CN104941833B - 一种等离子喷嘴、喷枪以及喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子喷嘴，包括与阴极配合产生等离子体射流的阳极，所述阳极内设有用于流通等离子体射流的喷射通道以及用于向喷射通道注入悬浮液的供料通道，所述阳极内还设有通入雾化气体的气体输入通道，使所述气体输入通道内的压力高于供料通道内的压力，所述气体输入通道与供料通道之间设有使雾化气体注入供料通道泡状雾化悬浮液的连通通道；本发明还公开了一种带有上述喷嘴的喷枪以及喷涂方法；本发明将泡状雾化结构整合在阳极上，结构简单紧凑，等离子体射流内的悬浮液液滴小，分布均匀，提高纳米粒子喷涂效果，且可以在现有的直流等离子喷涂装置进行改造得到，不需要结构更新，改造成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及等离子喷涂技术，特别涉及一种等离子喷嘴、喷枪以及喷涂方法。
背景技术
等离子喷涂是一种热喷涂技术，以高温等离子体射流作为热源，将金属或陶瓷粉末材料加热到熔化或半熔化状态，并高速撞击基板后迅速冷却固化，形成一定厚度具有特殊物性的致密涂层。热等离子体通常通过电弧放电的方式产生。最常使用的直流电弧等离子体有热阴极等离子体和冷阴极或管弧等离子体。在纳米颗粒等离子喷涂技术中，通常采用的是热阴极等离子体。该技术用难熔的钨或其他难熔金属制成阴极，正常工作情况下，弧电流的主要载体——电子以热电子发射的形式离开阴极，经过弧柱区进入阳极。而阳极则采用铜等高热导率金属，通过水冷的方式保证其不被高温破坏。在等离子喷涂技术中，原料颗粒借助于高温的等离子体射流，经过加热并熔化，以熔融状态冲击在基板或工件上，形成所需要的耐高温、耐磨损或耐腐蚀的涂层。
传统的热喷涂方法，一般采用微米级粉末材料，喷涂后的涂层结构也属于微米结构。与纳米结构的涂层相比，存在涂层孔隙率大、结构强度不高的问题，因此使用寿命短，易发生贯穿性裂纹，导致涂层早期失效。为解决这类问题，形成纳米结构的涂层，则需要首先在喷涂时采用纳米级的粉末材料。鉴于纳米粒子的特殊性质，它只能以雾化悬浮液(suspension，或称为前驱物precursor)的形式送入等离子体射流中进行熔化。主要原因是纳米颗粒直径小，接近分子尺度，因此表面作用强，在载粉通道中流动性差，颗粒聚并现象使管道堵塞，中断喷涂过程。因此必须先将纳米粉体与有机溶剂混合、静置，形成稳定的悬浮溶液，再采用雾化的方法将悬浮液注入等离子体射流中进行高温处理。在悬浮液注入等离子体射流中，悬浮液的入流方式将在很大程度上决定喷涂后纳米结构的涂层孔隙率、物理性能和使用寿命。在以往的热等离子喷涂中，其结构往往仅考虑类似微米粒子的入流方式，悬浮液通过狭小的通道注入到等离子体中。通常为了结构紧凑，狭小的通道(下称注射口)加工在等离子体喷嘴的阳极之上。注射口流出的悬浮液被等离子体冲击后，将分散为当量直径在50～1000微米的液滴，液滴大小很大程度上取决于注射口的大小。包含纳米粒子的液滴在等离子体中飞行、加热、蒸发、消失，最后被液滴释放的纳米粒子则断续被加热直至熔化。纳米粒子在冲击涂层之前的熔化和加热程度决定了涂层的质量。
但是由于加工能力及注射流量的要求，注射口不能做得太小，这使得液滴的直径较大；较大的液滴直径意味首液滴的蒸发过程较长，不利于纳米粒子的释放和熔化；另外，较大直径的液滴在等离子体射流中冲击和撕裂，形成的液滴群大小差异较大，使纳米粒子在冲击涂层之前的熔化和加热程度差异也较大，这直接影响了工艺控制，最终影响涂层的质量；另一种方式是简单地将纳米悬浮液的入流放置在等离子喷枪的前端，这同样使雾化过程不彻底，导致纳米涂层的质量达不到要求。
