CN108165923B - 一种新型超高音速高焓值等离子喷枪及wc基复合涂层的制备工艺 - Google Patents
一种新型超高音速高焓值等离子喷枪及wc基复合涂层的制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种新型超高音速高焓值等离子喷枪及WC基复合涂层的制备工艺。该喷枪包括：喷嘴、固定环、壳体1、壳体2、集成器、分水套、阳极、压缩器、水冷套、间隔套、阴极；阴极和阳极之间加入压缩器，增大二者之间的间距，本发明的喷枪在提高电弧长度的同时可提高电弧的稳定性，提高了等离子喷涂的焰流的速度，最终焰流速度可高达6‑7马赫(2040～2380m/s)。涂层粉末在高速火焰中被加热到熔融、半熔融状态，高速撞击工件表面，沉积形成致密涂层。基于本发明提供的装置及工艺，可以获得高沉积效率、高结合强度、高硬度、低孔隙率、高抗磨蚀性能、高耐腐蚀性能、高耐磨性能WC基涂层，可以被应用于如水轮机、水泵、球阀、闸门、活塞杆等工件表面。
Description
技术领域
本发明涉及表面强化及再制造领域，特别是一种新型超高音速高焓值等离子喷枪及WC基复合涂层的制备工艺。
背景技术
磨损、腐蚀等是机械零部件主要的失效形式，零件的失效严重影响了机器的正常运转，降低了生产效率，同时零件的更换又大大增加了生产成本。为了提高机械零件的使用寿命和性能，人们采用了一系列的表面工程技术，如表面合金化、离子注入、喷丸强化、热喷涂等，来改进和提升零件表面材料的耐磨损耐腐蚀性能。然而，这些方法并不能从根本上解决这一关键技术难题，存在的问题仍然非常突出。随着热源技术发展的突飞猛进，各种新型的热喷涂技术不断涌现，通过对热源温度和粒子速度的提升，各种难熔的高性能材料(如陶瓷、金属陶瓷等)均可作为喷涂用料，大大提升了喷涂层的综合性能，使得热喷涂技术的应用领域得到了极大的扩展。近年来得到快速发展和广泛应用，采用热喷涂技术制备金属基陶瓷涂层覆盖于零件表面，利用陶瓷涂层优良的耐磨损性能，可显著提高机械零件的使用寿命。热喷涂金属基碳化钨(WC)耐磨涂层具有高硬度和耐磨损等优良性能，在机械、冶金、化工、电力等领域有着广泛的应用前景。
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)，该设备以大功率(270kW)保证焰流的焓值，并通过增大大气体流量(130～230L/min)来提高焰流的速度，这种设计造成了能量转换率低，并造成了喷涂成本较高。并经过文献检索发现，名称：一种超音速反应等离子喷涂枪(CN 101289744A)、名称：拉瓦尔阳极结构电弧等离子体柜(CN20198625 U)和名称：一种双气流超音速等离子喷枪(CN 104902666A))这三项专利中，公开的等离子体发生器中均是由一个阴极和一个阳极组成。焰流加速单纯采用了复杂的拉瓦尔喷嘴作为阳极时，焰流速度在(400～800mm/s)。此外，现有的超音速等离子体喷枪都是通过提高工作电流来提高射流的速度和温度，随着电流的提高电极的使用寿命将大大缩短。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新型超高音速高焓值等离子喷涂装置及WC基复合涂层的制备工艺，可获得高致密度、高结合强度的抗磨蚀、耐腐蚀、耐磨损的WC基复合涂层，更能满足实际应用的要求。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，包括：喷嘴、固定环、壳体1、壳体2、集成器、分水套、阳极、压缩器、水冷套、间隔套、阴极；
