CN114481003A - 一种热阴级喷枪、纳米等离子体喷涂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热阴级喷枪，包括带锥形发射结构的阴极和呈圆环状的阳极，所述阳极上沿其周向设置有均匀分布、用于连通外界与阳极内腔的弯曲通道；本发明还公开了一种纳米等离子体喷涂装置，包括上述的热阴级喷枪以及与所述热阴级喷枪可拆卸连接、用于提供纳米粒子悬浮液的载入器；所述载入器具有与所述内腔相通且共轴线的喷射通道；本发明还公开一种采用上述纳米等离子体喷涂装置的喷涂方法。本发明装置简单，载入器贴附在喷枪阳极的一侧，围绕射流分布有多个悬浮液喷嘴，即可以高效地将纳米粒子悬浮液射入高温等离子体内部，又能避免因阳极破环而频繁更换载入器。通过引入康达效应的流动控制方法，保护了喷枪阳极免受高温等离子体的烧蚀。

Description

一种热阴级喷枪、纳米等离子体喷涂装置及方法

技术领域

本发明涉及等离子体喷涂技术领域，具体涉及热阴级喷枪、纳米等离子体喷涂装置及方法。

背景技术

等离子体喷涂是一种热喷涂技术，以高温等离子体射流作为热源，将金属或陶瓷粉末材料加热到熔化或半熔化状态，并高速撞击被加工的工件表面后迅速冷却固化，形成一定厚度具有特殊物性的致密涂层。如果金属或陶瓷粉末材料采用纳米级的粉末材料，则该等离子体喷涂又称为纳米等离子体喷涂。

高温等离子气体通常通过电弧放电的方式产生。对于热阴极等离子体，阴极采用难熔的金属制成，弧电流的主要载体－－电子以热电子发射的形式离开阴极，经过弧柱区进入阳极。而阳极则采用铜等高热导率金属，通过水冷的方式保证其不被高温破坏。常规的等离子体喷枪阳极内壁面由于受到高温气体的烧蚀，非常不耐用。壁面会出现不规则的刮痕和沟槽，影响电弧与壁面的正常附着和脱离，因此需要经常进行更换，增加了生产的成本。在现有的设计中，通常采用水冷装置对阳极进行冷却，然而水冷装置只能冷却阳极的外表面，而无法冷却被等离子体高温辐射的内表面，冷却效果有限。

现有的热阴极喷枪如图1所示，由带锥形发射结构的阴极1，圆环状带水冷结构的阳极2组成。其中阴极1由钨材料加工，阳极2由铜材料加工。在阴极与阳极之间接上直流电源4时，流入到喷枪空腔6内部的氩气受电压激发形成高温等离子体射流，从出口喷出。纳米粉末的悬浮液从输入管3流入到等离子体射流中，悬浮液蒸发后，纳米粒子受射流的加热而熔化，最后撞击在基板5上，凝固、层积成涂层7。阳极内壁面由于受到高温等离子体射流的热烧蚀而损坏，需要经常更换，这增加了生产成本；悬浮液由单根通道输入，载入率比较低，这降低了生产效率，影响了涂层的产量。

另外，鉴于纳米粒子的特殊性质，纳米级的粉末材料只能以悬浮液体的形式送入等离子体射流的高温区进行熔化。最适合加热和熔化粉末材料的区域位于电弧离开阴极后所形成的长度约5cm的等离子体射流高温区，该高温区为3D结构的旋转对称体。在现有的设计中只采用一个喷管将悬浮液喷射到3D高温区，要么由于纳米粒子的惯性比较小，往往难以完全进入射流高温区，要么载入率受到单侧喷管(往往是只有一个喷管)的限制。这使得3D结构的旋转对称体的高温区，仅有一小部分区域在起到加热和熔化纳米粒子的作用，使高温等离子体射流的能量和空间利用率受到了限制，同时限制了射流中被喷涂材料的载入率。

本发明专利在水冷装置的基础上，增加了气冷结构提供额外的冷却保护；同时为了提高射流的能源利用率，改善了纳米粒子悬浮液喷管的布局和结构，提出了一种新型的分体式的喷涂装置及其使用方法。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种热阴级喷枪，利用康达效应形成冷空气包裹等离子体的射流，隔绝了等离子体与阳极内壁面的直接接触，降低了阳极内壁的温度，减少了高温腐蚀的发生概率。

