CN1078272A - 爆炸喷涂方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出的爆炸喷涂方法及其设备属于喷涂 技术领域。主要采用变径折管式进气门，使氧气与燃 料气体直接在水冷喷枪的爆炸腔内混合，利用爆炸燃 烧压力脉冲的产生和消失，自然地停止和恢复向喷枪 的送粉与送气过程，只控制点火频率，即自然地实现 了连续的脉冲式爆炸喷涂过程，应用本发明提出的方 法，已研制出了新一代爆炸喷涂设备，在喷枪部分排 除了机械运动部件，明显地简化了设备结构，提高了 设备工作的可靠性，简化了运行操作及维护，并提高 了涂层性能。

Description

本发明提出的爆炸喷涂方法及其设备属于喷涂技术领域。

爆炸喷涂技术是60年代初苏美等国为建立航空航天及导弹工业等而发展起来的一种新的喷涂技术。该爆炸喷涂技术是一种频率为4～10次/秒的脉冲式的持续循环过程，在每一个脉冲中包括以下的过程：

1.通过管道与阀门按一定比例输入氧气和燃料气体（乙炔、液化石油气、丙烷、丁烷），在喷枪外的管路内混合后送入水冷喷枪;

2.向水冷喷枪腔内输入粉末;

3.向水冷喷枪输入隋性清扫气体，把喷枪以外管路内的氧气与燃料气体混合物全部吹入喷枪;

4.利用水冷喷枪内的点火装置使混合气体爆炸燃烧，并且利用该爆炸燃烧产生的能量对上述粉未加热加速，该粉未以1000米/秒的速度冲出水冷喷枪后撞击在工件表面上形成涂层;

5.然后残留在枪外管道中的惰性气体流向水冷喷枪内，使之降温、熄火，为实现下一次爆炸脉冲做好准备。

利用这种爆炸喷涂技术能够在工件不变形、无相变的条件下得到高质量的工件表面涂层，适于喷涂精密零件或大型部件。后来发展起来的一些其它喷涂方法，例如等离子喷涂、超音速喷涂方法等，其涂层质量均达不到爆炸喷涂方法所达到的水平。

为了完成上述的爆炸喷涂的持续脉冲过程，要求在准确的时间内重复完成输入氧气、燃料气体和粉未、通入惰性气体、点火而进行爆炸燃烧脉冲以及熄火和清扫过程等，为此现有技术广泛采用机电传动的凸轮一阀门体系。

1987年公布的美国专利US4.687.135就是利用了这种机电传动的凸轮一阀门体系。该体系利用电机控制的凸轮一阀门体系，保证在一定时间依次通入氧气、燃料气体、粉末、点火而进行爆炸燃烧脉冲，以及为了避免燃烧界面向后沿进气通道反向传递，防止进气管过热，还要在点火之前向这些进气管道通入惰性气体。

现有技术中的这类采用机电传动的凸轮一阀门体系和另外输入惰性清扫气体主要存在以下的问题：

1.为了以每秒4～10次的频率在一定的时间内依次输入氧气、燃料气体、隋性气体和粉末，就要求高精度的凸轮一阀门机械系统，并且该系统还要求良好的密封性，这类系统装配复杂、易磨损，增加了运行的困难和维护的复杂程度;

2.在点火爆炸燃烧之前要求及时通入惰性气体，这又增加了系统设备和运行的复杂性，输入的惰性气体又在一定程度上稀释了爆炸腔内燃料气体与氧气混合物的浓度，因而降低了爆炸燃烧能量和涂层质量。

本发明的目的是为了克服现有爆炸喷涂技术中存在的上述不足而提出一种新的爆炸喷涂方法及其设备。

本发明的方法及其设备不再采用机电传动的凸轮一阀门系统，而采用一种特殊的无机械运动部件的变径折管式进气门结构，借助于爆炸瞬时压力脉冲的产生和消失，自然地停止和恢复送气及送粉过程，这样，只按给定频率点火，即可自然地实现持续的脉冲式爆炸喷涂过程。

附图1是本发明的爆炸喷涂设备的示意图。

该设备主要包括水冷喷枪（1）、点火装置（2）、粉仓（3）、变径折管式进气门（4）、燃料流通孔道（5）、氧气流通孔道（6）、加速段（7）、爆炸腔（8）、送粉管（9）、定量送粉机构（10）、附加进气管道（11）、过滤段（12）、氧气气源（13）、流通孔道（14、15、16、17）、涂层（18）、工件（19）、供气系统（20）、团雾状粉末云（21）、压缩气体管道（22）、脉冲电源（23）、燃料气源（24）、管道（25、26）。