阳极和压缩器安装于水冷套内部后，水冷套通过螺纹连接安装在壳体1中，水冷套上开有轴向的回水槽，分水套套于水冷套端部，二者螺纹连接，喷嘴安装在壳体1的端部，两者通过密封圈密封，且在喷嘴外圈设置固定环，固定环和壳体1之间通过螺纹连接压紧喷嘴；
阴极通过螺纹固定在集成器的内端面后，集成器与壳体2一端通过螺杆固定使阴极插入壳体2中；间隔套固定在壳体2内圈中；
将如上所述的内部安装好组件的壳体1和壳体2之间通过螺杆连接成一体，两者之间由密封圈密封，使壳体2中的间隔套前端面紧贴壳体1中的压缩器后端面。
所述的集成器上集成有进水口、回水口、进气口，所述的壳体1及壳体2上均开有进水孔道，进水口、进水孔道形成进水通道；所述的水冷套上设有回水沟槽，壳体2上还开有回水孔道和进气孔道，回水沟槽、回水孔道、回水口形成回水通道；进气口、进气孔道形成进气通道。
上述技术方案中，喷枪采用双拉瓦尔管气体压缩结构，压缩器内部为拉瓦尔管结构，为第一级拉瓦尔压缩器，喷嘴内部也为拉瓦尔管结构，为第二级拉瓦尔压缩器，利用拉瓦尔原理压缩火焰焰流，提高焰流速度，通过两级拉瓦尔气体压缩结器后，焰流速度最高可达6-7马赫(2040～2380m/s)。
所述的喷嘴及压缩器均采用紫铜材料，喷嘴喉管直径在6～13mm之间，压缩器喉管直径在5～6mm之间，当喉管直径过小时容易出现烧蚀的现象，当喉管尺寸直径过大时受喷枪尺寸限制，无法实现超高音速加速。
喷嘴内孔的中心线、阳极中心线、压缩器中心线、阴极中心线均在同一轴线上。
所述的阴极前端为钨铼合金尖端作为电弧发生器，中部为紫铜实心圆柱体，后端为紫铜空心柱体，表面开有若干圆孔(优选4个)，且其空心与集成器上的回水口相连，去离子水通过阴极表面的4个圆孔进入阴极内腔，最后经过集成器的回水口流出喷枪。
阴极的中部圆柱体表面开有8个气体导向槽，导向槽与阴极中心线呈30°夹角，在间隔套内设有陶瓷环，阴极导向槽与间隔套上的陶瓷环组合形成一个具有8条旋流通道的气流分配环，能使工作气体均匀分散、并混合均匀。阴极材质整体采用紫铜，在顶部镶嵌钨铼合金材料作为电弧发生器，因为钨铼合金具有熔点高、电阻率高、热电势值高、抗电弧烧蚀性高等优点，可做高温发射极，利用该优点可提高阴极的使用寿命。
阳极包括外圈和内圈，外圈为贯通的铜制U型套，内圈为并列镶嵌在U型套内的3个作为阳极电弧发生器的钨铼环，最外端钨铼环与压缩器前端面紧贴，所述的3个钨铼环两两之间镶嵌陶瓷片；阳极中3个钨铼环由外向内依次是第一级阳极、第二级阳极、第三级阳极，其中第一级阳极起到起弧作用，第一阳极外端面与阴极尖端之间的距离在60～80mm，由于阴阳极之间距离较长，产生的电弧弧长较长，通过加设第二级阳极、第三级阳极起到稳定电弧作用。经大量实验研究发现，如果阴极和阳极之间距离小于60mm，则电弧宽而短，气体电离不够充分，火焰的焓值较低，无法满足WC粉末的熔融要求。如果阴极和阳极之间距离大于80mm，则电弧过长不稳定，难以获得稳定可靠电弧。
所述的陶瓷片采用添加有Ga2O3的Al2O3材料制成，因为Ga2O3具有击穿场强高、抗辐射性强、结构稳定等优点，在Al2O3中添加一定量的Ga2O3制成的陶瓷片，用于钨铼环的间隔，具有较高的绝缘性、耐高温性和击穿场强度的特点，受陶瓷片传热性、绝缘性影响，陶瓷片厚度一般在0.5～1mm之间。
分水套的内圈有螺纹，用于与水冷套的外螺纹相连。分水套与壳体1的内衬端面贴合，分水套外表面进水，内表面回水，实现了进水、回水的分离。
水冷套的内圈为中空结构，阳极和压缩器沿轴线放置于水冷套中。水冷套外圈为沿轴向开有若干个(通常采用12个)回水槽的螺纹结构，增大冷却面积；阴、阳极间因气体电离产生的热量通过阳极和压缩器传递到水冷套而被冷却水带走，实现对喷枪的冷却保护作用。其中螺纹结构一部分与壳体1内衬的内螺纹结合固定，另一部分用于固定分水套。
