CN112626444A - 超音速火焰喷涂喷嘴及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及火焰喷涂技术领域，公开了超音速火焰喷涂喷嘴及其使用方法，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体内的一侧设有喷束管，所述喷束管的进料端连通燃烧室，所述燃烧室的进料端设置有燃气催化板，所述燃气催化板的一侧设有气体混合室，所述气体混合室的一侧分别设置有粉末进口与燃料进口，所述粉末进口上侧与燃料进口下侧的喷嘴本体上均设置有空气流入口。本发明使较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，粉末颗粒在经过燃气催化板优化的拉瓦尔喷嘴中完成加速过程，这样一来就使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s以上，能提供范围更广、更稳定的喷涂工艺参数。
Description
技术领域
本发明涉及火焰喷涂技术领域，尤其涉及超音速火焰喷涂喷嘴及其使用方法。
背景技术
超音速火焰喷涂是：将氧与燃料以高速、高压喷入燃烧室,燃烧后产生2727℃的高温和7倍音速以上的高速膨胀气流，燃烧压力可达820千帕,将喷涂粉末送入这种气流中,粉末颗粒被加热并被加速喷射到基体上,得到高质量的涂层。由于其优良的性能、技术的改进及可喷涂材料的拓宽,超音速火焰喷涂得到了越来越广的应用。
虽然超音速火焰喷涂具有许多的优点,但也存在不足之处，超音速火焰喷涂系统中涉及的变量较多，控制系统复杂，且一旦控制系统出现控制故障不仅可能损坏喷涂设备本身，更有可能导致被喷涂工件出现质量问题，而且现有的超音速火焰喷涂装置中，由于燃烧室较短，无法保证粉末颗粒有充足的加热时间，导致最终的燃烧不充分，以至于从喷嘴所喷出的速度较小，这样会导致后续在工件上的喷涂层出现剥落，从而影响到工件在后期时的加工质量。
发明内容
本发明的目的在于提供超音速火焰喷涂喷嘴及其使用方法，空气-燃料混合气体的燃烧温度相对较低，使得喷涂粉末颗粒能沿狭长的燃烧室轴向注入，较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，粉末颗粒在经过燃气催化板优化的拉瓦尔喷嘴中完成加速达到850—1300m/s以上的优点，解决了现有的超音速火焰喷涂装置中，由于燃烧室较短，无法保证粉末颗粒有充足的加热时间，导致最终的燃烧不充分，以至于从喷嘴所喷出的速度较小，这样会导致后续在工件上的喷涂层出现剥落，从而影响到工件在后期时的加工质量的问题。
根据本发明实施例的超音速火焰喷涂喷嘴，包括喷嘴本体，所述喷嘴本体内的一侧设有喷束管，所述喷束管的进料端连通燃烧室，所述燃烧室的进料端设置有燃气催化板，所述燃气催化板的一侧设有气体混合室，所述气体混合室的一侧分别设置有粉末进口与燃料进口，所述粉末进口上侧与燃料进口下侧的喷嘴本体上均设置有空气流入口。
进一步地，所述空气流入口与空气进口相连通，且所述空气进口设置在喷嘴本体的下侧。
进一步地，所述空气进口进入的空气被分割成上导气管与下导气管，所述下导气管的一个出口端连通位于燃料进口下侧的空气流入口。
进一步地，所述上导气管沿喷嘴本体盘绕至上部，且一个出口端连通位于粉末进口上侧的空气流入口。
进一步地，所述上导气管与下导气管的另一个出口端均沿喷嘴本体内壁延伸至喷束管内部。
进一步地，所述粉末进口的出气端与喷束管的出气端设置于同一水平线上。
进一步地，所述燃烧室的直径远大于气体混合室。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1、空气-燃料混合气体的燃烧温度相对较低，使得喷涂粉末颗粒能沿狭长的燃烧室轴向注入，在燃烧室内，较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，粉末颗粒在经过燃气催化板优化的拉瓦尔喷嘴中完成加速过程，这样一来就使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s以上，能提供范围更广、更稳定的喷涂工艺参数；
2、本发明提供超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法,通过燃烧室与气体混合室使加热段与加速段分离，精确控制材料温度，粉末颗粒与喷束管在同一水平线上，实现轴向送粉，束斑集中，涂层一致性好，沉积效率高，空气助燃及冷却，生产成本低，并且燃气催化板使得火焰更为稳定，保证了超音速火焰喷涂中燃料的沉积效率。
超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法，具体包括如下步骤：