发明内容
本发明提供了一种等离子喷嘴，有效减小注入等离子体的液滴的尺寸、提高液滴的均匀性，从而提高等离子喷涂的纳米涂层的质量。
一种等离子喷嘴，包括与阴极配合产生等离子体射流的阳极，所述阳极内设有用于流通等离子体射流的喷射通道以及用于向喷射通道注入悬浮液的供料通道，所述阳极内还设有通入雾化气体的气体输入通道，通入的雾化气体使所述气体输入通道内的压力高于供料通道内的压力，所述气体输入通道与供料通道之间设有使雾化气体注入供料通道泡状雾化悬浮液的连通通道。
本发明的喷嘴采用直流电弧等离子体发生器的结构，采用热阴极方案。阴极采用耐高温金属制成，阳极用高热导率金属制造并带有水冷结构。
本发明的等离子喷嘴用于喷涂纳米粒子时，雾化气体由于压差通过连通通道注入供料通道的悬浮液中，使纳米粒子悬浮液实现泡状雾化，泡状雾化后的气液固三相流从供料通道出口注入流通等离子体射流的喷射通道，泡状雾化后的悬浮液液滴直径可以达到0.1～100微米，提高了纳米材料的喷涂效果。
同时由于将雾化气体先注入悬浮液，纳米粒子悬浮液在喷入等离子体射流之前已经实现了充分的雾化郊果，因此悬浮液的通道出口直径不再是影响悬浮液雾化后大小的关键因素，此时，可以将供料通道的出口(即注射口)做得较大而不会影响雾化效果，使供料通道出口在使用过程中不至于堵塞。
在选择雾化气体时，要求雾化气体不与悬浮液反应，同时在直流电弧等离子体的作用下容易电离。因此可以采用氩气、氦气等惰性气体作为雾化气体，从价格上考虑，优先选用氩气。
上述结构中，为了方便加工以及布置纳米粒子悬浮液的输入管，与其相连接的阳极上的供料通道，用于悬浮液泡状雾化的雾化气体输入管和与其相连接的阳极上的气体输入通道，优选的，所述供料通道与气体输入通道沿长度方向平行。当气体输入通道内的压力高于供料通道，雾化气体的气流将通过连通通道进入悬浮液中，接着雾化气体的气流又从供料通道的出口进入等离子体射流中，这一过程，悬浮液形成泡状结构，并在供料通道的出口附近发生泡状液膜破裂完成液膜破裂成液滴的过程，使悬浮液液滴直径变小、变均匀。
为了提高泡状雾化效果，优选的，所述连通通道的出口设置在供料通道靠近喷射通道的位置。当气体输入通道内的压力高于供料通道，雾化气体的气流将通过连通通道进入悬浮液中，由于连通通道的出口设置在供料通道靠近喷射通道的位置，因此，雾化气体的气流快速从供料通道的出口进入等离子体射流中，这一过程，迅速使悬浮液形成泡状结构，并在供料通道的出口附近发生泡状液膜破裂完成液膜破裂成液滴的过程，使悬浮液液滴直径更小、更均匀。
为了便于加工，优选的，所述连通通道为圆柱型通道，直径为0.1mm～3mm。圆柱型通道便于加工，而当连通通道直径小于0.1mm时，连通通道变得非常难以加工，相反当连通通道直径大小3mm时，泡状雾化的效果会变差，因为较大的孔径导致悬浮液的泡状雾化效果降低。
所述连通通道可以设置一条或者多条，可以根据需要进行设计。
影响泡状雾化效果的重要因素为供料通道与气体输入通道之间的压差，在常见的设计中有高压和低压两种设计。采用高压设计时，雾化气体通入供料通道具有较高的气流速度，其优点是提高了雾化的效果，其缺点是雾化气体的使用量较大，不仅影响等离子体射流的稳定性，还影响经济性。实验表明，当供料通道中的悬浮液粘度不高时，采用较低的压差即可达到良好的雾化效果，且经济实用，低压压差为0.3～0.8MPa。在低压设计中，气体输入通道中的雾化气体以略高于悬浮液压力的方式，通过连通通道注入到供料通道中，形成稳定的气泡流动，雾化气体的介入首先加强了供料通道出口处悬浮液的流速，然后气泡会对悬浮液产生挤压和剪切作用，使悬浮液以包含微小气泡的液丝或液线的形式喷出。同时，气泡内外压差的剧烈变化，会促使气泡急剧膨胀直至破裂，从而将包裹的液膜进一步破碎，成为更细微的液雾颗粒。
