CN104902666A - 一种双气流超音速等离子喷枪 - Google Patents

Abstract

一种双气流超音速等离子喷枪，包括阴极杆、起弧中间极、加速中间极和阳极，阳极上设置有送粉嘴，起弧中间极、加速中间极和阳极内同轴地设置有一相互连通的供等离子气流穿过的腔道，阴极杆设置在一绝缘后座内且该阴极杆靠近起弧中间极的一端设置有钨阴极和用于通入氩气的氩气气体分配环，绝缘后座内设置有高频发生器接头及与氩气气体分配环相连通的氩气输入通道，起弧中间极和加速中间极设置在一中间极座上且在起弧中间极与加速中间极之间设置有用于通入空气和可燃气体形成的混合气体的空气气体分配环。本发明解决了纯空气超音速等离子设备的阴极寿命短的问题，且与纯氩气超音速等离子设备相比，生产成本大幅降低，还可通过空气与可燃气体比调节等离子体温度和速度，工艺性强。

Description

一种双气流超音速等离子喷枪

技术领域

本发明涉及现代材料表面工程的热喷涂设备技术领域，具体是涉及一种双气流超音速等离子喷枪。

背景技术

热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士，是一种将涂层材料（粉末或丝材）送入某种热源（电弧、燃烧火焰、等离子体等）中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在军事、航空航天、纺织、机械、电力及生物工程等领域中得到了广泛的应用。随着高科技的发展，现代工业要求涂层更为致密、强度更高、可靠性更好。而涂层的致密性、结合强度和可靠性在很大程度上依赖于喷射熔滴熔化程度和速度，于是高能、高速和高效喷涂成为了当今国内外热喷涂技术的主要发展方向。

超音速等离子喷涂在普通大气等离子喷涂技术基础上，通过特殊的喷枪结构设计，利用非转移型等离子弧与高速气流混合，得到稳定的超音速等离子射流。喷涂粒子在等离子射流中的飞行速度可达400～800 m/s。同时等离子射流提供足够的热焓，可实现高熔点材料( 例如氧化物，碳化物，硼化物) 的熔化，且射流中心和边缘的喷涂粒子速度、温度梯度特别低。超音速等离子喷涂特别适合喷涂各种高熔点陶瓷、难熔金属和金属陶瓷等喷涂材料，获得的涂层致密性、强韧性和结合强度都有显著的提高。

上世纪80年代后期，美国Browning率先推出了试验研究型超音速等离子喷涂系统（PlazJet），90年代中期美国TAFA公司将Browning公司的超音速等离子喷涂系统（PlazJet）商业化，并进一步加大了喷涂功率，代表了当时世界的先进水平。该设备通过大气体流量（130～230 L/min）的氩气和氢气来提高射流速度，以大功率（270 kW）保证射流的足够热焓值。这种设计思路造成了能量消耗大、能量转换率低，以及喷涂成本较高，严重限制了其推广运用。乌克兰国家科学院巴顿焊接研究所开发的超音速等离子喷涂设备，不使用大流量的昂贵气体氩气和氢气作为等离子形成气体，而是采用压缩空气离化，喷途中添加很少量(体积分数约5%) 的可燃气体(丙烷或甲烷)，通过丙烷的加入提高焰流温度和速度。因为钨在空气中高温氧化烧损极为严重，所以乌克兰超音速等离子喷枪使用铪阴极，起弧效果和使用寿命非常低，经常需要更换阴极。频繁的阴极更换造成喷枪磨损，设备和工艺稳定性差，涂层质量降低等,另一方面也增加了生产成本和停工损失。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种既能使用钨阴极，又能使用空气与很少量可燃气体作为等离子形成主要气体以及小流量的氩气作为等离子形成辅助气体的起弧效果好、使用寿命长、生产成本低的双气流超音速等离子喷枪。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的双气流超音速等离子喷枪，其特点是包括沿同一轴线方向依序排布的阴极杆、起弧中间极、加速中间极和阳极，其中所述阳极上设置有送粉嘴，所述起弧中间极、加速中间极和阳极内同轴地设置有一相互连通的供等离子气流穿过的腔道，所述阴极杆设置在一绝缘后座内且该阴极杆靠近起弧中间极的一端设置有钨阴极和用于通入氩气的氩气气体分配环，所述绝缘后座内设置有高频发生器接头及与氩气气体分配环相连通的氩气输入通道，所述起弧中间极和加速中间极设置在一中间极座上且在起弧中间极与加速中间极之间设置有用于通入空气和可燃气体形成的混合气体的空气气体分配环，所述中间极座与绝缘后座相连接。