集成器外端面上集成了三路进水管、三路进气管，一路回水管；内端面通过螺纹连接阴极。壳体2上开有三路进水孔道、一路回水孔道和三路进气孔道，壳体1上也开有进水孔道，去离子水输入由进水管、壳体2进水孔道、壳体1进水孔道形成的进水通道，经分水套再进入由水冷套回水槽、壳体2回水孔道、回水管形成的回水通道输出，混合气体由进气管进入壳体2的进气孔道输入阴极与阳极之间。在所述的喷枪上共形成三路进水通道、三路进气通道及一条回水通道；为了防止出现气体分布不均引起的电弧偏置和电弧不稳定，采用三路进气通道圆周均匀分布，增加了进气的均匀性，则提高了电弧的稳定性。为了提高喷枪冷却效果，采用三路进水通道圆周均匀分布，提高了进水在枪体内分布均匀性，提高了喷枪的冷却效果，防止枪管因冷却不均出现烧蚀的现象。
采用上述的超高音速高焓值等离子喷枪制备的WC基复合涂层，该涂层的主要成分按质量百分比计为Co 8～12％、Cr 3～5％、WC剩余，喷涂粉末粒径为5～45μm，涂层的厚度为50～300μm，不需要封孔处理；
粉末沉积效率超过65％，涂层的孔隙率小于1％，结合强度＞70MPa，显微硬度＞1200HV0.2，涂层抗磨蚀性能是0Cr13Ni5Mo的3倍以上，具有良好的抗磨蚀性能、耐腐蚀性能及耐磨性能。其制备工艺中参数如下：喷枪功率：70～100KW，进气通道输入氩气、氮气、氢气的混合气体，其中氩气流量：300～500SCFH，氮气流量：90～150SCFH，氢气流量：70～120SCFH，送粉量：3～7RPM，喷涂距离：100～200mm。
而同样的涂层粉末材料，采用常规等离子喷涂技术如大气等离子喷涂技术、低压等离子喷涂技术制备WC10Co4Cr涂层孔隙率在1～2％，孔隙率较高，结合强度一般在30～50MPa之间，结合强度相对较低。
本发明的有益效果在于：
(1)通过阳极压缩器拉瓦尔管的第一级加速和喷嘴拉瓦尔管的第二级加速，大大提高了焰流的速度。
(2)通过集成器三路进水管，提高了冷却水分布的均匀性，大幅提高了喷枪冷却效果。
(3)通过集成器三路进气管，提高了工作气体分布的均匀性，大幅提高了电弧的稳定性。
(4)采用钨铼合金作为阳极、阴极的电弧发生器，提高了阳极、阴极的使用寿命。
(5)采用Ga2O3+Al2O3材料的陶瓷材料，提高了陶瓷片传热性、绝缘性，陶瓷片厚度一般在0.5～1mm之间。
(6)与传统的等离子喷涂技术相比，本发明的新型超高音速高焓值喷涂技术真正实现了粒子速度的超音速，燃气射流的速度最高可达6-7马赫(2040～2380m/s)，大幅度提高了涂层的性能。制备的涂层致密性强、硬度高、结合强度高、抗磨蚀性强、耐磨性强、耐腐蚀性强等优点。
(7)与传统等离子喷涂涂层相比，涂层的结合强度＞70Mpa，可以有效避免涂层发生剥落，涂层的孔隙率降低到1％以下，可以获得致密的涂层结构，有效防止腐蚀介质从孔隙进入并腐蚀基体，提高涂层的耐腐蚀性能；涂层的平均显微硬度高于1200HV0.2，可以大幅提高涂层的耐磨性能；粉末沉积效率超过65％，涂层抗磨蚀性能是0Cr13Ni5Mo的3倍以上，具有良好的抗磨蚀性能、耐腐蚀性能及耐磨性能。
(8)通过新型高焓等离喷涂技术制备的WC合涂层，具有传统等离子喷涂涂层所无法实现的高致密性及耐磨性能等，可以被应用于如水轮机、闸门、锅炉管壁、活塞杆等工件表面。
附图说明
图1新型超高音速高焓值等离子喷枪的一种具体结构示意图；
图2新型超高音速高焓值等离子喷枪及水循环示意图，图1的A-A剖面；
