CN106507574A - 一种用于航空材料的喷涂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于航空材料的喷涂方法。采用了计算机建模仿真设计，对航空材料尤其是具有复杂结构的航空零件进行建模设计，对每个喷涂角度进行了计算机模拟，再通过层流电弧等离子束发生器对涂层材料进行喷入，层流电弧等离子束发生器单体功率最高可达200kw以上；连续工作寿命可达数百小时以上；大气下弧长大于1000mm；真空中弧长大于3000mm、电弧末端弧径大于400mm；产生的高温等离子弧、输入电能、射流等离子体温度及其分布梯度、工作介质流量和射束形态都具有良好的稳定性；可喷材料广、沉积。计算机建模仿真设计和层流电弧等离子束发生器结合使用，对航空材料快速、一次性完成喷涂。

Description

一种用于航空材料的喷涂方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种用于航空材料的喷涂方法。
背景技术
在航空制造发展的过程中，材料的更新换代呈现出高速的更迭变换，材料和飞机一直在相互推动下不断发展。“一代材料，一代飞机”正是世界航空发展史的一个真实写照。航空产品特殊的工作环境对材料的性能要求集中体现的轻质高强、高温耐蚀。所述轻质高强是指，要求材料不但强度高而且密度小。高温耐蚀的高温是指材料能够耐受较高的工作温度，耐蚀是指材料具有优良的抗腐蚀，特别是抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。
为了保证航空产品的质量，一方面需要对材料进行选择，另一方面需要对材料进行防护，常采用对材料进行喷涂。
申请号为CN200680011765.9，名称为等离子喷涂设备及方法的发明专利，公开了用于大体积零件等离子喷涂的设备及方法。所发明的设备包括：具有一个或多个泵的真空室，用于向真空室中运送零件的输送装置，位于零件与真空室之间的电绝缘体，具有高频振荡器的振荡电路，振荡电路的可调节的电容和电感，至少一组用于连接振荡电路与零件的连接线路和至少一个安装在真空室上的用于处理零件的涂层材料的等离子喷枪。所发明的方法包括：零件在等离子喷涂前被置于喷涂真空室中。然后零件接入具有高频振荡器的振荡电路。振荡电路单极或双极与零件相连。在第一种情况下第二极应接地。由此零件成为振荡电路的一部分。高频交流电流通过零件。零件的电感和电容因此影响振荡电路的电感和电容。为了确保在零件上电功率最优化耦合，由被加工的零件和它自身的电容和电感组成的振荡电路要非常匹配，这将通过振荡电路的电容和电感的变化来实现。振荡电路的电容和电感的调节可以手动，也可以自动。在自动调节时首先调节零件的电容和电感。振荡电路的电容和电感的变化影响频率。一旦参数被调定使零件表面等离子呈燃烧状态，附加的与真空室相连的等离子喷枪点火，涂层材料通过等离子束导入。包含涂层材料的等离子束紧接着扩展到真空室且与等离子在零件周围相互作用，同时在零件整个表面上析出来自涂层材料的均匀涂层。
上述现有技术无法解决需要转换等离子喷枪的角度、距离和方向；进行多次喷涂，对于结构复杂，有死角的航空材料，喷涂尤其工序繁杂，容易造成喷涂不均匀的现象。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于航空材料的喷涂方法，实现了快速、一次性完成航空材料喷涂的目的。
为了达到上述技术效果，本发明采用了以下技术方案：
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流等离子射束的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氮气六种中的至少两种。
本发明在步骤D中，所述粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束轴向喷入。
本发明所述层流等离子射束的电流为交流电流，其频率为0.5-20MHz。
本发明所述涂层材料包括NiCrAlY、NiCr或Cr3C2-NiCr。
本发明所述层流等离子射束包括多个喷枪，所述喷枪的喷涂角度为直线。
本发明所述喷枪的喷嘴为扇形喷嘴。
本发明所述层流电弧等离子束发生器包括依次连接的气路结构、发生器和电弧通道结构，其特征在于：所述气路结构包括依次连接的气体输入管、气体混合腔和气体输出管；所述气体输出管与所述发生器的中心轴线重合；所述发生器包括阳极结构和阴极结构，以及设置在阳极结构底座内部的功率调节器；所述阳极结构包括阳极柱、阳极帽以及在阳极帽内依次安装的密封绝缘垫片、螺旋导电弹簧和阳极喷嘴；所述阴极结构包括阴极柱和阴极罩；所述阳极结构位于中心，沿阳极结构周围环形等距离设置至少三个阴极结构；所述电弧通道结构为双层结构，内层和双层结构中均充满真空。