为了确保送入腔道内的气体流量更均匀，上述空气气体分配环上设置有混合气进口、混合气外环通道和混合气内环通道。

为了保护喷涂过程中钨阴极不氧化，上述氩气的压力比空气和可燃气体形成的混合气体的压力至少高0.2MPa。

为了保证起弧时阳极不导通，在钨阴极和起弧中间极之间顺利起弧，上述加速中间极与阳极之间设置有绝缘环。

为了确保使用安全以及延长本发明的使用寿命，上述阴极杆内设置有供冷却水进入的阴极冷却水通道，上述空气气体分配环上设置有通孔，上述中间极座、起弧中间极和加速中间极内设置有经通孔实现相互连通的中间极冷却水通道，上述绝缘后座内设置有供冷却水从阴极冷却水通道流入中间极冷却水通道的进水通道及供冷却水从中间极冷却水通道流出的出水通道。且上述阳极上设置有阳极冷却水通道。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1）采用压缩空气与很少量(体积分数约5%) 的可燃气体混合作为等离子形成的主要气体，以及小流量的氩气作为等离子形成的辅助气体，而不使用大流量的昂贵的氩气或氢气作为等离子形成气体，大幅降低了生产成本；

2）在空气气体分配环上设计有混合气外环通道和内环通道，确保送入腔道内的混合气体流量更均匀，使其在加速中间极内更好的反应和离化加速，从而提高了等离子焰流温度和速度；

3）在钨阴极和起弧中间极之间通入氩气起弧，氩弧稳定后，继续保持小流量氩气通入，起到保护钨阴极的作用，因此解决了空气超音速等离子喷涂设备只能使用非钨阴极而导致起弧效果不好、使用寿命非常低、经常需要更换阴极和停工等重大问题；

4）混合气体通道和氩气通道分开，可方便地单独控制调节。而且，可通过调整空气和可燃气体混合比例来调节等离子体的温度、速度，从而达到优化涂层性能质量的目的。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图。

图2为本发明绝缘后座上各部件的排布结构示意图。

图3为本发明空气气体分配环的截面结构示意图。

图4为本发明的使用原理示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明所述的双气流超音速等离子喷枪，包括沿同一轴线方向依序排布的阴极杆1、起弧中间极12、加速中间极10和阳极8，其中在阳极8上设置有送粉嘴9，在起弧中间极12、加速中间极10和阳极8内同轴地设置有一相互连通的供等离子气流穿过的腔道22；阴极杆1设置在一绝缘后座2内且该阴极杆1靠近起弧中间极12的一端设置有钨阴极13和用于通入氩气的氩气气体分配环14，且阴极杆1用于连接钨阴极13的一端的直径为8～11mm；而钨阴极13位于腔道22内，其头部为圆锥体并在圆锥体的尖端部镶钨，且该钨阴极13是通过螺纹连接在阴极杆1上；绝缘后座2为塑料材质，且在绝缘后座2内设置有高频发生器接头3及与氩气气体分配环14相连通的氩气输入通道15，其中高频发生器接头3用来连接等离子起弧的高频发生器；起弧中间极12和加速中间极10设置在一中间极座4上且在起弧中间极12与加速中间极10之间设置有用于通入空气和可燃气体形成的混合气体的空气气体分配环5，而且中间极座4与绝缘后座2相连接。为了确保送入腔道22内的气体流量更均匀，在空气气体分配环5上设置有混合气进口18、混合气外环通道19和混合气内环通道20。为了保证起弧时阳极不导通，在钨阴极和起弧中间极之间顺利起弧，在加速中间极10与阳极8之间设置有绝缘环6，该绝缘环6为5～7mm厚的绝缘树脂。

为了确保使用安全以及延长本发明的使用寿命，在阴极杆1内设置有供冷却水进入的阴极冷却水通道16，在空气气体分配环5上设置有通孔21，在中间极座4、起弧中间极12和加速中间极10内设置有经通孔21实现相互连通的中间极冷却水通道11，同时在绝缘后座2内设置有供冷却水从阴极冷却水通道16流入中间极冷却水通道11的进水通道及供冷却水从中间极冷却水通道11流出的出水通道17。使用时，冷却水从阴极杆1的阴极冷却水通道16通入，冷却阴极后经绝缘后座2的进水通道进入中间极冷却水通道11，紧贴内壁依次冷却起弧中间极12和加速中间极10，然后沿外壁返回，经中间极座4的另外一路孔道流至出水通道17排出。

本发明的阳极8采用单独的冷却水路, 即在阳极8上设置有单独的阳极冷却水通道7，冷却水从阳极冷却水通道7的一边进入，另一边流出，从而实现对阳极8的冷却。同时，冷水电缆连接到电源。

为了使本发明的送粉方式多种多样，以方便地满足不同的使用需要，送粉嘴9为内送粉嘴或外送粉嘴。当设置为内送粉嘴时，可直接在阳极8内开设送粉嘴或内送粉嘴安装孔，内送粉嘴的内孔为1mm～2mm。当设置为外送粉嘴时，可以通过更换带外送粉嘴夹具的阳极来实现外送粉嘴的设置。

