CN112126887B - 空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层的方法 - Google Patents

空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层的方法。该空气燃气型超音速火焰喷枪包括燃烧室、及同轴设于燃烧室前、后端的枪管和同轴尾座；燃烧室和同轴尾座外设有燃烧室壳体；枪管外设有枪管壳体，枪管壳体与燃烧室壳体连通；燃烧室壳体上设有高压空气进口和点火针；同轴尾座上分布有高压空气分配孔；枪管壳体上分布有冷却空气出口；所述同轴尾座与燃烧室之间设有催化铜板。本发明的空气燃气型超音速火焰喷枪实现了火焰温度的大幅降低，粒子速度的大幅提高，喷枪出口火焰温度实现低于1600℃，粒子速度达到1200m/s，实现高性能非晶涂层的制备。本发明获得的WC‑10Co4Cr金属陶瓷涂层，可有效避免涂层剥落，且耐腐蚀性能好。

Description

空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层 的方法
技术领域
本发明属于超音速火焰喷涂技术领域，具体涉及一种新型空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层的方法。
背景技术
传统的燃气氧气超音速热喷涂技术通过燃气与氧气燃烧提供粉末加热及加速的能量，其喷枪出口火焰温度为2800℃以上，粉末粒子速度700-900m/s，存在加热温度高，粉末粒子在焰流中停留时间长等缺点，会导致粉末颗粒严重氧化降低涂层性能，并且较低的粒子速度也会造成涂层致密度、结合强度低等不足。针对非晶等粉末，该技术由于火焰温度太高而无法保留涂层的非晶态，无法满足使用需求。
常规的大气空气超音速火焰喷涂技术通过燃气与氧气燃烧提供粉末加热及加速的能量，其喷枪出口火焰温度可以降低至1800℃，粉末粒子速度800-1000m/s，但温度还不够低，速度还不够快，因此在喷涂非晶材料时容易造成晶化，失去非晶材料特性；且喷涂WC类材料仍然存在氧化脱碳，会对其性能造成不利影响。因此需要进一步降低火焰温度，提高粒子速度，以改善涂层的性能。同时，常规大气空气超音速火焰喷枪采用多孔陶瓷片对燃气和空气进行混合及活化，并且没有对其进行有效的冷却，在使用过程中，容易导致该陶瓷片破碎及烧蚀堵孔等情况，影响喷涂的稳定性，成为安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用范围更广、粒子速度更高、稳定性更好地新型空气燃气型超音速火焰喷枪、喷涂装置及制备金属陶瓷涂层的方法。
一种新型空气燃气型超音速火焰喷枪，包括燃烧室、及同轴设于燃烧室前、后端的枪管和同轴尾座；所述的燃烧室和同轴尾座外设有燃烧室壳体，所述的燃烧室壳体后端与同轴尾座后端固定连接；所述的枪管外设有枪管壳体，所述的枪管壳体与燃烧室壳体连通，形成高压空气运动的腔体；所述的燃烧室壳体上设有高压空气进口和点火针，所述点火针端部位于燃烧室内，方便更换以及易于点火；所述的同轴尾座上分布有高压空气分配孔；所述的枪管壳体上分布有冷却空气出口；
所述的同轴尾座与燃烧室之间设有催化铜板；所述的同轴尾座与催化铜板之间形成腔体，所述的同轴尾座后端设有用于向该腔体输送高压燃气的高压燃气进口；所述的同轴尾座后端还设有送粉针，所述的送粉针通过送粉载气将粉体送入燃烧室中；
所述的催化铜板上分布有若干催化混合孔和冷却水通道；所述的燃烧室壳体上还设有冷却水分配器；所述的冷却水分配器与催化铜板的冷却水通道连通。高压燃气及高压空气同时通过催化铜板上的催化混合孔进入燃烧室中。
上述技术方案中，进一步地，所述的催化铜板为环形，其前端位于燃烧室中；所述的催化混合孔和冷却水通道均围绕催化铜板的轴心呈环形分布。
更进一步地，所述的送粉针前端位于催化铜板的中空部分，但并未穿过催化铜板靠近燃烧室的端面，防止送粉针前端被烧蚀，轴向送粉可以使送粉及熔融更加的稳定均匀。。
进一步地，所述的冷却水分配器与催化铜板的接触面为圆弧形且二者相互贴合；冷却水分配器与燃烧室壳体和催化铜板的接触部位采用O型圈及橡胶垫进行密封。