图3新型超高音速高焓值等离子喷枪及气管道示意图，图1的B-B剖面；
图4喷嘴的一种具体结构示意图；
图5阴极的一种具体结构示意图；
图6阳极组件及水冷套的一种具体结构示意图；
图7分水套具体结构示意图；
图8水冷套具体结构示意图；
图9新型超高音速高焓值喷枪的焰流；
图10新型超高音速高焓值喷涂技术制备的WC合涂层截面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明新型超高音速高焓值等离子喷枪安装步骤：阳极7和压缩器8安装于水冷套9内部后，一起通过螺纹连接安装在壳体1 3中；分水套6的内螺纹与水冷套9的外螺纹相连；喷嘴1通过安装在壳体1 3的端部，两者通过密封圈密封；喷嘴1由固定环2和壳体1 3之间的螺纹连接压紧。阴极11通过螺纹固定在集成器5的内端面后，集成器5与壳体2 4通过螺杆固定；间隔套10固定在壳体24内圈中。内部安装好组件的壳体1 3和壳体2 4之间通过螺杆连接成一体，两者之间由密封圈密封。
新型超高音速高焓值等离子喷枪采用了双拉瓦尔管气体压缩结构，压缩器8为第一级拉瓦尔压缩器，喷嘴1为第二级拉瓦尔压缩器，所述的喷嘴及压缩器均采用紫铜材料，喷嘴喉管直径尺寸在6～13mm之间，压缩器喉管直径尺寸在5～6mm之间，喷嘴内孔的中心线、阳极中心线、压缩器中心线、阴极中心线均在同一轴线上。通过两级拉瓦尔气体压缩结器后，焰流速度可达6-7马赫(2040～2380m/s)。
所述的阴极前端为钨铼合金尖端作为电弧发生器，中部为紫铜实心圆柱体，后端为紫铜空心柱体，表面开有若干圆孔(优选4个)，且其空心与集成器上的回水口相连，去离子水通过阴极表面的4个圆孔进入阴极内腔，最后经过集成器的回水口流出喷枪。
阴极的中部圆柱体表面开有8个气体导向槽，导向槽与阴极中心线呈30°夹角，在间隔套内设有陶瓷环，阴极导向槽与间隔套上的陶瓷环组合形成一个具有8条旋流通道的气流分配环，能使工作气体均匀分散、并混合均匀。阴极材质整体采用紫铜，在顶部镶嵌钨铼合金材料作为电弧发生器。
阳极包括外圈和内圈，外圈为贯通的铜制U型套，内圈为并列镶嵌在U型套内的3个作为阳极电弧发生器的钨铼环，最外端钨铼环与压缩器前端面紧贴，所述的3个钨铼环两两之间镶嵌陶瓷片；阳极中3个钨铼环由外向内依次是第一级阳极、第二级阳极、第三级阳极，第一阳极外端面与阴极尖端之间的距离在60～80mm，所述的陶瓷片采用添加有Ga2O3的Al2O3材料制成，厚度一般在0.5～1mm之间。
分水套的内圈有螺纹，用于与水冷套的外螺纹相连。分水套与壳体1的内衬端面贴合，分水套外表面进水，内表面回水，实现了进水、回水的分离。
水冷套的内圈为中空结构，阳极和压缩器沿轴线放置于水冷套中。水冷套外圈为沿轴向开有若干个(通常采用12个)回水槽的螺纹结构，其中螺纹结构一部分与壳体1内衬的内螺纹结合固定，另一部分用于固定分水套。
集成器上三路进水管圆周均匀分布，去离子水通过进水管进入与壳体2三路进水通道，然后进入壳体1流向喷嘴，在喷嘴处回流，经过分水套、水冷套外壁流向阴极，再通过阴极上的4个回水孔进入回水管流出喷枪实现冷却功能。
集成器上三路进气管圆周均匀分布，工作气体通过进气管进入与壳体2三路进气通道，气体均匀流向阴极端部的8个气体导向槽和间隔套内壁形成的气体分配环，在阴极和阳极间被电离形成高温电弧，经过两级拉瓦尔压缩，喷出喷嘴形成超高速焰流。
为了更详细的说明本发明内容，下面结合图9-10具体实施例进一步说明。
实施例一
1、预处理
对基体0Cr13Ni5Mo不锈钢表面进行去离子水清洗，丙酮、酒精除油清洗，烘干，喷砂毛化处理(选用30目的白刚玉砂，喷砂压力0.6MPa)，处理后表面达到Sa3的洁净度要求。