经实验表明，连通通道与供料通道与泡状雾化效果关系不明显。从方便加工的角度，优选的，连通通道与供料通道成90度角，最为经济实用。
优选的，所述供料通道设有至少两条，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线相对喷射通道内的等离子体射流轴线中心对称布置。上述布置使供料通道的注射口分布有利实现流场的对称性，以及等离子体射流的稳定性。雾化悬浮液注入等离子体射流时，与等离子体射流有强烈的动能和热能的交换，不对称的分布，或仅有单股悬浮液注入时，会破坏射流的流动方向。
优选的，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线与喷射通道内的等离子体射流轴线的夹角为15°～60°，上述结构使悬浮液喷射流轴线(喷射方向)与等离子体射流轴线(喷射方向)的夹角为15°～60°。该夹角的设置是为了在保证雾化效果的同时，提高等离子体射流的稳定性。试验表明，当角度小于15度时，等离子体射流对悬浮液的二次雾化的效果将大幅降低；当角度大于60度时，等离子体射流挤压、加速、剪切悬浮液产生二次雾化效果虽然很好，但悬浮液喷射流注入时会影响等离子体射流的稳定性。
优选的，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线与喷射通道内的等离子体射流轴线不相交，由于悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线不相交的结构，使悬浮液喷射流高速涌出至等离子体射流时,将建立起一个旋转流动场，使得携带悬浮液的等离子体射流将获得一定的旋转速度，这种结构的优点是进一步提高了携带悬浮液的等离子体射流的稳定性，加强了悬浮液和等离子体射流的相互作用，从而提高了二次雾化的效果，进一步提高喷涂涂层的质量。
本发明还提供了一种等离子喷枪，安装有上述的等离子喷嘴，具有良好的纳米材料喷涂效果。
一种等离子喷枪，包括阴极以及上述的等离子喷嘴。
本发明还公开了一种等离子喷涂方法，雾化注入等离子体的液滴，减小液滴尺寸、提高液滴均匀性，从而提高等离子喷涂的纳米涂层的质量。
一种等离子喷涂方法，使用上述的等离子喷枪，包括以下步骤：
(1)喷枪通电，使阴极与阳极之间产生直流电弧；
(2)将工作气体通入阴极与阳极之间，在阳极的喷射通道内产生等离子体射流；
(3)通过供料通道向喷射通道注入悬浮液，同时所述气体输入通道内通入雾化气体使气体输入通道内的压力大于供料通道的压力，所述悬浮液在供料通道内被来自气体输入通道的雾化气体泡状雾化，形成泡状雾化的悬浮液喷射流；
(4)泡状雾化后的悬浮液经过等离子体射流的加热，以熔融状态冲击在工件上。
本发明方法中，雾化气体由于压差被注入与气体输入通道连通的供料通道中，使供料通道中纳米粒子悬浮液实现泡状雾化，泡状雾化后的气液固三相流从供料通道出口注入流通等离子体射流的喷射通道，泡状雾化后的悬浮液液滴直径可以达到0.1～100微米，提高了纳米材料的喷涂效果。
同时由于将雾化气体先注入悬浮液，纳米粒子悬浮液在喷入等离子体射流之前已经实现了充分的雾化郊果，因此悬浮液的通道出口直径不再是影响悬浮液雾化后大小的关键因素，此时，可以将供料通道的出口做得较大而不会影响雾化效果，使供料通道出口在使用过程中不至于堵塞。
优选的，注入所述供料通道的悬浮液喷射流设有至少两条，相对喷射通道的轴线中心对称布置；所述悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线不相交。
