CN109536874B - 一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，包括：偏转阳极喷嘴，其固定连接在喷枪体的前端，所述偏转阳极喷嘴的内部具有喷嘴孔道；其中，所述喷枪体具有圆柱形内置容纳腔，所述喷嘴孔道的轴线与所述喷枪体的轴线具有夹角；偏转阴极，其设置在所述喷枪体内，并且所述偏转阴极的一端固定连接在喷枪体上，另一端伸入所述喷嘴孔道的入口端内；其中，所述偏转阴极伸入所述喷嘴孔道内的一端与所述喷嘴孔道同轴，并且所述偏转阴极与所述偏转阳极喷嘴的内壁之间具有间隙。本发明提供的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，实现了等离子射流从产生初始的下扎，并能同时保证喷枪紧贴内孔件侧壁，有效增大了受限空间内的喷涂距离。

Description

一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置
技术领域
本发明属于内孔等离子喷涂技术领域，特别涉及一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置。
背景技术
内孔等离子喷涂技术是对内孔类零部件的内壁实施等离子喷涂层的工艺。具体来讲，它是将专用内孔等离子喷枪沿平行于内孔轴线方向伸进内孔件中，并使产生的等离子束流与喷枪/内壁成90-135°夹角，进而在零件内壁制备改性强化层的一种表面工程技术。这些内孔件可以包括内燃机车缸体、燃气轮机壳体和换热器管等。
对于等离子喷涂技术，为使粉末能够在等离子射流中充分的熔化和加速，金属基和陶瓷基粉体的最小喷涂距离一般至少分别为90mm和80mm。而对于很多在役的小内孔件(内径往往不超过110mm)，在去除内孔喷枪的径向厚度后，其喷涂距离一般小于55-65mm。因而，粉体熔化程度和撞击速度欠佳，涂层质量很难保证。
此外，等离子射流沿其轴线方向温度梯度较陡。在射流的中高温区域处，轴向位置每移动1mm，温差约有400-500℃。因此，过近的喷涂距离会加剧等离子射流对内壁的热影响，易使涂层热致残余应力过大进而发生开裂或剥落，过高的热输入也会使工件发生严重的热变形。
综上，受限空间环境下内孔喷涂距离是该技术的一项关键参数，该值的大小稍有变化都会对涂层的质量产生重要影响。
目前，提升内孔等离子喷涂距离的方式主要有以下两种：第一种方式较为传统，如图1所示，即将喷枪头相对于竖直喷枪杆向后弯折一定角度。但是因为喷枪外翻，就不能使整个枪杆紧贴一侧内壁，因而增大的喷涂距离有限。第二种是等离子射流产生的方向仍然平行于内孔中心轴线，并经枪头前段的偏转曲面反弹后，以一定倾斜角度射向基体(美国专利US4970364《Method of coating internal surfaces of an object by plasmaspraying》)。由于该种方式能使喷枪在紧贴内壁的基础上，将束流偏转，因而显著提升了内孔喷涂距离。但是它最大的缺陷是等离子射流经曲面反弹后，其能量和速度损耗严重，致使粉体送入到经折损的束流后，粉末熔化不充分，飞行速度低，涂层质量较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其通过在偏转阳极喷嘴内部设置倾斜的喷嘴孔道，以及与喷嘴孔道相匹配的阴极头，能够在偏转阳极喷嘴内部形成倾斜等离子射流通道；从而实现了等离子射流从产生初始的下扎，并能同时保证喷枪紧贴内孔件侧壁，克服了现有技术的缺陷，有效增大了受限空间内的喷涂距离，能够实现对盲孔底部内壁的均匀覆盖和涂层的高质量成形。
本发明在偏转阳极喷嘴上开设了多路不同入射角度的送粉孔道，分别将低熔点粉末、中熔点粉末和高熔点粉末，输送至射流中的低温区、中温区和高温区，使各熔点范围的粉末达到最佳的熔化状态，能够进一步提高喷涂效果。
本发明提供的技术方案为：
一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，包括：
喷枪体，其具有圆柱形内置容纳腔；
偏转阳极喷嘴，其固定连接在所述喷枪体的前端，所述偏转阳极喷嘴的内部具有喷嘴孔道；
其中，所述喷嘴孔道的轴线与所述喷枪体的轴线具有夹角；
偏转阴极，其设置在所述喷枪体的内置容纳腔内，并且所述偏转阴极的一端固定连接在所述喷枪体上，另一端伸入所述喷嘴孔道的入口端内；
其中，所述偏转阴极伸入所述喷嘴孔道内的一端与所述喷嘴孔道同轴，并且所述偏转阴极与所述偏转阳极喷嘴的内壁之间具有间隙。