本发明所述涂层材料的细度为80-120目。
本发明所带来的有益效果有：
1、本发明采用了计算机建模仿真设计，对航空材料尤其是具有复杂结构的航空零件进行建模设计，对每个喷涂角度进行了计算机模拟，再通过层流电弧等离子束发生器对涂层材料进行喷入，层流电弧等离子束发生器单体功率最高可达200kw以上；连续工作寿命可达数百小时以上；大气下弧长大于1000mm；真空中弧长大于3000mm、电弧末端弧径大于400mm；产生的高温等离子弧、输入电能、射流等离子体温度及其分布梯度、工作介质流量和射束形态都具有良好的稳定性；可喷材料广、沉积。计算机建模仿真设计和层流电弧等离子束发生器结合使用，对航空材料快速、一次性完成喷涂。
2、本发明层流等离子射束的工作气体为性质不活泼的气体，性质稳定，方便储存，使得层流等离子射束形态都具有良好的稳定性。
3、本发明所述粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束轴向喷入；层流等离子射束包括多个喷枪，所述喷枪的喷涂角度为直线。增大涂层材料与待喷涂材料的接触面积，使得喷涂得到涂层更加质地均匀，喷涂速度更加迅速。
4、本发明所述喷枪的喷嘴为扇形喷嘴，能在整个喷涂领域内形成均匀的覆盖。
5、本发明使用的层流电弧等离子束发生器通过依次连接的气路结构、发生器和电弧通道结构，将层流等离子的产生和输送一步完成，中间不需要中断，减少能量的损失和危险系数。气路结构通过气体输入管输入气体，在气体混合腔进行混合，对气体进行混合且让气体压强稳定，提高层流等离子产生的稳定性。所述气体输出管与所述发生器的中心轴线重合；沿着中心轴线方向射入，这种设计起到了电弧引导的作用，并简化点火步骤、降低点火难度，实现工作气体一次点火，同时保证层流电弧热等离子体射流的稳定性，避免了工作气体波动或调节工作气体流量可能出现的断弧现象。本发明的螺旋导电弹簧通电时，形成一个电磁压缩环，起到压缩等离子电弧的作用，也能使等离子电弧着弧点处于动态均布状态，延长了阳极的寿命和层流稳定。阳极喷嘴对电弧等离子体进行机械压缩。本发明的密封绝缘垫片使得电弧等离子体稳定且集中，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧，阳极和阴极工作寿命长。本发明的阴极结构围绕阳极结构等距离设置，增加反应的均匀性和稳定性。通过设置功率调节器来调节发生器的功率，从而调节层流等离子射束的长短。在一定范围内，层流等离子射束的长短与发生器的功率成正比。本发明的电弧通道采用双层结构，双层保障密封性。内层和双层结构中均充满真空，等离子射流在真空环境中弧焰更长。
具体实施方式
实施例1
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
实施例2
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流等离子射束的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氮气六种中的至少两种。
实施例3
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明在步骤D中，所述粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束轴向喷入。
实施例4
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流等离子射束的电流为交流电流，其频率为0.5-20MHz。
实施例5
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述涂层材料包括NiCrAlY、NiCr或Cr3C2-NiCr。
实施例6
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流等离子射束包括多个喷枪，所述喷枪的喷涂角度为直线。
实施例7
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述喷枪的喷嘴为扇形喷嘴。
实施例8
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流电弧等离子束发生器采用中轴圆柱阳极结构，而沿着阳极柱周围环形均匀布置3个或3个以上的阴极，阳极和阴极均安装在同一个底座上固定，相互绝缘，底座有水、电、气通道，圆柱阳极的外表面相对绝缘，只有在靠近出口的头部裸露导电，从而与阴极间形成电场，整个发生器是一个密封水冷的筒状外形，一端有等离子体出口，等离子体出口对电弧等离子体进行机械压缩。
