CN113088864B - 一种电场辅助电弧喷涂装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电场辅助电弧喷涂装置及方法。所述装置包括：分别与电弧电源正负极连接、用于产生电弧的两块钨极；电场电源，其正负极分别与导电嘴、基板连接，用于在导电嘴和基板之间产生辅助电场；送丝滚轮，用于输送单根金属丝使之经过导电嘴带电后在电弧处熔融形成带电液滴；用于产生高速气流的气泵，带电液滴在辅助电场和高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板形成涂层。所述方法采用所述装置，包括：单根金属丝在送丝滚轮的输送下，经导电嘴带电后于两块钨极产生的电弧处熔融形成带电液滴，带电液滴在导电嘴和基板之间的辅助电场和气泵产生的高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板形成涂层。

Description

一种电场辅助电弧喷涂装置及方法
技术领域
本发明涉及电弧喷涂技术领域，具体涉及一种电场辅助电弧喷涂装置及方法。
背景技术
电弧喷涂是一种以电弧为热源将金属丝熔化成熔融状态，再由高速气体将其雾化成小液滴，喷向工件形成涂层的材料表面成型技术。目前已有诸多报道，如公开号为CN110791724A的专利技术等。电弧喷涂在喷涂过程中要用到高速气流，气泵的声音造成的噪声污染不容小觑。另外，由于这种成型方法是将熔融的小液滴喷向工件，在仅仅由高速气流的推动，小液滴在工件上形成的涂层时覆盖不集中，小液滴会在工件表面形成堆叠的层片状结构，这就会使得涂层中间部分夹杂小气孔，裂纹和氧化物等现象。这样的零件在服役时，在摩擦力、交变载荷等力的作用下就容易出现裂纹，剥落等情况，严重影响零件的使用寿命。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种电场辅助电弧喷涂装置，采用该装置进行电场辅助电弧喷涂，利用电场力和气动推力的协同作用使液滴更聚焦，能够实现3D打印。现有常规电弧喷涂仅仅是气体推动使其雾化并喷向基板，而本发明利用电场力一方面节省气体，降低了噪声污染，另一方面雾化后的带电小液滴在电场力的束缚下，会更加有规则的喷向基板，减小粉尘飞溅，粉尘污染小，使得喷涂更加集中，减小气孔、氧化物等的形成，半圆形金属熔液在电场剪切“拉力”与流体粘滞力、惯性力、表面张力等综合作用下被拉伸形成圆锥形状，并在其尖端聚焦成小于喷孔尺寸的熔液射流并断裂成熔滴，液滴小涂层的表面平整度高。
一种电场辅助电弧喷涂装置，包括：
分别与电弧电源正负极连接、用于产生电弧的两块钨极；
电场电源，其正负极分别与导电嘴、基板连接，用于在导电嘴和基板之间产生辅助电场；
送丝滚轮，用于输送单根金属丝使之经过导电嘴带电后在电弧处熔融形成带电液滴；
用于产生高速气流的气泵，所述带电液滴在所述辅助电场和高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板形成涂层。
传统电弧喷涂利用双金属丝交叉接触产生电弧进行熔融喷涂，易导致扇形喷射流的形成，喷射流不规则，覆盖不集中，进而导致易形成小气孔、裂纹和氧化物等问题的产生。而本发明创造性地采用单金属丝，利用导电嘴使之带电，并在两块钨极产生的电弧处熔融形成带电液滴，最后所述带电液滴在导电嘴和基板之间的辅助电场以及气泵产生的高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板形成涂层，始终保持直线喷射流，喷涂更加规则集中，明显减小气孔、氧化物等的形成。
所述电场辅助电弧喷涂装置主要包括产生电弧的部分，电场控制小液滴部分。利用金属丝与钨极接触短路产生大量的电阻热，引起强烈的电子发射和气体电离，放开金属丝后由于电源电压的作用会形成电场，促使电子发射，同时加速气体电离，形成连续的电弧，电弧的高温使喷嘴处的金属丝成熔融状态，熔融状态小液滴在气体推力的作用下，分散成微纳米级的液滴，带电液滴与基板之间形成电势差，形成电场力，在电场力的作用下会向基板喷射，形成稳定的喷射流，最终在基板上形成高质量的涂层。本发明节省来了气体降低了噪音，更加的节能环保。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂装置，金属丝的熔点低于钨极的熔点，避免钨极熔化而导致在形成的涂层中混入杂质。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种电场辅助电弧喷涂方法，使用所述的电场辅助电弧喷涂装置，所述方法包括：单根金属丝在送丝滚轮的输送下，经导电嘴带电后于两块钨极产生的电弧处熔融形成带电液滴，所述带电液滴在导电嘴和基板之间的辅助电场和气泵产生的高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板形成涂层。
