离子点火器的喷射口与该燃烧室的燃烧腔相通，该等离子点火器的外壁与该头盖的中心腔内壁之间形成有用于实现煤油与压缩空气掺混得到环状高速喷射油气混合流的环型腔流道，该环型腔流道的一端口与外部隔离且与该等离子点火器的输气孔连通以及经由该头盖上开设的输气通道、该燃烧室壁面上开设的贯穿孔与该压缩空气输送腔连通，该环型腔流道的另一端口与该燃烧室的该燃烧腔相连通，该环型腔流道上位于该环型腔流道的两端口之间的部位经由输油通道与设于该头盖上的煤油输入接口连通。

3.如权利要求2所述的喷枪，其特征在于：

所述两个导丝器相对于喷射方向倾斜，所述两个导丝器之间的夹角呈锐角且该锐角朝向所述缩扩型喷嘴的输出口，所述导丝器包括固定安装在所述外枪体上的陶瓷导丝管，该陶瓷导丝管上伸出所述外枪体的一端口与所述缩扩型喷嘴的输出口相对应设置，该陶瓷导丝管上伸出所述外枪体的另一端口设有导电嘴，该导电嘴的外壁套设有导电接头，该导电接头与所述外枪体之间经由绝缘套相互电隔离。

4.如权利要求2所述的喷枪，其特征在于：

所述等离子点火器包括阳极喷嘴，该阳极喷嘴的内腔内设有阴极柱，该阴极柱与电极连接柱连接，该阴极柱与该阳极喷嘴之间形成有电离腔室，该电离腔室与该阳极喷嘴上开设的所述输气孔连通，该电离腔室朝向所述燃烧室的一端开设有喷射孔，以形成与所述燃烧腔相通的所述喷射口。

5.如权利要求4所述的喷枪，其特征在于：

所述电离腔室被陶瓷分隔件分割成电离前端腔室、电离后端腔室，该电离前端腔室与该电离后端腔室之间经由该陶瓷分隔件上开设的贯通细孔相通，该电离后端腔室与所述输气孔连通，该电离后端腔室的流通截面积大于该电离前端腔室的流通截面积，该贯通细孔的总截面积大于该电离前端腔室的流通截面积，所述喷射孔的截面积小于该电离前端腔室的流通截面积。

6.如权利要求4或5所述的喷枪，其特征在于：

所述阳极喷嘴的外壁套设有筒型喷油嘴，该喷油嘴介于所述阳极喷嘴与所述头盖之间，该喷油嘴与所述阳极喷嘴之间形成所述环型腔流道，所述输油通道经由该喷油嘴上的集油槽、输油微小孔而与所述环型腔流道连通，所述环型腔流道依次经由该喷油嘴上的送气孔、位于该喷油嘴外侧而在所述头盖上开设的输气环状通道、输气传送通道而与所述燃烧室壁面上开设的所述贯穿孔连通。

7.如权利要求2所述的喷枪，其特征在于：

所述冷却水输入接口、所述冷却水输出接口、所述压缩空气输入接口、所述煤油输入接口、所述等离子点火器、所述导丝器与控制系统相连，该控制系统包括水冷子系统、压缩空气供给子系统、煤油供给子系统、喷涂电弧发生子系统、空气等离子体发生子系统，其中：

该水冷子系统包括冷水机组，该冷水机组的输出口经由水泵、流量调节器与所述冷却水输入接口连接，该冷水机组的回流口与所述冷却水输出接口连接；

该压缩空气供给子系统包括压缩空气源，该压缩空气源经由气体压力调节器、气体流量计、流量调节器与所述压缩空气输入接口连接；

该煤油供给子系统包括煤油箱，该煤油箱的输出口经由油泵、液体流量计、流量调节器与所述煤油输入接口连接；

该喷涂电弧发生子系统包括喷涂电源，该喷涂电源的供电端与所述导丝器的接电端连接；

该空气等离子体发生子系统包括等离子电源，该等离子电源的正、负输出端分别与所述等离子点火器的正、负接线端连接。