一种热阴级喷枪，包括带锥形发射结构的阴极和呈圆环状的阳极，所述阳极上沿其周向设置有均匀分布、用于连通外界与阳极内腔的弯曲通道。

喷枪阳级带有多个弯曲通道的气冷结构。弯曲通道有利于激发康达效应，使冷流体加速。这里康达效应是指射流有粘附并绕附近固体边界流动的趋势。一方面，由于伯努利原理，弯曲通道内部连接喷枪的内部通道，当惰性气体通入后，流体速度大、压力小；而弯曲通道外部连接大气环境，流场速度小、压力大，因此大气会沿着弯曲通道从喷枪外部向内部流动。同时弯曲通道弯曲表面的摩擦、粘度和空隙等综合效应，会导致气体由于向心加速度而进一步降低压力。因此，弯曲通道外的低温、高密度气体会加速流入喷枪内部，与高温、高速、低密度的等离子体射流相遇后包裹住射流。冷气流隔绝了等离子体与阳极内壁面的直接接触，降低了阳极内壁的温度，减少了高温腐蚀的发生概率。

作为优选，气流从所述弯曲通道流入的方向与气流从所述弯曲通道流出的方向的夹角为20～70度，且弯曲通道的出口截面的法线方向与所述内腔的轴线的夹角为20～70度。

进一步选，所述弯曲通道由两段直线通道组成，一段为远离所述内腔且垂直于内腔轴线的长通道，另一段为靠近所述内腔且斜交于所述轴线的短通道。

采用弯曲通道，可强化冷气流通过弯曲通道转弯而激发的康达效应，使气流流动得到加速。气流从弯曲通道流入的方向与气流从弯曲通道流出的方向之间的夹角为20～70度，也即长通道与短通道之间存在钝角的夹角，钝角如果接近180度，则缺少激发康达效应所必需的弯曲度；钝角太小，则流动损失比较大，因此长通道与短通道之间的夹角设置为110～160度。

弯曲通道的出口截面的法线方向与所述内腔的轴线的夹角为20～70度。夹角过小，则出口离喷枪入口太远，不能有效包裹等离子体射流；夹角过大，则冷气流缺少必要的横向速度，不能有效保护下游的阳极内壁和喷嘴端部，因此最优选择为30～60度。

同时，将弯曲通道做成两段直线通道，降低了加工难度，同时可以优化冷气流从长通道进入短通道时通过转弯壁面而激发的康达效应，从而使冷流体在即将进入等离子体射流区前得到充分加速。

作为优选，所述弯曲通道的截面呈圆形，且截面直径为0.1～1.0mm。

圆形截面便于弯曲通道的加工。截面的直径可以用斯特劳哈尔数进行估计。斯特劳哈尔数的公式如下所示：

式中，St为斯特劳哈尔数，气流实验所得到的经验值为St＝0.01。f为气流的频率，在等离子体喷涂中，一般为千赫兹的量级，这里取f＝1000。D为截面的直径。U为气流的速度，等离子体射流的主体速度约为300m/s，这里需要一定的冷气流速度才能起到保护作用，可以采用主体速度的10％，即U＝30m/s。通过公式，计算得到截面的直径量级为D＝0.3mm。因此，我们采用弯曲通道截面的直径为0.1～1.0mm，直径过小，则阻力大、气流小，对壁面起不到有效的保护作用；而直径过大，则冷气流速度过大，会过于降低等离子体主体射流的速度和温度，因此最优选择为0.2～0.5mm。

作为优选，所述弯曲通道包括间隔设置的多组。每组弯曲通道的数量为2个或多个。

本发明的另一目的在于提供一种纳米等离子体喷涂装置，包括上述的热阴级喷枪以及与所述热阴级喷枪可拆卸连接、用于提供纳米粒子悬浮液的载入器；所述载入器具有与所述内腔相通且共轴线的喷射通道；

所述载入器内设置有环状的储液通道，载入器上还设置有用于向所述储液通道内注入纳米粒子悬浮液的输入通道，以及多条连通所述储液通道与所述喷射通道、呈圆周对称分布的输出通道。

作为优选，所述输出通道的出口处对应设置有喷嘴，所述喷嘴的喷出方向与所述轴线的夹角为40～120度。

载入器的喷嘴端部均暴露在冷气流的低温边界层中，这可以降低喷嘴温度、使喷嘴更靠近轴线，有利于悬浮液及悬浮液中的纳米粒子顺利进入等离子体射流内部。正是因为带气冷结构的热阴级喷枪形成了冷却气流保护边界层，使得载入器的多根喷嘴处于冷却气流保护边界层之内，在提高了高温等离子体射流的能源利用率和纳米材料载量的同时，保护喷嘴不被等离子体破坏。