优选的是，所述偏转阴极包括阴极座和阴极头；
其中，所述阴极座的一端与所述喷枪体固定连接，并且所述阴极座与所述喷枪体同轴设置，使所述阴极座与所述喷枪体的内壁之间形成环形进气通道，所述环形进气通道与所述喷嘴孔道连通；以及
所述阴极头可拆卸的连接在所述阴极座的另一端上，所述阴极头伸入所述喷嘴孔道的入口端内并且与所述喷嘴孔道同轴设置。
优选的是，所述偏转阳极喷嘴开设有第一送粉通道和多个第二送粉通道；
其中，所述第一送粉通道与所述喷嘴孔道垂直连通；以及
所述第二送粉通道与所述喷嘴孔道形成一定角度连通。
优选的是，相邻两个送粉通道之间的夹角为15度～25度。
优选的是，所述阴极头为圆台状，其锥角为85度～98度。
优选的是，所述阴极座内开设有冷却水腔。
优选的是，所述喷嘴孔道的轴线与所述喷枪体的轴线的夹角为5度～35度。
优选的是，所述喷嘴孔道的入口端到出口端依次包括第一段和第二段；
其中，所述第一段为沿射流方向直径逐渐缩小的锥形孔道，所述阴极头伸入所述第一段中。
优选的是，所述第一段的锥角为39度～42度。
优选的是，所述偏转阳极喷嘴在喷嘴孔道出口端的两侧分别开设有多个散热槽。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，通过在杨喷嘴内部设置倾斜的喷嘴孔道，以及与喷嘴孔道相匹配的阴极头，能够在偏转阳极喷嘴内部形成倾斜等离子射流通道；从而实现了等离子射流从产生初始的下扎(射流的能量和速度无折损)，并能同时保证喷枪紧贴内孔件侧壁，克服了现有技术的缺陷，有效增大了受限空间内的喷涂距离，实现对盲孔底部内壁的均匀覆盖和涂层的高质量成形。
(2)本发明提供的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，通过适当调整偏转阳极喷嘴孔道倾斜的角度和与之相配合的阴极头偏转角度，能够进一步提高涂层的质量。
(3)本发明提供的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，在偏转阳极喷嘴上开设了多路不同入射角度的送粉孔道，分别将低熔点粉末、中熔点粉末和高熔点粉末，输送至射流中的低温区、中温区和高温区，使各熔点范围的粉末达到最佳的熔化状态，能够进一步提高喷涂效果。
附图说明
图1为现有技术中提升内孔等离子喷涂距离的方式示意图。
图2本发明所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置的剖面图。
图3为本发明所述的偏转阳极喷嘴的透视图。
图4为本发明实施例1中得到的涂层电镜图。
图5为本发明对比例1中得到的涂层电镜图。
图6为本发明实施例2中得到的涂层电镜图。
图7为本发明对比例2中得到的涂层电镜图。
图8为本发明实施例3中得到的涂层电镜图。
图9为本发明对比例3中得到的涂层电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图2-3所示，本发明提供了一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，包括偏转阳极喷嘴110和偏转阴极120。偏转阳极喷嘴110固定连接在喷枪体100的前端，偏转阳极喷嘴110的内部具有向下倾斜的喷嘴孔道111；其中，喷枪体100具有圆柱形内置容纳腔，喷嘴孔道111的轴线与所述喷枪体100的轴线之间具有夹角。偏转阴极120设置在所述喷枪体100的内置容纳腔内，并且偏转阴极120的一端固定连接在喷枪体100上(图中未示出)，另一端从喷嘴孔道111的入口端方向伸入到喷嘴孔道111内；其中，偏转阴极120伸入喷嘴孔道111内的一端与所述喷嘴孔道111同轴，并且所述偏转阴极120与所述偏转阳极喷嘴110的内壁之间具有间隙。
如图2所示，在本实施例中，偏转阴极120包括阴极座121和阴极头122，其中，阴极座121的一端与喷枪体100固定连接(图中未示出)，并且所述阴极座121同轴设置在喷枪体100内，使所述阴极座121的外壁与所述喷枪体100的内壁之间形成环形进气通道101，并且所述环形进气通道101与喷嘴孔道111连通，使气体从环形进气通道101进入喷嘴孔道111中形成射流。阴极座121的前端开设有向下倾斜的内螺纹孔，使内螺纹孔的轴线与阴极座121的轴线之间形成夹角。阴极头122的末端设有与所述内螺纹孔相匹配的外螺纹，通过螺纹连接使阴极头122与阴极座121可拆卸的连接在一起。阴极座121的前端面与阴极头122的末端面的形状和倾斜角度相匹配，使阴极座121的前端面与阴极头122的末端面紧密贴合。阴极头122伸入喷嘴孔道111的入口端内并且与所述喷嘴孔道111同轴设置。
