CN114082969A - 一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，包括腔室、送粉器、送粉管、送料嘴、等离子装置、惰性气体循环管路、冷却管道、包裹在冷却管道外的冷却腔和粉末收集器，腔室上设置有抽真空接口，抽真空接口与抽真空装置联通，送料嘴与冷却管道同轴水平设置，等离子装置加热重熔送料嘴中喷出的粉末，该粉末在冷却管道中实现冷却，最后被粉末收集器收集。本发明的粉体颗粒迅速吸热后表面熔融，并在表面张力作用下缩聚成球形液滴，进入冷却管道后骤冷凝固而将球形固定下来，从而获得表面致密度高的球形粉体。本发明也涉及一种超细粉末重熔制备工艺。
Description
技术领域
本发明涉及热喷涂领域，尤其涉及一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统和工艺。
背景技术
热喷涂技术在表面强化技术领域中受到越来越多的关注，是通过热源将备好的粉末或丝材熔化为熔滴，通过高速气流喷射到基体材料表面，形成涂层，改善基材的硬度、耐腐蚀性、抗氧化、耐高温等性能。因此在航空、航天、机械、冶金等领域得到广泛的应用。
热喷涂粉末在热喷涂工艺中材料占比达到70％以上，粉末颗粒的粒度分布、形貌特征、成分组成都会影响涂层效果。
碳化钨基金属陶瓷涂层硬度高、韧性好，具有较好的综合性能，常见的涂层材料有WC-10Co-4Cr、WC-12Co、WC-17Co等，其中碳化钨为硬质相，钴为粘结相，当前传统热喷涂碳化钨粉末制备工艺的粒度范围多分布在15～150微米，但是对于1～15微米定义为超细粉末粒度范围基本无相关技术文献或专利进行报道，进而可以实现对超细粉末进行等离子致密化处理技术国内外更是鲜有报道。
碳化钨-钴热喷涂用金属粉末的制备工艺较为复杂，常见的制备方法包括熔融破碎法、烧结破碎法、烧结破碎球磨法等。但受粉末大小、粒度分布、结构等影响，喷涂时很多喷涂粉末在还未达到最理想的熔融状态就到达基体表面，导致涂层与基体的结合强度差，孔隙率高，同时还会影响形成涂层的表面质量，尤其是在内孔喷涂中，增加了后期表面磨削处理成本以及影响涂层的其他使用性能。
文献1“授权公告号是CN107794483A的中国实用新型专利”公开了一种烧结破碎法制备热喷涂用碳化钨粉末的方法。该方法将粒度为0.2～3微米金属单质粉末与碳化钨粉末按照一定比例混合后，在100℃烘干箱中烘干，然后在真空或惰性气体的气氛炉中进行烧结，烧结温度为540～630℃，烧结时间1～2小时，将烧结后的粉末通过物理破碎、筛分，得到一系列非球形或类球形粉末，该粉末采用等离子喷涂时涂层结合强度在35～60Mpa，涂层孔隙率小于4％，在采用超音速火焰喷涂时，涂层孔隙率可达0.6％以下。
该方法中金属原料在烧结后粉末结成块体，破碎筛分的过程中会破坏部分颗粒球形结构，得到的粉末球化率低，致密度小，从而会影响粉末粒子与基体的结合强度，进一步影响涂层使用性能。
文献2“授权公告号是CN106216690A的中国实用新型专利”公开了一种烧结球磨破碎制备热喷涂用粉末的方法。该方法将粒度为0.8-30微米的金属粉末原料在球磨机中球磨均匀后，干燥造粒，将制得的钨粉颗粒在烧结炉中脱脂2～5小时，烧结1～4小时，烧结温度为1300～1600℃，将烧结后的粉末在球磨机中再次球磨1～3小时，通过气流分级获得粒度在15～120微米范围内的热喷涂粉末。
该方法得到的粉末球形度得到了改善，但得到的粉末直径大、粒度分布范围宽，导致细粉制备成品率低。大直径粉末喷涂形成的涂层表面质量较差，超细粉末的形态差异大而不规则。同时该类粉末在热喷涂过程中难以控制粉末在最佳熔融状态下与基体接触，与结合强度较差。
所以急需一种能够生产出球化率高、表面致密性好、组成单个粉体的细微颗粒间团聚强度高、粉末粒度小且分布集中的热喷涂用超细粉末的系统设备。
另外，虽然等离子重熔球化工艺在粉末制备领域已经应用多年，可以有效的提高粉末球化率，并且使得粉末变得致密。但是对于碳化物粉末，使用等离子重熔球化工艺，等离子的高温会使得碳化物粉末容易脱碳。造成粉末成分变化，制备的涂层硬度会降低。除了脱碳问题外，典型的等离子球化系统，只能处理粒度较大的粉末，对于超细粉，超细的粉末在等离子炬中会团聚在一起，造成粉末粒度变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统。