悬浮液通过载入器上的输入通道进入一个环形的储液通道，再从多个输出通道上相连的喷嘴喷出，并进入等离子体射流内部。多个喷嘴围绕等离子体射流呈圆周分布，可以多角度地进入高温高速的等离子体射流内部，充分利用电离带来的高能气体，提高能源利用率。同时，多条对称分布的悬浮液入射流，也可以互相抵消径向的冲力，使悬浮液的液滴群稳定存在于射流内部，并随着射流一起沿轴向运动，以较小的径向速度、较大的轴向速度冲击基板，使喷涂过程更加稳定和可控。喷出方向与轴线成一个夹角，夹角为40～120度。夹角太小，则悬浮液缺少穿透等离子体射流必需的径向速度；而夹角太大，则悬浮液与等离子体射流的反向撞击力太大而导致其进入过程不稳定，因此，最优选择为60～100度。

本发明的再一目的在于提供一种喷涂方法，采用上述的纳米等离子体喷涂装置，所述喷涂方法包括以下步骤：

(1)将惰性气体从热阴级喷枪的进气口通入，并从载入器的出口端流出，形成射流；

(2)惰性气体射流运行一段时间后，形成阳极弯曲通道的内外压差，外部大气通过弯曲通道自流进入阳极内腔，并包裹惰性气体射流；

(3)当从弯曲通道流入的外部气流达到一定流速后，打开连接喷枪阴极和阳极的直流电源开关，惰性气体由于电势差电离形成高温等离子体；

(4)打开注入悬浮液的阀门，将纳米粒子悬浮液通入载入器，使纳米粒子悬浮液从喷嘴进入等离子体射流，持续对被加工的工件表面进行喷涂，直到得到所需的涂层厚度。

该装置工作一段时间后，观察阳极表面的热烧蚀痕迹，当发现阳极内表面不再平整时，拆卸载入器，更换热阴级喷枪已经损坏的阳极，并重复以上步骤。

本发明的有益效果：

(1)增加了气冷结构提供额外的冷却保护，减少了高温腐蚀，可以提高等离子体喷枪阳极的使用寿命，同时冷气流包裹的等离子体射流的流动更稳定，提高了喷涂过程的稳定性和可控性；

(2)由弯曲通道入射的冷气体层，可以给下游的载入器喷嘴提供保护，使喷嘴可以深入射流内部，更容易进入等离子体的核心高温区，提高高温等离子体与纳米粒子之间的传热效率；

(3)载入器贴附在喷枪阳极的一侧，围绕射流分布有多个悬浮液喷嘴，可以高效地将纳米粒子悬浮液射入高温等离子体内部，提高了生产速度；

(4)装置简单，在阳极破坏后，不更换载入器，仅更换阳极，避免传统结构中阳极和载入器需要同时更换的情况，降低了使用成本，在同样投入的情况下，产出更高。

附图说明

图1为现有纳米等离子体射流及液体注射的结构示意图；

图2为本发明纳米等离子体喷涂装置的主视剖视图；

图3为本发明热阴极喷枪的三维结构剖视图；

图4为载入器的三维结构示意图；

图5为载入器的主视剖视图和侧视剖视图；

图6为本发明热阴极喷枪另一种实施例的主视剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

如图2所示，一种纳米等离子体喷涂装置，包括热阴级喷枪100和载入器200。热阴级喷枪100用于形成等离子体射流，载入器200用于提供纳米粒子悬浮液。热阴级喷枪100和载入器200对接部位通过法兰连接，实现纳米等离子体喷涂装置的分体式设计。

如图3所示，与现有技术相似，热阴级喷枪100包括带锥形发射结构的阴极1和圆环状的阳极2。阴极1由钨材料加工，阳极2由铜材料加工。阳极上2沿其周向设置有均匀分布的弯曲通道8，弯曲通道8用于连通外界与阳极2的内腔6，起到气冷的作用。空气由弯曲通道8进入内腔6，并附着于阳极2内壁上，可以隔绝高温射流与阳极2的内壁面的直接接触。