设置多条(至少两条)相对等离子体射流轴线中心对称布置的悬流液喷射流，且将各悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线不相交，能有效产生旋流，缩短了纳米粒子的熔化距离，又效达到了节能、降低功率的效果。
优选的，所述悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线的夹角为15°～60°。
本发明的有益效果：
本发明通过简单方式将泡状雾化结构整合在直流电弧等离子体发生器的阳极上，使喷枪结构简单紧凑；等离子体射流内的悬浮液液滴小，分布均匀，提高纳米粒子喷涂效果；等离子体射流流动稳定易控制；悬浮液液滴小可以缩短了纳米粒子的熔化距离，有效达到了节能、降低功率的效果；
且可以在现有的直流等离子喷涂装置进行改造得到，不需要结构更新，改造成本较低，改造后的直流等离子喷涂装置适用于纳米颗粒喷涂，喷涂效果好。
附图说明
图1为现有技术的等离子喷枪的结构示意图。
图2为实施例1的喷嘴的立体结构示意图(略去了水冷结构)。
图3为实施例1的喷嘴的剖视示意图(略去了水冷结构)。
图4为实施例2的结构示意图(略去了水冷结构)。
图5为图4的右视示意图。
图6为实施例3的结构示意图(略去了水冷结构)。
具体实施方式
对比例
如图1所示，直流电弧等离子体喷枪包括：带锥形发射结构阴极1，圆环状带水冷结构的阳极2。
其中阴极1由钨材料加工，阳极2由铜材料加工。在阴极与阳极之间接上直流电源4，通入喷射通道6内部的氩气受电压激发形成高温等离子体射流，从喷枪喷出。粉末材料从供料通道3流入到等离子体射流中，受等离子体射流的加热而熔化最后撞击在层积基板5上，凝固成涂层7。
这种传统技术适用于微米粒子的等离子喷涂，而在采用纳米粒子时，为了防止纳米粒子团聚，应采用悬浮液的方式将纳米粒子通过供料通道3输送到等离子体射流中。这时，注入等离子体射流的液滴大小很大程度上取决于供料通道3的注射口的大小。由于加工能力及注射流量的要求，注射口不能做得太小，这使得液滴的直径较大；较大的液滴直径意味着液滴的蒸发过程较长，不利于纳米粒子的释放和熔化；另外，较大直径的液滴在等离子体射流中冲击和撕裂，形成的液滴群大小差异较大，使纳米粒子在冲击涂层之前的熔化和加热程度差异也较大，这直接影响了工艺控制，最终影响涂层的质量。
实施例1
如图2和图3所示，本实施例与对比例相比，除了阳极的结构不同以外，其余结构相同；
本实施例的喷嘴包括：与阴极配合产生等离子体射流的阳极，阳极内设有用于流通等离子体射流的喷射通道6，用于向喷射通道6注入悬浮液的供料通道9以及用于通入雾化气体的气体输入通道8，气体输入通道8内的压力高于供料通道9内的压力，气体输入通道8与供料通道9之间设有使雾化气体注入供料通道泡状雾化悬浮液的两条连通通道13，连通通道13为圆柱型通道，直径为0.5mm。。
工作时，从气体输入通道8的气体输入口10输入氩气作为雾化气体，从供料通道9的悬浮液输入口11输入纳米粒子悬浮液。其中输入氩气的压力高于输入纳米粒子悬浮液的压力。在压差的作用下，雾化气体通过两个细小的连接通道13注入供料通道9的悬浮液中，使纳米粒子悬浮液实现泡状雾化，泡状雾化后的气液固三相流从供料通道9的通道出口12注入等离子体射流，泡状雾化后的悬浮液液滴直径为0.1～100微米。
通过上述简单的方式将泡状雾化结构整合在直流电弧等离子体发生器的阳极上，使纳米颗粒等离子体喷涂的喷枪结构紧凑，并使得悬浮液液滴小，分布均匀，提高喷涂涂层的质量，等离子体射流流动稳定易控制，还缩短了纳米粒子的熔化距离，有效达到了节能、降低功率的效果。
实施例2