2、对基体进行预热，预热后基体表面温度为约100℃。
3、进行新型超高音速高焓值等离子喷涂WC10Co4Cr纳米涂层，喷枪与基体表面夹角90°，喷涂距离为160mm，喷枪移动速度为800mm/s。
4、主要工艺参数调整为：功率：80KW，氩气流量：410SCFH，氮气流量：100SCFH，氢气流量：70SCFH，送粉量：4RPM，喷涂距离：160mm。
5、喷涂16遍，涂层最终厚度250μm。
6、涂层性能测试分析：粉末沉积效率达到80％，涂层的孔隙率小于0.49％，结合强度73MPa，显微硬度1250HV0.2，抗磨蚀性能是0Cr13Ni5Mo的7.8倍。
采用同样的涂层粉末材料，通过大气等离子喷涂技术、或低压等离子喷涂技术制备的WC10Co4Cr涂层，孔隙率在1～2％，结合强度一般在30～50MPa之间。
实施例二
1、预处理
对基体0Cr13Ni5Mo不锈钢表面进行去离子水清洗，丙酮、酒精除油清洗，烘干，喷砂毛化处理(选用30目的白刚玉砂，喷砂压力0.6MPa)，处理后表面达到Sa3的洁净度要求。
2、对基体进行预热，预热后基体表面温度约100℃。
3、进行新型超高音速高焓值等离子喷涂WC12Co纳米涂层，喷枪与基体表面夹角90°，喷涂距离为160mm，喷枪移动速度为800mm/s。
4、主要工艺参数调整为：功率：95KW，氩气流量：410SCFH，氮气流量：110SCFH，氢气流量：80SCFH，送粉量：3RPM，喷涂距离：160mm。
5、喷涂18遍，涂层最终厚度250μm。
6、涂层性能测试分析：粉末沉积效率达到77％，涂层的孔隙率小于0.40％，结合强度72MPa，显微硬度1254HV0.2，抗磨蚀性能是0Cr13Ni5Mo的3.5倍。
本发明新型超高音速高焓值等离子喷涂优势在于：双拉瓦尔管加速，三路进气，三路进水、一路回水结构下，通过二次加速、提高电弧长度、增加电弧稳定性，多种反作用相结合提高焰流速度，焰流速度可高达6-7马赫。利用该喷枪制备的WC系列涂层时，粉末沉积效率超过65％，涂层的孔隙率小于1％，结合强度＞70MPa，显微硬度＞1200HV0.2，涂层抗磨蚀性能是0Cr13Ni5Mo的3倍以上，具有良好的抗磨蚀性能、耐腐蚀性能及耐磨性能。利用该发明的喷枪和涂层制备工艺可有效的解决机械零部件磨损、腐蚀等问题。
以上所述仅是本发明的部分实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征、参数、制备方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (10)
1.一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：包括：喷嘴（1）、固定环（2）、壳体1（3）、壳体2（4）、集成器（5）、分水套（6）、阳极（7）、压缩器（8）、水冷套（9）、间隔套（10）、阴极（11）；
阳极（7）和压缩器（8）安装于水冷套（9）内部，水冷套（9）通过螺纹连接安装在壳体1（3）中，水冷套（9）上开有轴向的回水槽；分水套（6）套于水冷套（9）端部，二者螺纹连接，喷嘴（1）安装在壳体1（3）的端部，两者通过密封圈密封，且在喷嘴（1）外圈设置固定环（2），固定环（2）和壳体1（3）之间通过螺纹连接压紧喷嘴；
阴极（11）通过螺纹固定在集成器（5）的内端面后，集成器（5）与壳体2（4）一端通过螺杆固定使阴极（11）插入壳体2（4）中；间隔套（10）固定在壳体2（4）内圈中；
