CN114453154B - 一种喷涂粒子保护方法及超音速喷枪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面工程热喷涂技术领域，涉及一种喷涂粒子保护方法及超音速喷枪；喷枪包括粉末注入管，所述粉末注入管上设置有氢气入口；将待喷涂的粒子、粒子载气以及氢气的混合物共同送入喷枪流场，并将燃烧气体和燃料送入喷枪，燃烧气体过量于燃料；在燃烧过程中氢气的燃烧火焰被拉伸，呈“空心薄膜”状，空心薄膜燃烧产生的燃烧功率很小，对载气无明显加热作用，但氢气燃烧产生的径向膨胀波阻止高温主气与载气发生径向对流；同时氢气与氧气燃烧产物气态水能起到隔热层的作用；本发明解决了喷涂粒子过热或在热交换过程中绝热剪切效应减小、径向分散或氧化的问题。
Description
技术领域
本发明属于表面工程热喷涂技术领域，涉及一种喷涂粒子保护方法及超音速喷枪。
背景技术
现有热喷涂一般通过气流加速粒子撞击基体形成涂层，为了实现气流的快速加速，一般需要气流具有较高的温度。例如根据专利“一种产生超音速气流的喷枪”所公布内容，喷涂时采用燃料（如丙烷）与压缩空气来产生高温，进而实现超音速气体射流。燃烧反应产生的气流（下文称为主气）温度过高，易导致粒子过热，甚至熔化或气化，从而导致粒子与基体撞击时“绝热剪切”效应变小，不利于粒子与基体形成冶金结合。同时，该专利中采用轴向送粉，粒子需要低温载气（如氮气）持续输运进入流场。低温载气有利于保持粒子低温，但由于其与主气存在很高的温度差，两者之间强烈的热交换，容易产生以下三个缺陷：一是导致载气过快升温，从而易导致粒子快速升温，粒子易软化及液化，粒子与基体产生“绝热剪切”效应小；二是两种气流强烈的热交换容易导致粒子发生径向分散；三是当主气中含氧量高时，粒子易氧化。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种喷涂粒子保护方法及超音速喷枪。解决喷涂粒子过热或在热交换过程中绝热剪切效应减小、径向分散或氧化的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种喷涂粒子保护方法，将待喷涂的粒子、粒子载气以及氢气的混合物共同送入喷枪流场，并将燃烧气体和燃料送入喷枪，燃烧气体过量于燃料。
进一步优选的，粒子载气为氮气，燃烧气体为压缩空气。
进一步优选的，燃料为丙烷。
进一步优选的，氢气与丙烷的流量比值为1：10-1：15。
一种用于所述的喷涂粒子保护方法的超音速喷枪，包括送粉针，其特征在于，所述送粉针上设置有氢气入口。
优选的，所述的氢气入口垂直于送粉针的轴向设置。
优选的，喷枪的燃烧室连接有径向的压缩空气注入口。
优选的，包括蜂窝陶瓷板、缩放式喷管、气体预混室。
更优的，所述送粉针采用三通结构，送粉针的两个入口分别连接氢气气管和粒子载气气管，送粉针的出口位于蜂窝陶瓷板末端。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明采用氢气与未反应的空气发生燃烧，这种燃烧火焰为“空心薄膜”形状，能够产生“热屏蔽效应”，减缓主气与载气的热交换过程，从而在粒子飞行轨迹周围的气体保持低温。
本发明送粉针采用三通结构，即粒子、载气、氢气三者共同通过送粉针进入流场。喷枪工作时，空气先与丙烷燃烧，但其流量相对丙烷少量过量。氢气与氮气进入流场后，由于前者扩散速度快，处于氮气外围，并且能够与过量的空气发生燃烧反应；后者扩散速度慢，处于中心，但不能与氧气发生燃烧反应；所以最终氢气的燃烧火焰呈空心状。同时，由于主气已具有较高的流速，氢气的燃烧火焰被拉伸，故最终呈“空心薄膜”状。以上氢气的“空心薄膜燃烧”产生的燃烧功率很小，对载气无明显加热作用，反而产生的径向膨胀波阻止高温主气与载气发生径向热对流；同时氢气与氧气燃烧产物气态水能起到隔热层的作用。
附图说明