进一步地，所述的冷却水通道包括深入铜板部分及环形部分，所述冷却水通道的进出水口与冷却水分配器的进出水口连通，形成循环冷却回路。
进一步地，所述的送粉针后端设有辅助燃气进气口，用于向喷枪内输送辅助燃气。
进一步地，所述的高压燃气可以是甲烷、丙烷、丙烯、天然气等。辅助燃气可以是氢气等。通过高压燃气、辅助燃气及高压空气共同燃烧，以及高压空气本身的冲击力，形成高速低温的射流，实现火焰温度低于1600℃，粒子速度高于1200m/s，高速粒子束流冲击到工件表面形成高性能涂层。
本发明还提供一种新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置，该装置包括上述的新型空气燃气型超音速火焰喷枪。
一种应用上述的新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层。
一种应用上述的新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的方法，喷涂工艺参数为：粉末粒径为5-30μm，高压燃气压力为0.7~1.3MPa；高压空气压力为0.9~1.2MPa；送粉载气压力为1.0~1.5MPa；辅助燃气压力为0.8-1.1MPa；喷涂距离为160~250mm。
本发明的有益效果在于：
（1）与燃气氧气超音速热喷枪相比，本发明的新型空气燃气型超音速火焰喷枪实现了火焰温度的大幅降低，粒子速度的大幅提高，喷枪出口火焰温度实现低于1600℃，粒子速度达到1200m/s。大幅度提高涂层的性能，实现高性能非晶涂层的制备。
（2）将常规的催化陶瓷片替换成催化铜板，并进一步采用高压空气及循环冷却水共同对其进行冷却，解决催化陶瓷片易碎、易烧损等问题，大幅提高设备使用寿命及稳定性。
（3）增加了辅助燃气，使得在喷涂WC等高熔点金属陶瓷时获得更高的燃烧能量，以及更好地射流速度，提高涂层性能。并且辅助燃气的使用与否可以根据粉末的材质进行选择，在很大程度上扩大了喷枪的适用范围。
（4）辅助燃气通过送粉针进入燃烧室，利用送粉载气的压力确保辅助燃气的输送及防止因燃烧室压力而出现的回流，并且利用送粉载气是惰性气体对辅助燃气起到保护作用，确保使用安全。
（5）本发明获得的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的结合强度超过85MPa，可以有效避免涂层剥落，涂层的孔隙率降低到0.5％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达到1300-1400HV0 .2，可以大幅提高涂层的耐磨性能。涂层的氧化率降低40％以上，可以保持良好的粉末性能。
（6）通过本发明的新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层，具有传统涂层所无法实现的高强高韧及耐空蚀等性能，可以被广泛应用于水轮机、水泵等水利机械表面。
附图说明
图1为新型空气燃气型超音速火焰喷枪剖面结构示意图；
图2（1）为催化铜板结构示意图，图2（2）为其A-A剖面示意图，图2（3）为其B-B剖面示意图；
图3（1）为冷却水分配器结构示意图，图3（2）为其C-C剖面示意图；
图4为本发明制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的截面扫描电镜照片；
其中，送粉针1，辅助燃气进口2，同轴尾座3，高压空气分配孔4，燃烧室壳体5，冷却水分配器6，点火针7，燃烧室8，高压空气进口9，枪管10，枪管壳体11，冷却空气出口12，高压燃气进口13，催化铜板14，催化混合孔15，冷却水通道16，金属螺套17，O型圈18；橡胶垫19。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。
图1所示为本发明新型空气燃气型超音速火焰喷枪的一种较佳实施案例，但不仅限于此。如图1所示，包括燃烧室8、及同轴设于燃烧室8前、后端的枪管10和同轴尾座3；所述的燃烧室8和同轴尾座3外设有燃烧室壳体5，所述的燃烧室壳体5后端与同轴尾座3后端固定连接；所述的枪管10外设有枪管壳体11，所述的枪管壳体11与燃烧室壳体5连通，形成高压空气运动的腔体；所述的燃烧室壳体5上设有高压空气进口9和点火针7，所述点火针7端部位于燃烧室8内；所述的同轴尾座3上分布有高压空气分配孔4；所述的枪管壳体11上分布有冷却空气出口12；