本发明中的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统利用等离子体炬产生的等离子的高温环境，粉体颗粒迅速吸热后表面(或整体)熔融，并在表面张力作用下缩聚成球形液滴，进入冷却管道后骤冷凝固而将球形固定下来，从而获得表面致密度高的球形粉体。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，包括腔室、送粉器、送粉管、送料嘴、等离子装置、惰性气体循环管路、冷却管道、包裹在冷却管道外的冷却腔和粉末收集器，腔室上设置有抽真空接口，抽真空接口与抽真空装置联通，其特征在于送料嘴与冷却管道同轴水平设置，等离子装置加热重熔送料嘴中喷出的粉末，该粉末在冷却管道中实现冷却，最后被粉末收集器收集。
优选地，所述等离子装置为两个以上的等离子体炬，所述等离子体炬的喷出口汇聚至送料喷嘴的喷出口的前端；所述粉末收集器设置于粉末收集器高压壳罩内，包括一号气粉分离器，所述冷却管道和一号气粉分离器进口连通，所述粉末收集器高压壳罩内设有位于一号气粉分离器出粉口下方的一号粉末收集器，所述一号气粉分离器出气口通过出气管道回流至重熔区高压腔室；粉末收集器高压壳罩上设有粉料取料窗。
优选地，所述粉末收集器高压壳罩后端还设有气体处理区高压外壳，所述出气管道和气体处理区高压外壳连通，气体处理区高压外壳内设有和出气管道连通的二号气粉分离器，所述二号气粉分离器出粉口处设有二号粉末收集器，所述气体处理区高压外壳通过回流管道和重熔区高压腔室连通，所述气体处理区高压外壳上设有粉料取料窗。
优选地，所述等离子装置为热喷涂用等离子喷枪。
优选地，所述回流管道上设有废气净化装置。
优选地，等离子喷枪带有拉瓦尔喷嘴，送粉管的出口端位于拉瓦尔喷嘴的进口端内，送粉管与拉瓦尔喷嘴同轴设置。
优选地，所述二号气粉分离器为管风琴结构分离器，所述管风琴结构分离器包括框架和位于框架内的若干竖管，所述竖管上设有若干孔洞；所述二号粉末收集器位于管风琴结构分离器下方；所述出气管道和气体处理区高压外壳的连通口位于管风琴结构分离器的侧面。
优选地，所述等离子体炬和重熔区高压腔室通过万向调节头连接。
本发明也涉及采用根据本发明的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统进行粉末重熔制备工艺，其特征在于，冷却腔内通入冷却水，开启真空装置将等离子重熔系统内部抽真空，再通入惰性气体在等离子重熔系统内形成保护气氛，开启等离子体炬，送粉器将团聚粉末送入送料喷嘴，团聚粉末在等离子体炬射流方向的汇合处被等离子体炬喷出的高温等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道内，熔融状的粉末颗粒在冷凝管道内受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入一号气粉分离器，将分离出的球状粉末收集，经过一号气粉分离器分离出的气体经过二号气粉分离器进一步分离，将二号气粉分离器分离出的球状粉末收集并和一号气粉分离器分离处的球状粉末混合得到成品；二号气粉分离器分离处的气体回流至重熔区高压腔室内循环利用。
在另一实施方式中，根据本发明的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统进行粉末重熔制备工艺，其特征在于，冷却水进水口通入冷却水，开启抽真空装置将等离子重熔球化系统内部预抽真空，预抽真空完成后管道关闭；然后打开管道，氮气瓶通入氮气在等离子重熔球化系统内形成保护气氛；然后启动风机，使得氮气在系统内高速循环；开启等离子喷枪，氩气流量120-200L/Min，氮气20-50L/Min；电流100-300A；等离子喷枪参数稳定后，开启送粉器将团聚粉末通过送粉管送入等离子喷枪，团聚粉末被等离子体喷枪喷出的等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道内，熔融状的粉末颗粒在冷却管道内受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入旋风分离器，将分离出的球状粉末收集，经过旋风分离器分离出的气体经过空气过滤系统，将不需要的多余粉末过滤之后，经由风机和管道回到腔室；在等离子重熔完成后，收集粉末收集器中的粉末，使用空气筛分机进行筛选，得到需要的颗粒。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统利用等离子体炬产生的等离子的高温环境，粉体颗粒迅速吸热后表面(或整体)熔融，并在表面张力作用下缩聚成球形液滴，进入冷却管道后骤冷凝固而将球形固定下来，从而获得表面致密度高的球形粉体。