S1：粉末进口、燃料进口分别输送粉末与燃料进入气体混合室内与从空气流入口进行混合，混合后的混合气体首先通过燃气催化板进行催化、助燃燃料；
S2：由于混合气体的燃烧温度相对较低，使得粉末颗粒能沿狭长的燃烧室轴向注入，燃烧室内较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，并且燃料燃烧对对粉末颗粒进行供热；
S3：粉末颗粒从而燃烧室流入喷束管内，并依靠燃料燃烧的热能不断对粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s。
S4：加速后的粉末颗粒从喷束管出口喷出喷嘴本体至加工工件上，实现超音速火焰喷涂加工。
所述燃料为氢气或氩氢混合气，所述燃料进口内的压力为100-120Psi。
所述燃烧室内的温度低于气体混合室1000-1200℃。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提出的超音速火焰喷涂喷嘴的结构示意图；
图2-3为本发明中实验例1所喷涂工件的涂层金相图；
图4-5为本发明中实验例2所喷涂工件的涂层金相图；
图6-7为本发明中实验例3所喷涂工件的涂层金相图；
图8-9为本发明中实验例4所喷涂工件的涂层金相图。
图中：1-喷束管、2-喷嘴本体、3-燃烧室、4-燃气催化板、5-气体混合室、6-空气进口、7-粉末进口、8-燃料进口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照图1所示，为本发明提供的较佳实施例。
超音速火焰喷涂喷嘴，包括喷嘴本体2，喷嘴本体2内的一侧设有喷束管1，喷束管1的进料端连通燃烧室3，燃烧室3的进料端设置有燃气催化板4，燃气催化板4的一侧设有气体混合室5，气体混合室5的一侧分别设置有粉末进口7与燃料进口8，粉末进口7上侧与燃料进口8下侧的喷嘴本体2上均设置有空气流入口；
具体的，在燃烧室3内，较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，粉末颗粒在经过燃气催化板4优化的拉瓦尔喷嘴中完成加速过程，这样一来就使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s以上，能提供范围更广、更稳定的喷涂工艺参数。
在本实施例中，空气流入口与空气进口6相连通，且空气进口6设置在喷嘴本体2的下侧。
具体的，空气进口6进入的空气被分割成上导气管与下导气管，下导气管的一个出口端连通位于燃料进口8下侧的空气流入口。
具体的，上导气管沿喷嘴本体2盘绕至上部，且一个出口端连通位于粉末进口上侧的空气流入口，上导气管与下导气管的另一个出口端均沿喷嘴本体内壁延伸至喷束管1内部，这样空气实现了助燃及冷却，使生产成本降低。
具体的，粉末进口的出气端与喷束管的出气端设置于同一水平线上，空气-燃料混合气体的燃烧温度相对较低，使得喷涂粉末颗粒能沿狭长的燃烧室3轴向注入。
在本实施例中，燃烧室3的直径远大于气体混合室5，这样混合气体在燃烧室3内，较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间。
超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法，具体包括如下步骤：
S1：粉末进口7、燃料进口8分别输送粉末与燃料进入气体混合室5内与从空气流入口进行混合，混合后的混合气体首先通过燃气催化板4进行催化、助燃燃料；
S2：由于混合气体的燃烧温度相对较低，使得粉末颗粒能沿狭长的燃烧室3轴向注入，燃烧室3内较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，并且燃料燃烧对对粉末颗粒进行供热；
S3：粉末颗粒从而燃烧室3流入喷束管1内，并依靠燃料燃烧的热能不断对粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s。
S4：加速后的粉末颗粒从喷束管1出口喷出喷嘴本体2至加工工件上，实现超音速火焰喷涂加工。
燃料为氢气或氩氢混合气，燃料进口内的压力为100-120Psi。
燃烧室内的温度低于气体混合室1000-1200℃，本技术方法通过燃烧室3与气体混合室5使加热段与加速段分离，精确控制材料温度，粉末颗粒与喷束管1在同一水平线上，实现轴向送粉，束斑集中，涂层一致性好，沉积效率高，空气助燃及冷却，生产成本低，并且燃气催化板4使得火焰更为稳定，保证了超音速火焰喷涂中燃料的沉积效率。
实验对照例
现对本实施例所喷涂的工件性能进行检测，提供实验例1-4，并且所采用涂层的成分如下所示：
实验例1：WC-10Co-4Cr