上述内部安装好组件的壳体1（3）和壳体2（4）通过螺杆连接成一体，两者之间由密封圈密封，使壳体2（4）中的间隔套（10）前端面紧贴壳体1（3）中的压缩器（8）后端面；
所述的集成器（5）上集成有进水口、回水口、进气口，所述的壳体1（3）及壳体2（4）上均开有进水孔道，进水口、进水孔道形成进水通道；所述的水冷套（9）上设有若干回水槽，壳体2（4）上还开有回水孔道和进气孔道，回水槽、回水孔道、回水口形成回水通道；进气口、进气孔道形成进气通道。
2.根据权利要求1所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：采用双拉瓦尔管气体压缩结构，压缩器（8）内部为拉瓦尔管结构，为第一级拉瓦尔压缩器，喷嘴（1）内部也为拉瓦尔管结构，为第二级拉瓦尔压缩器。
3.根据权利要求2所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：所述的喷嘴（1）及压缩器（8）均采用紫铜材料，喷嘴（1）喉管直径在6~13mm之间，压缩器（8）喉管直径在5~6mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：所述的阴极（11）前端为钨铼合金尖端作为电弧发生器，中部为紫铜实心圆柱体，后端为紫铜空心柱体，表面开有若干圆孔，且其空心与集成器（5）上的回水口相连。
5.根据权利要求4所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：阴极的中部圆柱体表面开有8个气体导向槽，导向槽与阴极中心线呈30°夹角，在间隔套（10）内设有陶瓷环，阴极导向槽与间隔套（10）上的陶瓷环组合形成一个具有8条旋流通道的气流分配环。
6.根据权利要求1所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于： 所述的阳极包括外圈和内圈，外圈为贯通的铜制U型套，内圈为并列镶嵌在U型套内的3个作为阳极电弧发生器的钨铼环，最外端钨铼环与压缩器（8）前端面紧贴，所述的3个钨铼环两两之间镶嵌陶瓷片；3个钨铼环由外向内依次是第一级阳极、第二级阳极、第三级阳极，第一阳极外端面与阴极尖端之间的距离在60~80mm。
7.根据权利要求6所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于：所述的陶瓷片采用添加有Ga2O3的Al2O3材料制成，陶瓷片厚度在0.5~1mm之间。
8.根据权利要求1所述的一种新型超高音速高焓值等离子喷枪，其特征在于，所述的喷枪上共设置三路进水通道、三路进气通道及一条回水通道；三路进水通道圆周均匀分布，三路进气通道圆周均匀分布。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的超高音速高焓值等离子喷枪制备的WC基复合涂层，其特征在于：
该涂层的主要成分按质量百分比计为Co 8~12%、Cr 3~5%、WC剩余，喷涂粉末粒径为5~45μm，涂层的厚度为50~300μm，不需要封孔处理；
粉末沉积效率超过65%，涂层的孔隙率小于1%，结合强度＞70MPa，显微硬度＞1200HV0.2。
10.一种如权利要求9所述的WC基复合涂层的制备工艺，其特征在于：喷枪功率：70~100KW，进气通道输入氩气、氮气、氢气的混合气体，其中氩气流量：300~500SCFH，氮气流量：90~150SCFH，氢气流量：70~120SCFH，送粉量：3~7RPM，喷涂距离：100~200mm。
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