阴极座121内开设有冷却水腔121a，用于通入循环冷却水，对整个偏转阴极120进行冷却。阴极头122为圆台状，阴极头122的锥角设置为85度～98度，阴极头122的外表面与偏转阳极喷嘴110的内壁(喷嘴孔道壁)之间形成的间隙为1.2mm～1.8mm。
其中，阴极座可以通过钎焊(银焊或铜焊)的方式连接在喷枪体上。
作为优选，喷嘴孔道111的轴线与所述喷枪体100的轴线的夹角设置为为5度～35度，以进一步提高喷涂的涂层质量。
如图3所示，喷嘴孔道111的入口端到出口端依次包括第一段111a和第二段111b。其中，第一段111a为压缩段，压缩角39度～42度，长度6.5mm～9.5mm，即第一段111a为直径沿射流方向逐渐缩小的锥形孔道，阴极头122位于第一段111a中。第二段为111b的形状收敛-扩张型，用以进一步压缩等离子体，形成高能高焓的超声速射流。第二段111b还可以设置为可为圆柱型、拉瓦尔型或阶梯型曲面；喷嘴孔道111的总长度30.0mm～36.0mm。
偏转阳极喷嘴110的前端开设有三个送粉通道，分别为送粉通道112、113和114；三个送粉通道分别与所述喷嘴孔道111连通，用于将不同熔点的粉末材料输送至射流中的不同温度区域。
其中，送粉孔道112用于将低熔点粉末(例如Al、Cu等)送到射流边缘的低温区，送粉角度(送粉孔道112的轴线和喷嘴孔道111的轴线夹角)为86度～116度；送粉孔道113用于将中熔点粉末(例如Fe、Ni基合金等)送到射流的中温区，送粉角度(送粉孔道113的轴线和喷嘴孔道111的轴线夹角)为95度～125度；送粉孔道114用于将高熔点粉末(例如陶瓷Al2O3/TiO2、硬质难熔合金Mo/Re)送到射流中心的高温区，送粉角度(送粉孔道114的轴线和喷嘴孔道111的轴线夹角)为110度～140度。以使各熔点范围的粉末达到最佳的熔化状态，有效克服了粉末的过熔或未/半熔的问题，能够进一步提升喷涂效果。
为达到更好的束流偏转效果，本发明中的3个送粉孔道均开设在偏转阳极喷嘴110的上侧，送粉孔道113沿竖直方向，送粉孔道112和送粉孔道114分别位于送粉孔道113的两侧，并且相邻两个送粉通道的轴线的夹角为15度～25度。
作为进一步的优选，偏转阳极喷嘴110上在喷嘴孔道111出口端的两侧分别开设有多个散热槽115，以实现偏转阳极喷嘴110的均匀冷却。其中，散热槽115避开送粉孔道112、113、114和喷嘴孔道111开设。
在进行内孔等离子喷涂时，喷枪参数选择如下：
主气流量(通常为氩气)：30～120L/min；
次气流量(通常为氢气或氦气)：2.5～25L/min；
工作电压：55～115V；
工作电流：200～360A；
送粉量：4.2～8.6kg/h；
送粉气压力：0.2～0.6MPa；
送粉气流量：3～12L/min；
喷涂距离：28～120mm；
内孔喷枪转速：10-400r/min；
喷枪轴向移动速度：10-1500mm/min。
实施例1
所喷涂的内孔件为某输油管道，其内径为104mm，喷涂材料为铝硅Al-Si粉，喷涂时粉体通入送粉孔道112(适用于低熔点粉末)。其余工艺参数：主气流量：70L/min；次气流量：8.7L/min；工作电压：105V；工作电流：300A；送粉量：6.9kg/h；送粉气压力：0.40MPa；送粉气流量：9L/min；喷涂距离：62mm；内孔喷枪转速：184r/min；喷枪轴向移动速度：550mm/min。所得涂层形貌如图4所示，涂层厚度约140-180μm，涂层致密性好，涂层的氧含量为2.7％。在本实施例中，通过适用于低熔点粉末送粉通道输送低熔点铝硅粉，避开了等离子射流高温区和中温区的气化烧蚀，减少了飞行熔滴与周围环境氧气的接触，使涂层的含氧量降低，涂层质量显著提高。
实施例2
所喷涂的内孔件为某型汽车发动机铝合金缸体，缸孔内径85mm，喷涂材料为镍铬硼硅NiCrBSi(铬Cr:1.0-15.0wt％,硼B:0.2-3.0wt％,硅Si:0.5-4.5wt％,碳C:0.3-0.6wt％,铁Fe:＜5.0wt％,镍Ni:余量)，喷涂时粉体通入送粉孔道113(适用于中熔点粉末)。其余工艺参数：主气流量：60L/min；次气流量：7.4L/min；工作电压：100V；工作电流：280A；送粉量：6.0kg/h；送粉气压力：0.25MPa；送粉气流量：5L/min；喷涂距离：40mm；内孔喷枪转速：220r/min；喷枪轴向移动速度：660mm/min。所得涂层形貌如图6所示，涂层厚度约260-360μm，涂层的孔隙率和硬度分别为1.2％和550.7Hv。