实验例2：WC-CrC-7Ni
实验例3：CrC-NiCr（75-25）
实验例4：STL20#
检测结果如下表所示：
| 粉末粒度（µm） | 涂层硬度（HV0.3） | 孔隙率 | 结合强度（psi） | 沉积效率 | |
| 实验例1 | -30+5 | 1368 | <0.5% | 12000 | 45%+ |
| 实验例2 | -30+5 | 1176 | <1% | 12000 | 42%+ |
| 实验例3 | -45+15 | 937 | <1% | 10000 | 35%+ |
| 实验例4 | -53+20 | 732 | <1% | 10000 | 65%+ |
由上述的实验例1-4以及附图2-9各实验例的涂层金相可知，本发明的超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法与现有方法相比的优势：
涂层质量：空气-燃料混合物的燃烧温度比氧气-燃料混合物的温度要低1000摄氏度左右，此温度等同或稍高于金属熔化温度，对硬质合金及金属粉末喷涂所需的渐进加热来说非常理想，相比而言，HVAF工艺中氧气的初始含量比HVOF至少要低50%，这两个因素（低温及低氧）能防止粉末被氧化及碳化物在合金中的分解，即使在碳化钨涂层硬度高达HV0.3=1600的情况下，还能具有良好的延展性；
高效性：粉末颗粒在燃烧室通过高压加热，此时粉末的热传导效率最高，燃烧室的设计特点保证了粉末颗粒能停留较长时间以便受热。因此，相比其他的高速喷涂方法，HVAF工艺的能量传输效率增加显著，效率明显加快，以WC-10Co-4Cr为例，可使用高达30kg/h送粉量；同时经过优化设计的送粉咀使粉斑以非常小的束流高速通过拉瓦尔喷嘴，因此粉末得到充分的加速度并避免了粘枪的可能性。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：包括喷嘴本体，所述喷嘴本体内的一侧设有喷束管，所述喷束管的进料端连通燃烧室，所述燃烧室的进料端设置有燃气催化板，所述燃气催化板的一侧设有气体混合室，所述气体混合室的一侧分别设置有粉末进口与燃料进口，所述粉末进口上侧与燃料进口下侧的喷嘴本体上均设置有空气流入口。
2.根据权利要求1所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述空气流入口与空气进口相连通，且所述空气进口设置在喷嘴本体的下侧。
3.根据权利要求2所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述空气进口进入的空气被分割成上导气管与下导气管，所述下导气管的一个出口端连通位于燃料进口下侧的空气流入口。
4.根据权利要求3所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述上导气管沿喷嘴本体盘绕至上部，且一个出口端连通位于粉末进口上侧的空气流入口。
5.根据权利要求4所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述上导气管与下导气管的另一个出口端均沿喷嘴本体内壁延伸至喷束管内部。
6.根据权利要求5所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述粉末进口的出气端与喷束管的出气端设置于同一水平线上。
7.根据权利要求6所述的超音速火焰喷涂喷嘴，其特征在于：所述燃烧室的直径远大于气体混合室。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
S1：粉末进口、燃料进口分别输送粉末与燃料进入气体混合室内与从空气流入口进行混合，混合后的混合气体首先通过燃气催化板进行催化、助燃燃料；
S2：由于混合气体的燃烧温度相对较低，使得粉末颗粒能沿狭长的燃烧室轴向注入，燃烧室内较低的气体速度能保证粉末颗粒有充足的加热时间，并且燃料燃烧对对粉末颗粒进行供热；
S3：粉末颗粒从而燃烧室流入喷束管内，并依靠燃料燃烧的热能不断对粉末颗粒进行加速，使得粉末颗粒速度可以达到850—1300m/s。
S4：加速后的粉末颗粒从喷束管出口喷出喷嘴本体至加工工件上，实现超音速火焰喷涂加工。
9.根据权利要求7所述的超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法，其特征在于：所述燃料为氢气或氩氢混合气，所述燃料进口内的压力为100-120Psi。
10.根据权利要求8所述的超音速火焰喷涂喷嘴的使用方法，其特征在于：所述燃烧室内的温度低于气体混合室1000-1200℃。
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