下面结合附图1说明本发明提出的爆炸喷涂方法。

本发明提出的爆炸喷涂方法主要包括：

1）持续脉冲式爆炸喷涂的每一个脉冲包括以下的过程：

A）氧气由气源（13）通过管道（26）及进气门（4）内的流通孔道（15、14、6）送入爆炸腔（8）;

同时燃料气体（液化石油气、丙烷、丁烷）则由气源（24）通过管道（25）及进气门（4）内部的流通孔道（17、16、5）送入爆炸腔（8），二者在爆炸腔（8）之内进行混合;

B）利用供气系统（20）提供的压缩气体，通过管道将粉末由粉仑（3）经定量送粉机构（10）及送粉管（9）输入爆炸腔（8）之内;

C）利用脉冲电源（23）和点火装置（2）进行点火，产生的爆炸燃烧界面从爆炸腔（8）开始，沿加速段（7）向水冷喷枪（1）的开口端传递。在此过程中，分散成团雾状的粉末被加热至半熔化状态，并被爆炸冲击波加速至1000米/秒，经加速段（7）的开口端射向工件（19），与其表面撞击并形成涂层;

氧气、燃料气体及送粉的压缩气体，只以略高于常压的压力送入水冷喷枪（1），但在爆炸腔内点火后形成的爆燃压力脉冲峰值可高达6MPa。因而在出现瞬时压力脉冲时，自然地停止了向水冷喷枪的送气与送粉过程，而当短暂的爆燃压力脉冲消失后，又自然地恢复向水冷喷枪（1）的送气及送粉过程;

D）利用爆炸腔（8）内爆炸时产生的瞬时压力脉冲，同时使一定数量的燃烧产物反向由爆炸腔（8）进入变径折管式进气门（4）的燃料流通孔道（5）、氧气流通孔道（6）和流通孔道（14、15、16、17）中，并且在其中得到冷却;当上述的瞬时压力脉冲消失后，在氧气气源（13）、燃料气源（24）和供气系统（20）的气压作用下，这部分燃烧产物又返回到爆炸腔（8）内，完成降温、熄火及清扫未燃烧气体的作用，为下一个爆炸脉冲自然地做好准备。

2）根据爆炸喷涂要求的功率不同，可在水冷喷枪（1）的周围设置1～12个变径折管式进气门（4），功率越大，设置的变径折管式进气门（4）的数量越多;

3）设计的变径折管式进气门（4）内各段流通孔道直径及其长度以及各段之间的折弯角和相应的折弯次数，应当使在瞬时压力脉冲作用下产生的反向运行的爆炸产物仅仅返回到上述流道的适当的位置，以便当该瞬时压力脉冲消失后，首先这部分被冷却的燃烧产物返回水冷喷枪（1），完成清扫气体功能，继而氧气和燃料气体能按一定的比例及时地送入爆炸腔（8）并在其中进行混合;

本发明的方法还包括通过设置在变径折管式进气门（4）中的直径不变的附加进气管道（11）输入完成某些化学反应所必需的气体或惰性气体。

还有在变径折管式进气门（4）的管道（15、17）内填充由金属或陶瓷制成的多孔性材料或网状材料的过滤段（12）以完成气体过滤净化、防止回火及冷却反向流入的气体燃烧产物的功能;

为实现上述本发明提出的爆炸喷涂方法，可以采用的设备如下：

该爆炸喷涂设备在水冷喷枪（1）的侧壁上设置着变径折管式进气门（4），其中装有变径折弯的燃料流通孔道（5、17、16）和氧气流通孔道（6、14、15），在变径折管进气门（4）中设置附加进气管道（11），以输入为完成化学反应所必须气体或惰性气体。

如附图2，该图为变径折管式进气门结构图，变径折管式进气门（4）中的燃料流通孔道（5）、氧气流通孔道（6）、流通孔道（14、16、15、17）的直径分别为d₅、d₆、d₁₄、d₁₆、d₁₅d₁₇，其长度分别为l₅、l₆、l₁₄、l₁₆、l₁₅、l₁₇，燃料流通孔道（5）与（16）之间的折弯角为α₁，而氧气流通孔道（6）与（14）之间的折弯角为α₂。

上述流通孔道的结构参数如下：

d₅/D＝0.03～0.3;

d₆/D＝0.03～0.3;

d₁₄/D＝0.03～0.3;

d₁₆/D＝0.03～0.3;

d₁₅/D＝0.045～1;

d₁₇/D＝0.045～1;

d² ₆∶d² ₅＝1∶08～1∶5;

l₅/D＝0.1～0.9;

l₆/D＝0.1～0.9;

l₁₄/D＝0.03～0.3;

l₁₆/D＝0.03～0.3;