如图4和图5所示，本实施例与实施例1相比，除了阳极的结构不同以外，其余结构相同。
本实施例的阳极上设有三对结构相同由气体输入通道8和供料通道9组成的雾化装置，以等离子体射流轴线为中心，三对雾化装置成中心对称布置；各供料通道9相对喷射通道6内的等离子体射流轴线的夹角为45°，从而使悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线的夹角为45°；该夹角以及多对雾化装置的设置协同作用，可以在保证雾化效果的同时，提高等离子体射流的稳定性。
实施例3
如图6所示，本实施例与实施例2相比，除了供料通道9的结构不同以外，其余结构相同。
本实施例中，三条供料通道9轴线与喷射通道6轴线不相交，从而使悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线不相交，这种结构下，当悬浮液喷射流高速涌出至等离子体射流时,将建立起一个旋转流动场，使得携带悬浮液的等离子体射流将获得一定的旋转速度，优点是进一步提高了射流的稳定性，加强了悬浮液和等离子体射流的相互作用，从而提高了二次雾化的效果。
Claims (10)
1.一种等离子喷嘴，包括与阴极配合产生等离子体射流的阳极，所述阳极内设有用于流通等离子体射流的喷射通道以及用于向喷射通道注入悬浮液的供料通道，其特征在于，所述阳极内还设有通入雾化气体的气体输入通道，通入的雾化气体使所述气体输入通道内的压力高于供料通道内的压力，所述气体输入通道与供料通道之间设有使雾化气体注入供料通道泡状雾化悬浮液的连通通道。
2.如权利要求1所述的等离子喷嘴，其特征在于，所述连通通道的出口设置在供料通道靠近喷射通道的位置。
3.如权利要求1或2所述的等离子喷嘴，其特征在于，所述连通通道为圆柱型通道，直径为0.1mm～3mm。
4.如权利要求1所述的等离子喷嘴，其特征在于，所述供料通道设有至少两条，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线相对喷射通道内的等离子体射流轴线中心对称布置。
5.如权利要求1或4所述的等离子喷嘴，其特征在于，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线与喷射通道内的等离子体射流轴线的夹角为15°～60°。
6.如权利要求1或4所述的等离子喷嘴，其特征在于，所述供料通道喷射的悬浮液喷射流轴线与喷射通道内的等离子体射流轴线不相交。
7.一种等离子喷枪，包括阴极以及如权利要求1～6任一权利要求所述的等离子喷嘴。
8.一种等离子喷涂方法，其特征在于，使用权利要求7所述的等离子喷枪，包括以下步骤：
(1)喷枪通电，使阴极与阳极之间产生直流电弧；
(2)将工作气体通入阴极与阳极之间，在阳极的喷射通道内产生等离子体射流；
(3)通过供料通道向喷射通道注入悬浮液，形成悬浮液喷射流；同时所述气体输入通道内通入雾化气体使气体输入通道内的压力大于供料通道的压力，所述悬浮液在供料通道内被来自气体输入通道的雾化气体泡状雾化；
(4)泡状雾化后的悬浮液经过等离子体射流的加热，以熔融状态冲击在工件上。
9.如权利要求8所述的等离子喷涂方法，其特征在于，所述悬浮液喷射流设有至少两条，相对等离子体射流中心对称布置；所述悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线不相交。
10.如权利要求8或9所述的等离子喷涂方法，其特征在于，所述悬浮液喷射流轴线与等离子体射流轴线的夹角为15°～60°。
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