本发明利用外加电场的作用，导电嘴的存在使喷嘴出口处金属丝熔滴的表面形成电荷聚集，半圆形金属熔液在电场剪切“拉力”与流体粘滞力、惯性力、表面张力等综合作用下被拉伸形成圆锥形状，并在其尖端聚焦成小于喷孔尺寸的熔液射流并断裂成熔滴；喷嘴垂直对准基板，基板上处于喷嘴出口正下方垂直点的轴向电场强度最大，喷孔将与此基板垂直点形成轴向自聚焦电场，喷带电熔滴将在轴向聚焦电场作用下精确诱导沉积在聚焦点，实现精细熔滴的精确定位沉积。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂方法，电弧电源的电压为20～100V。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂方法，气泵产生的为气压为0.6～0.9MPa的压缩空气。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂方法，电场电源的电压为400～5000V。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂方法，送丝滚轮的送丝速度为0.2～5m/min。
作为优选，所述的电场辅助电弧喷涂方法，金属丝的直径为0.8～2mm。
本发明的电场辅助电弧喷涂方法相比于传统双金属丝电弧喷涂，喷涂距离的调整范围可以更大。在一优选例中，所述的电场辅助电弧喷涂方法，喷涂距离为60～220mm。
上述优选参数条件的组合可更好地控制喷射流为直线，提高喷涂效率，精确度和减小熔滴的尺寸，提高喷涂质量，喷涂更加规则集中，明显减小气孔、氧化物等的形成。
本发明中的电场辅助电弧喷涂与传统的电弧喷涂的区别是：传统的双金属丝电弧喷涂喷射熔滴尺寸难以细化和沉积精度受限，而本发明电场辅助电弧喷涂是通过电场力的将电弧融化的金属液滴剪切成粒径远小于喷嘴尺寸的小液滴，并在电场力和气动推力的协同作用下提高喷涂精度，从而提高涂层质量，有以下几个优点：
1、在电场力和气动推力的协同作用下使液滴更聚焦，能够实现3d打印。
2、传统的双金属丝电弧喷涂仅仅是气体推动使其雾化并喷向基板，本发明增加了电场力会更加节省气体，降低成本。
3、本发明减小气体的推力之后气泵的功率可以相应的减小，以达到静音的效果。
4、本发明雾化后的带电小液滴在电场力的束缚下，会更加规则的喷向基板，减小粉尘飞溅，粉尘污染小。
5、本发明中，半圆形金属熔液在电场剪切“拉力”与流体粘滞力、惯性力、表面张力等综合作用下被拉伸形成圆锥形状，并在其尖端聚焦成小于喷孔尺寸的铝熔液射流并断裂成熔滴，液滴小涂层的表面平整度高。
本发明还提供了所述的电场辅助电弧喷涂装置在3D打印中的应用。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
本发明解决了传统双金属丝电弧喷涂过程中雾化的金属液滴运动规律不确定、在空间做无规则运动的问题，同时减少了高速气流的用量，减轻了气泵的噪声污染。
本发明电场辅助电弧喷涂在电场力的作用下可以提高喷涂效率，精确度和减小熔滴的尺寸，打印制造出的高质量的涂层结构可广泛用于电子、信息、能源等领域，具有良好的产业价值。
附图说明
图1为传统双金属丝电弧喷涂装置的结构示意图，图中：20-涂层，21-电源，22-金属丝，23-送丝滚轮，24-导电块，25-导电嘴，26-电弧，27-空气喷嘴，28-工件，29-喷涂射流；
图2为实施例电场辅助电弧喷涂装置的结构示意图，图中：1-电弧电源，2-钨极，3-丝材，4-电场电源，5-气泵，6-基板，7-空气喷嘴，8-电弧，9-送丝滚轮，10-导电块，11-导电嘴。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
对比例
如图1所示，传统双金属丝电弧喷涂装置包括电源21，其正负极分别连接两块导电块24，导电块24上设有导电嘴25，两根金属丝22分别在相应送丝滚轮23的输送下经过相应导电嘴25后在交叉接触，产生电弧26，同时形成熔融液滴，所述熔融液滴在空气喷嘴27喷出的高速气流作用下形成扇形喷涂射流29，在工件28上形成涂层20。
可见，传统电弧喷涂利用双金属丝交叉接触产生电弧进行熔融喷涂，易导致扇形喷射流的形成，喷射流不规则，覆盖不集中，进而导致易形成小气孔、裂纹和氧化物等问题的产生。
实施例
本实施例的电场辅助电弧喷涂装置如图2所示，包括：
分别与电弧电源1正负极连接、用于产生电弧8的两块钨极2；
电场电源4，其正极通过导电块10与导电嘴11连接，负极与基板6连接，用于在导电嘴11和基板6之间产生辅助电场；
送丝滚轮9，用于输送单根金属丝3使之经过导电嘴11带电后在电弧8处熔融形成带电液滴；
气泵5，可在与之相连的空气喷嘴7处产生高速气流，所述带电液滴在所述辅助电场和高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板6形成涂层。
金属丝3的熔点低于钨极2的熔点，避免钨极2熔化而导致在形成的涂层中混入杂质。