D＝10～40mm;

α₁＝35°～135°;

α₂＝35°～135°。

在变径折管式进气门（4）中的燃料流通孔道（5）、氧气流通孔道（6）和流通孔道（14、16、15、17）横截面是圆形的，也可以是正方形、长方形和狭长形的，当采用圆形以外的其它形状时其当量直径应当与相应采用的圆管直径相同。

各种形状管道的当量直径按下列公式计算：

de＝ (4×S)/(L)

式中：

de-当量直径;

S-管道的流通截面;

L-管道内壁与流体接触部分的周长。

本发明的设备工作过程如下：

1.出自氧气气源（13）的氧气经管道（26）、过滤段（12）流通孔道（15、14、6），以及出自燃料气源（24）的燃料气体经管道（25）、过滤段（12）、管道、流通孔道（17、16、5）以一定比例分别通过各自的管道及孔道送入水冷喷枪（1）的爆炸腔（8）内，并使之在其中混合;

2.粉仓（3）中的粉末在供气系统（20）的作用下，经过定量送粉机构（10）、送粉管（9）而进入爆炸腔（8），并形成团雾状粉末云（21）;

3.由脉冲电源（23）充电而利用点火装置（2）使在爆炸腔（8）内的混合气体点火，这时在爆炸腔（8）内引起爆炸燃烧，爆炸界面沿加速段（7）迅速地向水冷喷枪（1）的开口端传递，同时在爆炸腔（8）内形成巨大的爆炸能量，团雾状粉末云（21）在爆炸波的作用下被加热和加速并与爆炸产物一起以1000米/秒左右的速度经加速段（7）冲向工件（19），最终在工件表面上形成高质量的涂层（18）。

4.当爆炸的瞬间在爆炸腔（8）内产生一种瞬时压力脉冲，其值为6MPa，该值大于氧气气源（13），燃气气源（24）和送粉末的供气系统（20）的供气压力，因此，自然地停止了输送气体和粉末的过程;同时爆炸燃烧产物反向进入变径折管式进气门（4）的流通孔道（5、16、17）及流通孔道（6、14、15），并在这些孔道中得到冷却;

5.待该瞬时压力脉冲消失后，因加速段（7）的开口端与大气相连通，因此爆炸腔（8）内的压力降至气体的供气和送粉末的进气压力之下，这时经冷却的爆炸产物又返回到爆炸腔（8）中，完成降温、熄火及清扫残留未燃烧气体的作用，为下一次爆炸脉冲做准备，继而自然恢复送气及送粉过程。

本发明的爆炸喷涂方法及其设备与现有技术相比具有如下的优点：

1.本发明的方法及其设备不需要采用机电传动的凸轮-阀门系统，而是采用一种特殊的无机械运动部件的变径折管式进气门（4）的结构，并借助于爆炸瞬时压力脉冲周期性的产生和消失，自然地按同样周期停止和恢复向水冷喷枪（1）内的送气及送粉过程，从而完成了一种新一代无机械运动部件的爆炸喷涂方法及其设备，明显地简化了设备结构、提高了可靠性，简化了操作和维护;

2.由于利用了反向进入变径折管式进气门（4）中的爆炸燃料产物经冷却返回后，完成清扫气体功能，这样就排除了单独向爆炸腔（8）输入惰性气体的必要性，这又一次简化了系统设备，减少了爆炸腔（8）内的燃料气体的稀释程度，提高了爆炸燃烧的能量和涂层性能。

实施例1：

喷涂材料：金属陶瓷、氧化物陶瓷，

采用一个变径折管式进气门（4），

水冷喷枪（1）的加速段（7）的直径D＝12mm，

d₅/D＝0.1

d₆/D＝0.15

d₁₄/D＝0.15

d₁₆/D＝0.2

d₁₅/D＝0.5

d₁₇/D＝0.4

α₁＝α₂＝90° 一次折弯角

燃料气体与氧气流量比为1∶3.2

爆炸脉冲频率    4次/秒

喷涂效率 0.25m²/小时

实施例2：

喷涂材料：合金或氧化物陶瓷，

采用6个变径折管式进气门（4），

D＝40mm，

d₅/D＝0.14

d₆/D＝0.2

d₁₄/D＝0.2

d₁₆/D＝0.28

d₁₅/D＝0.24

d₁₇/D＝0.24

α₁＝α₂＝35° 二次折弯

燃料气体与氧气流量比为1∶3.0

爆炸脉冲频率    5次/秒

喷涂效率 3.4m²/小时

Claims (6)