图1为本发明所述超音速喷枪的剖视图；其中，1为燃烧室，2为蜂窝陶瓷板，3为气体预混室，4为丙烷入口，5为送粉针，6为氢气入口，7为压缩空气总入口，8为喷管，9为气体整流室，10为粒子及载气入口；
图2为实施例喷枪内部燃烧反应的功率；其中，(a) 丙烷与氢气两种燃烧的功率，(b)氢气的燃烧反应功率；
图3为实施例喷枪流场中气态H2O的质量分布。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
一种超音速喷枪，如图1所示，喷枪包括圆柱形的燃烧室1、气体预混室3、气体整流室9和缩放式的喷管8，喷管8的枪壁上设有压缩空气总入口7，燃烧室1的前端（即靠近喷射方向一侧）依次连接有气体整流室9和喷管8，在燃烧室1与气体整流室9之间设置蜂窝陶瓷板2；蜂窝陶瓷板2的单个孔的面积不超过4mm2；在燃烧室1的后端（即远离喷射方向一侧）设置有气体预混室3，气体预混室3连接有燃料入口4；送粉针5（即粉末注入管）依次穿过气体预混室3、燃烧室1、蜂窝陶瓷板2进入气体整流室9；送粉针5采用三通结构，三通结构上的粒子及载气入口10连接粒子载气气管，三通结构上的氢气入口6连接氢气气管。
如图1所示，在送粉针5径向设置氢气入口6，即粒子、载气、氢气三者共同通过送粉针6进入流场。喷枪工作时，压缩空气相对丙烷少量过量，两者燃烧后剩余氧气继续与氢气反应。氢气与氮气进入流场后，由于前者扩散速度快，处于外围，并且能够与氧气发生燃烧反应；后者扩散速度慢，处于中心，但不能与氧气发生燃烧反应；所以最终氢气的燃烧火焰呈空心状。同时，由于主气已具有较高的流速，氢气的燃烧火焰被拉伸，故最终呈“空心薄膜”状。以上氢气的“空心薄膜燃烧”产生的燃烧功率很小，对载气无明显加热作用，但是氢气燃烧产生的径向膨胀波阻止高温主气与载气发生径向对流；同时氢气与氧气燃烧产物气态水能起到隔热层的作用。
图2与图3均为以下条件时的模拟结果：空气质量流量为36.72g/s，丙烷质量流量为2.16g/s，氮气质量流量为0.64g/s，氢气质量流量为0.16 g/s。图2(a)中框Ӏ内为丙烷喷枪内部的燃烧功率，显示范围为0W~0.5W，其最大功率可达22.1W，框Ⅱ内为氢气燃烧功率，但因为功率很小无法显示；当功率范围调节至0.01 W~0.03W时，三维显示模拟结果如图2(b)，可见氢气燃烧呈空心薄膜状。图3中可见氢气燃烧后产生的水也呈空心薄膜状，起到良好的隔热作用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (6)
1.一种喷涂粒子保护方法，其特征在于，将待喷涂的粒子、粒子载气以及氢气的混合物共同送入喷枪流场，并将燃烧气体和燃料送入喷枪，燃烧气体过量于燃料；粒子载气为氮气，燃烧气体为压缩空气；燃料为丙烷；氢气与丙烷的流量比值为1：10-1：15，氢气与氮气进入流场后，氢气扩散速度快于氮气，所述氢气处于氮气外围，氢气与过量的压缩空气发生燃烧反应；氮气扩散速度慢处于中心，且不能与氧气发生燃烧反应；最终氢气的燃烧火焰呈空心状；在流速影响下，氢气的燃烧火焰被拉伸，最终火焰呈“空心薄膜”状结构。
2.一种用于如权利要求1所述的喷涂粒子保护方法的超音速喷枪，包括送粉针，其特征在于，所述送粉针上设置有氢气入口。
3.根据权利要求2所述的超音速喷枪，其特征在于，所述的氢气入口垂直于送粉针的轴向设置。
4.根据权利要求2或3所述的超音速喷枪，其特征在于，喷枪的燃烧室连接有径向的压缩空气注入口。
5.根据权利要求2所述的超音速喷枪，其特征在于，包括蜂窝陶瓷板、缩放式喷管、气体预混室。
6.根据权利要求5所述的超音速喷枪，其特征在于，所述送粉针采用三通结构，送粉针的两个入口分别连接氢气气管和粒子载气气管，送粉针的出口位于蜂窝陶瓷板末端。
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