所述的同轴尾座3与燃烧室8之间设有催化铜板14；所述的同轴尾座3与催化铜板14之间形成腔体，所述的同轴尾座3后端设有用于向该腔体输送高压燃气的高压燃气进口13；所述的同轴尾座3后端还设有送粉针1，所述的送粉针1通过送粉载气将粉体送入燃烧室8中；
所述的催化铜板14上分布有催化混合孔15和冷却水通道16；所述的燃烧室壳体5上还设有冷却水分配器6；所述的冷却水分配器6与催化铜板14的冷却水通道16连通。冷却水分配器6与燃烧室壳体5、燃烧室8、催化铜板14接触配合。
所述的催化铜板14为环形，其前端位于燃烧室8中；所述的催化混合孔15和冷却水通道16均围绕催化铜板14的轴心呈环形分布，如图2所示。
所述的送粉针1前端位于催化铜板14的中空部分，但并未穿过催化铜板14靠近燃烧室8的端面。
采用金属螺套17将冷却水分配器6锁紧于燃烧室壳体5上。所述的冷却水分配器6与催化铜板14的接触面为圆弧形且二者相互贴合；冷却水分配器6与燃烧室壳体5和催化铜板14的接触部位采用O型圈18及橡胶垫19进行密封，如图3所示。
所述的冷却水通道16包括深入铜板部分及环形部分，所述冷却水通道16的进出水口与冷却水分配器6的进出水口连通。冷却水从冷却水分配器6的进水口进入，经过冷却水通道16，从冷却水分配器6的出水口排出，形成循环冷却回路。对催化铜板5进行充分的冷却，确保其使用稳定性。
所述的送粉针1后端设有辅助燃气进气口，用于向喷枪内输送辅助燃气，辅助燃气与送粉载气一起通过送粉针1进入燃烧室8。
所述的高压燃气可以是甲烷、丙烷、丙烯、天然气等。辅助燃气可以是氢气等。通过高压燃气、辅助燃气及高压空气共同燃烧，以及高压空气本身的冲击力，形成高速低温的射流，实现火焰温度低于1600℃，粒子速度高于1200m/s，高速粒子束流冲击到工件表面形成高性能涂层。
一种新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置，该装置包括上述新型空气燃气型超音速火焰喷枪。
一种应用上述新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层。
一种应用上述新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的方法，对新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置的设置为：粉末粒径为5-30μm，高压燃气压力为0.7~1.3MPa；高压空气压力为0 .9~1.2MPa；送粉载气压力为1.0~1.5MPa；辅助燃气压力为0.8-1.1MPa；喷涂距离为160~250mm。
高压空气从高压空气进口9进入后分成两路。大部分通过高压空气分配孔4进入，与高压燃气在催化铜板14的催化混合孔15中进行催化混合后，同时进入燃烧室8，进行燃烧。剩下的高压空气在对同轴尾座3、催化铜板14、燃烧室8及枪管10进行冷却后，从冷却空气出口12排出，燃烧过程中对这些部件持续进行冷却。
图4所示为采用新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层，其中一种制备方法的具体实施过程如下：
1、预处理
基体采用ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢，对基体表面进行丙酮、酒精除油，去离子水清洗，并烘干，然后对表面进行喷砂毛化处理（采用20-40目白刚玉，喷砂空气的压力为0 .3~0.6MPa，喷砂距离为100~200mm，喷砂角度为70°~90°），去除表面氧化皮等杂质并使表面粗糙度为6.3~12.5Ra。
2、喷涂粉末为WC-10Co4Cr金属陶瓷粉末，主要成分为WC 86%、Co 10%、Cr 4%，粉末粒径为5-30μm。将喷涂粉末置于保温箱中干燥，干燥温度为80-100℃，时间不少于2小时。