本实施例采用倾斜式喷嘴孔道的设置，充分增加了小内径受限条件下的喷涂距离，提高粒子的熔化程度和飞行速度，进而制备出较为致密的内孔涂层，在降低涂层孔隙率的同时，提高了涂层的硬度。
实施例3
所喷涂的内孔件为某型重载卡车发动机灰铸铁缸套，其内径120mm，喷涂材料为二氧化钛TiO2，喷涂时粉体通入送粉孔道114(适用于高熔点粉末)。其余工艺参数：主气流量：50L/min；次气流量：13L/min；工作电压：110V；工作电流：320A；送粉量：7.2kg/h；送粉气压力：0.35MPa；送粉气流量：7L/min；喷涂距离：71mm；内孔喷枪转速：120r/min；喷枪轴向移动速度：420mm/min。所得涂层形貌如图8所示，涂层厚度约170-250μm，涂层的孔隙率和硬度分别为5.3％和830Hv。
本实施例中通过高熔点送粉孔道能够直接将TiO2陶瓷送入到等离子射流的焰心，再配合倾斜的喷嘴孔道，就能给予难熔TiO2足够的加热和加速的条件，从而制备出孔隙率更低的内孔涂层。
对比例1
采用现有技术(未改进的喷枪)在与实施例1采用相同工艺参数下进行涂层制备，得到的涂层如图5所示，涂层的为含氧量为5.2％，涂层质量比实施例1获得的涂层质量差。其中，图5中箭头所指的众多灰黑色斑点即为在电镜下导电性较差的氧化物。
对比例2
采用现有技术(未改进的喷枪)在与实施例2采用相同工艺参数下进行涂层制备，得到的涂层如图7所示，涂层的孔隙率和硬度分别为4.1％和430Hv。
对比例3
采用现有技术(未改进的喷枪)在与实施例3采用相同工艺参数下进行涂层制备，得到的涂层如图9所示，涂层的孔隙率和硬度分别为10.1％和690Hv。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，包括：
喷枪体，其具有圆柱形内置容纳腔；
偏转阳极喷嘴，其固定连接在所述喷枪体的前端，所述偏转阳极喷嘴的内部具有喷嘴孔道；
其中，所述喷嘴孔道的轴线与所述喷枪体的轴线具有夹角；
偏转阴极，其设置在所述喷枪体的内置容纳腔内，并且所述偏转阴极的一端固定连接在所述喷枪体上，另一端伸入所述喷嘴孔道的入口端内；
其中，所述偏转阴极伸入所述喷嘴孔道内的一端与所述喷嘴孔道同轴，并且所述偏转阴极与所述偏转阳极喷嘴的内壁之间具有间隙；
所述偏转阴极包括阴极座和阴极头；
其中，所述阴极座的一端与所述喷枪体固定连接，并且所述阴极座与所述喷枪体同轴设置，使所述阴极座与所述喷枪体的内壁之间形成环形进气通道，所述环形进气通道与所述喷嘴孔道连通；以及
所述阴极头可拆卸的连接在所述阴极座的另一端上，所述阴极头伸入所述喷嘴孔道的入口端内并且与所述喷嘴孔道同轴设置；
所述偏转阳极喷嘴开设有第一送粉通道和多个第二送粉通道；
其中，所述第一送粉通道与所述喷嘴孔道垂直连通；以及
所述第二送粉通道与所述喷嘴孔道形成一定角度连通；
相邻两个送粉通道之间的夹角为15度～25度。
2.根据权利要求1所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述阴极头为圆台状，其锥角为85度～98度。
3.根据权利要求2所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述阴极座内开设有冷却水腔。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述喷嘴孔道的轴线与所述喷枪体的轴线的夹角为5度～35度。
5.根据权利要求4所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述喷嘴孔道的入口端到出口端依次包括第一段和第二段；
其中，所述第一段为沿射流方向直径逐渐缩小的锥形孔道，所述阴极头伸入所述第一段中。
6.根据权利要求5所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述第一段的锥角为39度～42度。
7.根据权利要求6所述的具有偏角喷涂功能的内孔等离子喷涂装置，其特征在于，所述偏转阳极喷嘴在喷嘴孔道出口端的两侧分别开设有多个散热槽。
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