2、根据本发明的另一个优选实施方式，通过特殊设计的设备和工艺，使得超细碳化钨粉末在等离子重熔和球化过程中，几乎没有脱碳现象发生，最大限度保持了材料原有的性能。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例2的结构示意图。
图3是实施例3的结构示意图。
图4是实施例3中等离子喷枪示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：如图1所示，一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，包括重熔区高压腔室1，重熔区高压腔室1上设有抽真空接口2，抽真空接口2和抽真空装置3连通，重熔区高压腔室1上还设有送料喷嘴4，送料喷嘴4通过送粉管5连接送粉器6；重熔区高压腔室1上还设有两个以上的等离子体炬7，等离子体炬7和重熔区高压腔室1通过万向调节头连接，等离子体炬7的喷出口汇聚至送料喷嘴4的喷出口的前端；重熔区高压腔室1上设有设有惰性气体入口8，重熔区高压腔室1设有和粉末收集器高压壳罩9连的冷却管道10，冷却管道10外包裹有冷却腔11，冷却管道10位于送料喷嘴4的相对面且和送料喷嘴4同轴设置(优选地皆为水平设置)，粉末收集器高压壳罩9内设有一号气粉分离器12，一号气粉分离器12为旋风分离器。冷却管道10和一号气粉分离器12进口连通，粉末收集器高压壳罩9内设有位于一号气粉分离器12出粉口下方的一号粉末收集器13，一号气粉分离器12内近出粉口处设有筛分器21，一号气粉分离器12出气口通过出气管道14回流至重熔区高压腔室1，出气管道14上设有金属过滤芯20；粉末收集器高压壳罩9上设有粉料取料窗15。
实施例2：如图2所示，一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，包括重熔区高压腔室1，重熔区高压腔室1上设有抽真空接口2，抽真空接口2和抽真空装置3连通，重熔区高压腔室1上还设有送料喷嘴4，送料喷嘴4通过送粉管5连接送粉器6；重熔区高压腔室1上还设有两个以上的等离子体炬7，等离子体炬7和重熔区高压腔室1通过万向调节头连接，等离子体炬7的喷出口汇聚至送料喷嘴4的喷出口的前端；重熔区高压腔室1上设有设有惰性气体入口8，重熔区高压腔室1设有和粉末收集器高压壳罩9连的冷却管道10，冷却管道10外包裹有冷却腔11，冷却管道10位于送料喷嘴4的相对面且和送料喷嘴4同轴设置(优选地皆为水平设置)，粉末收集器高压壳罩9内设有一号气粉分离器12，一号气粉分离器12为旋风分离器。冷却管道10和一号气粉分离器12进口连通，粉末收集器高压壳罩9内设有位于一号气粉分离器12出粉口下方的一号粉末收集器13，一号气粉分离器12内近出粉口处设有筛分器21，出气管道14上设有金属过滤芯20；粉末收集器高压壳罩9上设有粉料取料窗15。粉末收集器高压壳罩9后端还设有气体处理区高压外壳16，出气管道14和气体处理区高压外壳16连通，气体处理区高压外壳16内设有和出气管道14连通的二号气粉分离器17，二号气粉分离器17出粉口处设有二号粉末收集器18，二号气粉分离器17为管风琴结构分离器，管风琴结构分离器包括框架17.1和位于框架17.1内的若干竖管17.2，竖管17.2上设有若干孔洞17.3；二号粉末收集器18位于管风琴结构分离器下方；出气管道14和气体处理区高压外壳16的连通口位于管风琴结构分离器的侧面。气体处理区高压外壳16通过回流管道22和重熔区高压腔室1连通，回流管道22上设有废气净化装置19，气体处理区高压外壳16上设有粉料取料窗15。