高频发生器接头3、阴极杆1、出水通道17、氩气输入通道15均采用紫铜制成，其中高频发生器接头3的直径为6～8mm；阴极杆1的外径为12～14mm、内径为8～10mm；出水通道17的外径为10～12mm、内径为6～8mm；氩气输入通道15的外径为10～12mm、内径为6～8mm。中间极座4为钢材质。起弧中间极12和加速中间极10的材料可选紫铜或铜合金，且其内径为8～12mm。空气气体分配环5的材料可选紫铜或铜合金。

本发明使用时，通过氩气气体分配环14均匀通入氩气，高频发生器发出的高频信号通过高频发生器接头3引入到钨阴极13和起弧中间极12之间，在纯氩气气氛下高频起弧。氩弧稳定后，继续保持小流量的氩气通入，保护钨阴极13不氧化烧损。同时，通过空气气体分配环5引入空气与可燃气体形成的混合气体，在加速中间极10内反应和加速，最后通过阳极8喷出形成超音速等离子射流。可燃气体和空气的比例约是1/10～1/20。氩气的压力设定至少比空气和可燃气体形成的混合气体的压力高0.2MPa，一般氩气的压力为0.8～1.0MPa，空气和可燃气体形成的混合气体的压力为0.35～0.6MPa。可燃气体可以是甲烷、丙烷、丙烯或其它可燃烃，添加比例根据气体种类不同和涂层工艺需要适当调整。

实施例一：

本发明所述的双气流超音速等离子喷枪按图1的结构示意图装配完成。绝缘后座2采用特富龙塑料，高频发生器接头3、阴极杆1和出水通道17均采用紫铜制成，高频发生器接头3的直径为6mm，阴极杆1的外径为13mm、内径为9mm，出水通道17的外径为12mm、内径为8mm。阴极杆1的前端通过螺纹安装钨阴极13，且直径为10mm。中间极座4采用钢材质；起弧中间极12和加速中间极10用铬锆铜合金，且内孔径为10mm。空气气体分配环5用紫铜。丙烷和空气的体积比约是1/19。氩气的压力为0.9MPa，空气和可燃气体形成的混合气体的压力设定在0.4～0.6MPa之间。

本发明使用前，阴极、中间极和阳极这两路冷却水路均打开,阳极安装内送粉嘴，内送粉嘴的内孔径为1.5mm。本发明使用时，先通过氩气输入通道通入氩气，高频发生器发出的高频信号通过高频发生器接头引入到钨阴极和起弧中间极之间，在纯氩气气氛下高频起弧。氩弧稳定后，继续保持10L/min的氩气通入。同时，通入180L/min空气和丙烷的混合气体，阳极喷出的等离子射流进一步加速，从而形成稳定的超音速等离子射流。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种双气流超音速等离子喷枪，其特征在于包括沿同一轴线方向依序排布的阴极杆（1）、起弧中间极（12）、加速中间极（10）和阳极（8），其中所述阳极（8）上设置有送粉嘴（9），所述起弧中间极（12）、加速中间极（10）和阳极（8）内同轴地设置有一相互连通的供等离子气流穿过的腔道（22），所述阴极杆（1）设置在一绝缘后座（2）内且该阴极杆（1）靠近起弧中间极（12）的一端设置有钨阴极（13）和用于通入氩气的氩气气体分配环（14），所述绝缘后座（2）内设置有高频发生器接头（3）及与氩气气体分配环（14）相连通的氩气输入通道（15），所述起弧中间极（12）和加速中间极（10）设置在一中间极座（4）上且在起弧中间极（12）与加速中间极（10）之间设置有用于通入空气和可燃气体形成的混合气体的空气气体分配环（5），所述中间极座（4）与绝缘后座（2）相连接。

2.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述空气气体分配环（5）上设置有混合气进口（18）、混合气外环通道（19）和混合气内环通道（20）。

3.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述氩气的压力比空气和可燃气体形成的混合气体的压力至少高0.2MPa。

4.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述加速中间极（10）与阳极（8）之间设置有绝缘环（6）。

5.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述阴极杆（1）内设置有供冷却水进入的阴极冷却水通道（16），上述空气气体分配环（5）上设置有通孔（21），上述中间极座（4）、起弧中间极（12）和加速中间极（10）内设置有经通孔（21）实现相互连通的中间极冷却水通道（11），上述绝缘后座（2）内设置有供冷却水从阴极冷却水通道（16）流入中间极冷却水通道（11）的进水通道及供冷却水从中间极冷却水通道（11）流出的出水通道（17）。

6.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述阳极（8）上设置有阳极冷却水通道（7）。

7.根据权利要求1所述的双气流超音速等离子喷枪，其特征在于上述送粉嘴（9）为内送粉嘴或外送粉嘴。