3、将基体装夹固定，采用新型空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备涂层，喷涂工艺参数为：高压燃气采用丙烷，压力为0.7~1.3MPa，流量为82L/min；高压空气压力为0 .9~1.2MPa；载气采用氮气，压力为1.0~1.5MPa，流量为23L/min；辅助燃气采用氢气，压力为0.8-1.1MPa，流量为10L/min；喷涂距离为160~250mm，获得复合非晶涂层。
4、经过测试分析得出本实施例制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的性能参数如下：涂层厚度为250μm，涂层的孔隙率小于0.5%；涂层的平均显微硬度为1300-1400HV0.2；涂层与基体间的粘结强度高于91MPa；在相同含沙流水冲蚀下，涂层的冲蚀失重量为基材的1/20以下；在相同超声波空蚀下，涂层失重量为基材的1/3以下。

Claims (7)

1.一种空气燃气型超音速火焰喷枪，其特征在于，包括燃烧室（8）、及同轴设于燃烧室（8）前、后端的枪管（10）和同轴尾座（3）；所述的燃烧室（8）和同轴尾座（3）外设有燃烧室壳体（5），所述的燃烧室壳体（5）后端与同轴尾座（3）后端固定连接；所述的枪管（10）外设有枪管壳体（11），所述的枪管壳体（11）与燃烧室壳体（5）连通，形成高压空气运动的腔体；所述的燃烧室壳体（5）上设有高压空气进口（9）和点火针（7），所述点火针（7）端部位于燃烧室（8）内；所述的同轴尾座（3）上分布有高压空气分配孔（4）；所述的枪管壳体（11）上分布有冷却空气出口（12）；
所述的同轴尾座（3）与燃烧室（8）之间设有催化铜板（14）；所述的同轴尾座（3）与催化铜板（14）之间形成腔体，所述的同轴尾座（3）后端设有用于向该腔体输送高压燃气的高压燃气进口（13）；所述的同轴尾座（3）后端还设有送粉针（1），所述的送粉针（1）通过送粉载气将粉体送入燃烧室（8）中；
所述的催化铜板（14）上分布有若干催化混合孔（15）和冷却水通道（16）；所述的燃烧室壳体（5）上还设有冷却水分配器（6）；所述的冷却水分配器（6）与催化铜板（14）的冷却水通道（16）连通；
所述的冷却水通道（16）包括深入铜板部分及环形部分，所述冷却水通道（16）的进出水口与冷却水分配器（6）的进出水口连通，形成循环冷却回路；
所述的送粉针（1）后端设有辅助燃气进气口，用于向喷枪内输送辅助燃气；
所述的高压燃气为甲烷、丙烷、丙烯或天然气。
2.根据权利要求1所述的空气燃气型超音速火焰喷枪，其特征在于，所述的催化铜板（14）为环形，其前端位于燃烧室（8）中；所述的催化混合孔（15）和冷却水通道（16）均围绕催化铜板（14）的轴心呈环形分布。
3.根据权利要求2所述的空气燃气型超音速火焰喷枪，其特征在于，所述的送粉针（1）前端位于催化铜板（14）的中空部分，但并未穿过催化铜板（14）靠近燃烧室（8）的端面。
4.根据权利要求2所述的空气燃气型超音速火焰喷枪，其特征在于，所述的冷却水分配器（6）与催化铜板（14）的接触面为圆弧形且二者相互贴合；冷却水分配器（6）与燃烧室壳体（5）和催化铜板（14）的接触部位采用O型圈（18）及橡胶垫（19）进行密封。
5.一种空气燃气型超音速火焰喷涂装置，其特征在于，该装置包括如权利要求1-4任一项所述的空气燃气型超音速火焰喷枪。
6.一种应用如权利要求5所述的空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备的WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层。
7.一种应用如权利要求5所述的空气燃气型超音速火焰喷涂装置制备WC-10Co4Cr金属陶瓷涂层的方法，其特征在于，对空气燃气型超音速火焰喷涂装置的设置为：粉末粒径为5-30μm，高压燃气压力为0.7~1.3MPa；高压空气压力为0 .9~1.2MPa；送粉载气压力为1.0~1.5MPa；辅助燃气压力为0.8-1.1MPa；喷涂距离为160~250mm。
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