实施例9
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述涂层材料的细度为80-120目。
实施例10
一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
本发明所述层流等离子射束的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氮气六种中的至少两种。
本发明在步骤D中，所述粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束轴向喷入。
本发明所述层流等离子射束的电流为交流电流，其频率为0.5-20MHz。
本发明所述涂层材料包括NiCrAlY、NiCr或Cr3C2-NiCr。
本发明所述层流等离子射束包括多个喷枪，所述喷枪的喷涂角度为直线。
本发明所述喷枪的喷嘴为扇形喷嘴。
本发明所述层流电弧等离子束发生器包括依次连接的气路结构、发生器和电弧通道结构，其特征在于：所述气路结构包括依次连接的气体输入管、气体混合腔和气体输出管；所述气体输出管与所述发生器的中心轴线重合；所述发生器包括阳极结构和阴极结构，以及设置在阳极结构底座内部的功率调节器；所述阳极结构包括阳极柱、阳极帽以及在阳极帽内依次安装的密封绝缘垫片、螺旋导电弹簧和阳极喷嘴；所述阴极结构包括阴极柱和阴极罩；所述阳极结构位于中心，沿阳极结构周围环形等距离设置至少三个阴极结构；所述电弧通道结构为双层结构，内层和双层结构中均充满真空。

Claims (9)

1.一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、计算机建模仿真设计
按照待喷涂材料的形状、结构进行计算机建模，设计待喷涂材料在待喷涂所处的位置，设计带喷涂材料所需要进行喷涂的方向；
B、构建层流电弧等离子束的位置
按照计算机建模仿真设计的结果，构建层流电弧等离子束发生器产生的层流电弧等离子束的位置；
C、导向涂层材料
将具有涂层材料的层流等离子射束导向待喷涂材料；
D、喷入涂层材料
将粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束喷入。
2.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述层流等离子射束的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氮气六种中的至少两种。
3.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述粉末状的涂层材料沿着层流等离子射束轴向喷入。
4.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述层流等离子射束的电流为交流电流，其频率为0.5-20MHz。
5.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述涂层材料包括NiCrAlY、NiCr或Cr3C2-NiCr。
6.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述层流等离子射束包括多个喷枪，所述喷枪的喷涂角度为直线。
7.根据权利要求6所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述喷枪的喷嘴为扇形喷嘴。
8.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述层流电弧等离子束发生器包括依次连接的气路结构、发生器和电弧通道结构，其特征在于：所述气路结构包括依次连接的气体输入管、气体混合腔和气体输出管；所述气体输出管与所述发生器的中心轴线重合；所述发生器包括阳极结构和阴极结构，以及设置在阳极结构底座内部的功率调节器；所述阳极结构包括阳极柱、阳极帽以及在阳极帽内依次安装的密封绝缘垫片、螺旋导电弹簧和阳极喷嘴；所述阴极结构包括阴极柱和阴极罩；所述阳极结构位于中心，沿阳极结构周围环形等距离设置至少三个阴极结构；所述电弧通道结构为双层结构，内层和双层结构中均充满真空。
9.根据权利要求1所述的一种用于航空材料的喷涂方法，其特征在于：所述涂层材料的细度为80-120目。
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