两块钨极2产生电弧的过程如下：与电弧电源1负极连接的钨极2和金属丝3直径存在电压，当该钨极2与金属丝3接触时会发生短路，产生大量的电阻热，这样的热量会使得金属丝3熔化，引起强烈的电子发射和气体电离，这时再让接触的金属丝3和该钨极2断开，由于电场力的作用在这段距离内会形成很强大的电场，又促使电子发射；同时，加速气体的电离，使带电粒子在电场的作用下，向两极定向移动，电弧电源1不断地供给电能，新的粒子不断得到补充，形成连续的电弧。
本实施例的电场辅助电弧喷涂装置使用时，单根金属丝3在送丝滚轮9的输送下，经导电嘴11带电后于两块钨极2产生的电弧8处熔融形成带电液滴，所述带电液滴在导电嘴11和基板6之间的辅助电场和气泵5在空气喷嘴7处产生的高速气流的双重作用下雾化加速形成微/纳米尺度射流，喷向基板6形成微纳米级涂层。
具体的，电弧电源1的电压为23V，气泵5产生的为气压为0.7MPa的压缩空气，电场电源4的电压为400～5000V，送丝滚轮9的送丝速度为5m/min，喷涂距离为200mm，金属丝3的材质为锌，直径为1.5mm。
另外，在喷涂前，将基板6的表面打磨，清洗去除油污，将机器设备通电；在喷涂完成后，首先将高压电电源内部电荷进行释放，以确保安全，等基板6温度降到室温时，取下基板6，关闭仪器，完成喷涂试验。
本发明利用电场合气动推力的共同作用来辅助电弧喷涂，在喷涂过程中，熔化的金属丝小液滴在电场力的作用会被电场“拉长”为直径远小于喷嘴直径的微粒。然后在电场力和气动推力的作用下，有规则的喷向工件形成涂层。
采用本实施例的电场辅助电弧喷涂装置及方法，由于电场力的作用，熔化的金属丝液滴会形成精细射流和十微米级的熔滴，其中射流越稳定，熔滴越小，涂层的质量就越好。此外利用电场，精确诱导控制熔滴运动轨迹，具有以下优点:使液滴更聚焦；能够实现3D打印；节省气体；静音；粉尘污染小；液滴小涂层表面平整度高。
可见，本发明电场辅助电弧喷涂装置及方法解决了传统双金属丝电弧喷涂过程中雾化的金属液滴运动规律不确定、在空间做无规则运动的问题，同时减少了高速气流的用量，减轻了气泵的噪声污染。本发明电场辅助电弧喷涂在电场力的作用下可以提高喷涂效率，精确度和减小熔滴的尺寸，带电液滴更加有规则的喷向基板，减小粉尘飞溅，粉尘污染小，使得喷涂更加集中，减小气孔、氧化物等的形成，也别适用于需要精细控制的3D打印。本发明可满足我国航空航天、武器装备等领域对微小复杂铝合金零件的迫切需求，具有重要实际应用价值。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种电场辅助电弧喷涂装置，其特征在于，包括：
分别与电弧电源(1)正负极连接、用于产生电弧(8)的两块钨极(2)；
电场电源(4)，其正负极分别与导电嘴(11)、基板(6)连接，用于在导电嘴(11)和基板(6)之间产生辅助电场；
送丝滚轮(9)，用于输送单根金属丝(3)使之经过导电嘴(11)带电后在电弧(8)处熔融形成带电液滴；
用于产生高速气流的气泵(5)，所述带电液滴在所述辅助电场和高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板(6)形成涂层。
2.根据权利要求1所述的电场辅助电弧喷涂装置，其特征在于，金属丝(3)的熔点低于钨极(2)的熔点。
3.一种电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的电场辅助电弧喷涂装置，所述方法包括：单根金属丝(3)在送丝滚轮(9)的输送下，经导电嘴(11)带电后于两块钨极(2)产生的电弧(8)处熔融形成带电液滴，所述带电液滴在导电嘴(11)和基板(6)之间的辅助电场和气泵(5)产生的高速气流的双重作用下雾化加速喷向基板(6)形成涂层。
4.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，电弧电源(1)的电压为20～100V。
5.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，气泵(5)产生的为气压为0.6～0.9MPa的压缩空气。
6.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，电场电源(4)的电压为400～5000V。
7.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，送丝滚轮(9)的送丝速度为0.2～5m/min。
8.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，金属丝(3)的直径为0.8～2mm。
9.根据权利要求3所述的电场辅助电弧喷涂方法，其特征在于，喷涂距离为60～220mm。
10.根据权利要求1或2所述的电场辅助电弧喷涂装置在3D打印中的应用。
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