1、一种爆炸喷涂方法，利用氧气与燃料气体(液化石油气、丙烷、丁烷)以一定比例混合，在水冷喷枪内产生持续脉冲式爆炸燃烧的能量，将输入到水冷喷枪内的粉末进行加热和加速后以1000[米/秒]左右的速度射向工件表面，并在工件表面上形成高质量的涂层，其特征在于：

1)持续脉冲式爆炸喷涂的每个脉冲包括以下的过程：

A)氧气由气源(13)通过管道(26)及变径折管式进气门(4)的氧气流通孔道送入爆炸腔(8)；

同时燃料气体(液化石油气、丙烷、丁烷)则由气源(24)通过管道(25)及变径折管式进气门(4)中的氧气流通孔道送入爆炸腔(8)，

二者进入爆炸腔(8)后，在其中进行混合；

B)利用供气系统(20)提供的压缩气体，通过管道将粉末由粉仑(3)经定量送粉机构(10)及送粉管(9)输入到爆炸腔(8)之内；

C)利用脉冲电源(23)和点火装置(2)进行点火，处于爆炸腔(8)之内的粉末(21)在爆炸冲波作用下被加热与加速，经加速段(7)的开口端射向工件(19)的表面，生成涂层(18)；

当爆炸腔(8)之内出现爆炸压力脉冲时，由于其峰值高于氧气、燃料气体及送粉气源的供气压力，因而在此短暂时间之内自然地停止水冷喷枪(1)的进气与进粉过程；同时爆炸腔(8)内有一小部分气体燃烧产物经变径折管式进气门(4)反向流入气体流通孔道，并在其中得到冷却；

D)爆炸压力脉冲消失后，首先上述被冷却的气体燃烧产物返回水冷喷枪(1)，完成清扫气体功能，继而自然恢复A)与B)所述的向爆炸腔(8)的送气与送粉过程；

这样，只要维持氧气、燃料气体及送粉压缩气体的各自恒定的供气压力，按给定的频率进行点火，即可自然地实现持续的脉冲式爆炸喷涂过程。

2)根据爆炸喷涂要求的功率不同，可在水冷喷枪(1)的周围设置1～12个变径折管式进气门(4)，功率越大，设置的变径折管式进气门(4)的数量越多。

3)设计的变径折管式进气门(4)内各流通孔道直径及其长度以及相接的两孔道之间的折弯角和相应的折弯次数，应当使在瞬时压力脉冲作用下产生的反向流动的爆炸燃烧产物仅仅返回到上述管道的适当的位置，以便当该瞬时压力脉冲消失后，氧气和燃料气体能及时地按比例进入爆炸腔(8)并在其中进行混合。

2、按照权利要求1所述的爆炸喷涂方法，其特征在于，通过设置在变径折管式进气门（4）中的不变直径的附加进气管道（11）输入完成某些化学反应所必需的气体或惰性气体。

3、按照权利要求1所述的爆炸喷涂方法，共特征在于，在变径折管式进气门（4）中的流通孔道（15、17）中，设置着由金属或陶瓷制成的多孔性材料或网状材料的过滤段（12），以完成气体过滤净化，防止回火及冷却反向流入的气体燃烧产物的功能。

4、一种实现权利要求1所述方法的爆炸喷涂设备，其牲征在于，在水冷喷枪（1）的侧壁上设置着变径折管式进气门（4），其中装有变径折弯的燃料流通孔道（5、17、16）和氧气流通孔道（6、14、15），这些孔道的结构参数为：

d₅/D＝0.03～0.3;

d₆/D＝0.03～0.3;

d₁₄/D＝0.03～0.3;

d₁₆/D＝0.03～0.3;

d₁₅/D＝0.045～1;

d₁₇/D＝0.045～1;

d² ₆∶d² ₅＝1∶0.8～1∶5;

l₅/D＝0.1～0.9;

l₆/D＝0.1～0.9;

l₁₄/D＝0.03～0.3;

l₁₆/D＝0.03～0.3;

D＝10～40mm;

α₁＝35°～135°;

α₂＝35°～135°。

5、按照权利要求4所述的喷涂设备，其特征在于，在变径折管式进气门（4）中设置附加进气管道（11），以输入为完成化学反应所必须的气体或惰性气体。

6、按照权利要求4所述的爆炸喷涂设备，其特征在于，在变径折管式进气门（4）中的的燃料流通孔道（5）、氧气流通孔道（6）和流通孔道（16、17、14、15）的横截面是圆形的，也可以是正方形、长方形或狭长形的。当采用圆形以外的其它形状流道时其当量直径应当与相应采用的圆管直径相同。

各种形状管道的当量直径定义为：

de＝ (4×S)/(L)

Images