工作时：冷却腔11内通入冷却水，开启真空装置3将等离子重熔系统内部抽真空，再通入惰性气体在等离子重熔系统内形成保护气氛，开启等离子体炬7，送粉器6将团聚粉末送入送料喷嘴4，团聚粉末在多股等离子体炬7射流方向的汇合处被等离子体炬7喷出的高温等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道10内，熔融状的粉末颗粒在冷凝管道10内迅速受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入一号气粉分离器12，将分离出的球状粉末收集，经过一号气粉分离器12分离出的气体经过二号气粉分离17器进一步分离，将二号气粉分离器17分离出的球状粉末收集并和一号气粉分离器12分离处的球状粉末混合得到成品；二号气粉分离器17分离处的气体回流至重熔区高压腔室1内循环利用。
实施例3：如图3、4所示，101为送粉器，102为热喷涂用等离子喷枪，101和102通过送粉管103连接。114为腔室，104为抽真空装置，通过带阀管道115与腔室114连接，105为保护气体(例如氮气)瓶，通过带阀管道116与腔室114连接；106为冷却管道，其上设有冷却水进水口107和出水口108；旋风分离器109和冷却管道106连接；旋风分离器109和粉末收集器110连接；空气过滤系统111和旋风分离器109连接；风机112和空气过滤系统111连接；风机112通过管道113和腔室114连接。
工作时：冷却水进水口107通入冷却水，开启抽真空装置104将等离子重熔球化系统内部预抽真空，预抽真空完成后管道115关闭。然后打开管道116，氮气瓶105通入氮气在等离子重熔球化系统内形成保护气氛。然后启动风机112，使得氮气在系统内高速循环。开启等离子喷枪102，氩气流量120-200L/Min，氮气20-50L/Min；电流100-300A。等离子喷枪参数稳定后，开启送粉器101将团聚粉末通过送粉管103送入等离子喷枪102，团聚粉末被等离子体喷枪102喷出的高温高速等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道106内，熔融状的粉末颗粒在冷却管道106内迅速受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入旋风分离器109，将分离出的球状粉末收集，经过旋风分离器109分离出的气体经过空气过滤系统111，将不需要的细小多余粉末过滤之后，经由风机112和管道113回到腔室114。在等离子重熔完成后，收集粉末收集器110中的粉末，使用空气筛分机进行筛选，得到需要的颗粒。
在该实施例中，使用热喷涂用的等离子喷枪取代常见的等离子重熔球化系统的等离子火炬来进行粉末的重熔和球化，等离子喷枪带有拉瓦尔喷嘴120(送粉管103的出口端位于拉瓦尔喷嘴120的进口端内，送粉管103与拉瓦尔喷嘴120优选同轴设置，更优选地皆为水平设置)，这样可以制造非常高速的等离子气流，粉末以轴向送粉的方式进入喷枪中，在进入喷枪之前已经具有非常高的初速度，通过拉瓦尔喷嘴后被加速到超越音速，粉末与等离子火焰130接触时间就非常短。在工艺参数方面采用远远大于一般等离子喷枪的氩气流量，并且使用氮气作为第二气辅助等离子喷枪产生热量，并进一步提高气体的流速(氮气流速快)。
并且真空重熔设备经过了重新设计，和一般的冷却塔式的等离子球化设备不同，该重熔系统的结构设计，以及配备的风机可以使得充填在设备中的氮气以较高的速度循环，有助于粒子在其中快速的飞行，并且带有氮气保护作用，可以防止粉末高温被氧化。综合以上措施，可以有效的减少碳化钨材料的脱碳现象。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，包括腔室、送粉器、送粉管、送料嘴、等离子装置、惰性气体循环管路、冷却管道、包裹在冷却管道外的冷却腔和粉末收集器，腔室上设置有抽真空接口，抽真空接口与抽真空装置联通，其特征在于送料嘴与冷却管道同轴设置，等离子装置加热重熔送料嘴中喷出的粉末，该粉末在冷却管道中实现冷却，最后被粉末收集器收集。
2.根据权利要求1所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述等离子装置为两个以上的等离子体炬，所述等离子体炬的喷出口汇聚至送料喷嘴的喷出口的前端；所述粉末收集器设置于粉末收集器高压壳罩内，包括一号气粉分离器，所述冷却管道和一号气粉分离器进口连通，所述粉末收集器高压壳罩内设有位于一号气粉分离器出粉口下方的一号粉末收集器，所述一号气粉分离器出气口通过出气管道回流至重熔区高压腔室；粉末收集器高压壳罩上设有粉料取料窗。
3.根据权利要求2所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述粉末收集器高压壳罩后端还设有气体处理区高压外壳，所述出气管道和气体处理区高压外壳连通，气体处理区高压外壳内设有和出气管道连通的二号气粉分离器，所述二号气粉分离器出粉口处设有二号粉末收集器，所述气体处理区高压外壳通过回流管道和重熔区高压腔室连通，所述气体处理区高压外壳上设有粉料取料窗。
4.根据权利要求1所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述等离子装置为热喷涂用等离子喷枪。
5.根据权利要求1-3任一项所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述回流管道上设有废气净化装置。
6.根据权利要求4所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，等离子喷枪带有拉瓦尔喷嘴，送粉管的出口端位于拉瓦尔喷嘴的进口端内，送粉管与拉瓦尔喷嘴同轴设置。
7.根据权利要求3所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述二号气粉分离器为管风琴结构分离器，所述管风琴结构分离器包括框架和位于框架内的若干竖管，所述竖管上设有若干孔洞；所述二号粉末收集器位于管风琴结构分离器下方；所述出气管道和气体处理区高压外壳的连通口位于管风琴结构分离器的侧面。
8.根据权利要求1所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统，其特征在于，所述等离子体炬和重熔区高压腔室通过万向调节头连接。
9.采用根据权利要求3所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统进行粉末重熔制备工艺，其特征在于，冷却腔内通入冷却水，开启真空装置将等离子重熔系统内部抽真空，再通入惰性气体在等离子重熔系统内形成保护气氛，开启等离子体炬，送粉器将团聚粉末送入送料喷嘴，团聚粉末在等离子体炬射流方向的汇合处被等离子体炬喷出的高温等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道内，熔融状的粉末颗粒在冷凝管道内受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入一号气粉分离器，将分离出的球状粉末收集，经过一号气粉分离器分离出的气体经过二号气粉分离器进一步分离，将二号气粉分离器分离出的球状粉末收集并和一号气粉分离器分离处的球状粉末混合得到成品；二号气粉分离器分离处的气体回流至重熔区高压腔室内循环利用。
10.采用根据权利要求4或6所述的热喷涂超细粉末用等离子重熔系统进行粉末重熔制备工艺，其特征在于，冷却水进水口通入冷却水，开启抽真空装置将等离子重熔球化系统内部预抽真空，预抽真空完成后管道关闭；然后打开管道，氮气瓶通入氮气在等离子重熔球化系统内形成保护气氛；然后启动风机，使得氮气在系统内高速循环；开启等离子喷枪，氩气流量120-200L/Min，氮气20-50L/Min；电流100-300A；等离子喷枪参数稳定后，开启送粉器将团聚粉末通过送粉管送入等离子喷枪，团聚粉末被等离子体喷枪喷出的等离子焰流熔化形成熔融状的粉末颗粒并随惯性飞行至冷却管道内，熔融状的粉末颗粒在冷却管道内受冷凝固得到球状粉体；受冷凝固后进入旋风分离器，将分离出的球状粉末收集，经过旋风分离器分离出的气体经过空气过滤系统，将不需要的多余粉末过滤之后，经由风机和管道回到腔室；在等离子重熔完成后，收集粉末收集器中的粉末，使用空气筛分机进行筛选，得到需要的颗粒。
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