本实施例中，弯曲通道8的截面呈圆形，且截面直径为0.2～0.5mm。同时，弯曲通道8由两段直线通道组成，一段为远离内腔6且垂直于内腔6轴线的长通道，另一段为靠近内腔6且斜交于内腔6轴线的短通道。长通道与短通道的夹角为110～160，也即气流从弯曲通道8流入的方向与气流从弯曲通道8流出的方向的夹角为20～70度。此外，短通道的出口截面的法线方向与内腔6的轴线的夹角为20～70度。

本实施例中，弯曲通道8设置一组，数量为八个。在另一个实施例中，如图6所示，弯曲通道8间隔设置的两组，两组冷气流可以更有效地保护阳极2的内壁面不受高温烧蚀，进一步降低壁面温度，增加阳极2的使用寿命。

如图4和5所示，载入器200由不锈钢材料加工，载入器200具有与内腔6相通且共轴线的喷射通道9。载入器200内设置有环状的储液通道12，载入器200上还设置有与储液通道12相通的输入通道10，以及六条连通储液通道12与喷射通道9的输出通道；输入通道10用于向储液通道12内注入纳米粒子悬浮液；六条输出通道呈圆周对称分布。

本实施例中，每个输出通道的出口处通过螺纹对应连接喷嘴11，且喷嘴11的喷出方向与喷射通道9的轴线的夹角为60～100度。

一种喷涂方法，采用上述纳米等离子体喷涂装置，在喷涂前，首先将热阴极喷枪100与载入器200法兰上的固定孔13通过螺钉相连接。

喷涂方法步骤如下：

(1)将惰性气体从热阴级喷枪的进气口通入，并从载入器的出口端流出，形成射流；

(2)惰性气体射流运行1分钟后，等冷气流稳定，形成阳极弯曲通道的内外压差，外部大气通过弯曲通道自流进入阳极内腔，并包裹惰性气体射流；

(3)当从弯曲通道流入的外部气流达到一定流速后，打开连接喷枪阴极和阳极的直流电源开关，惰性气体由于电势差电离形成高温等离子体；

(4)打开注入悬浮液的阀门，将纳米粒子悬浮液通入载入器，使纳米粒子悬浮液从喷嘴进入等离子体射流，持续对被加工的工件表面进行喷涂，直到得到所需的涂层厚度。

该装置工作一段时间后，观察阳极表面的热烧蚀痕迹，当发现阳极内表面不再平整时，拆卸载入器，更换热阴级喷枪已经损坏的阳极，并重复以上步骤。

通过上述简单的方式，引入康达效应的流动控制方法，以保护直流电弧等离子体发生器的阳极，并将纳米粒子悬浮液载入器从喷枪内独立出来，以完成高通量载入率的装置改造。这使得等离子体热阴极喷枪的寿命延长，射流的流动稳定、易控制，纳米粒子的含量高、速度大，从而达到降低成本、节能增产的效果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热阴级喷枪，包括带锥形发射结构的阴极和呈圆环状的阳极，其特征在于，所述阳极上沿其周向设置有均匀分布、用于连通外界与阳极内腔的弯曲通道。

2.根据权利要求1所述的热阴级喷枪，其特征在于，气流从所述弯曲通道流入的方向与气流从所述弯曲通道流出的方向的夹角为20～70度，且弯曲通道的出口截面的法线方向与所述内腔的轴线的夹角为20～70度。

3.根据权利要求1或2所述的热阴级喷枪，其特征在于，所述弯曲通道由两段直线通道组成，一段为远离所述内腔且垂直于内腔轴线的长通道，另一段为靠近所述内腔且斜交于所述轴线的短通道。

4.根据权利要求3所述的热阴级喷枪，其特征在于，所述弯曲通道的截面呈圆形，且截面直径为0.1～1.0mm。

5.根据权利要求1所述的热阴级喷枪，其特征在于，所述弯曲通道包括间隔设置的多组。

6.一种纳米等离子体喷涂装置，其特征在于，包括权利要求1-5任一所述的热阴级喷枪以及与所述热阴级喷枪可拆卸连接、用于提供纳米粒子悬浮液的载入器；所述载入器具有与所述内腔相通且共轴线的喷射通道；

所述载入器内设置有环状的储液通道，载入器上还设置有用于向所述储液通道内注入纳米粒子悬浮液的输入通道，以及多条连通所述储液通道与所述喷射通道、呈圆周对称分布的输出通道。

7.根据权利要求6所述的纳米等离子体喷涂装置，其特征在于，所述输出通道的出口处对应设置有喷嘴，所述喷嘴的喷出方向与所述轴线的夹角为40～120度。

8.一种喷涂方法，其特征在于，采用权利要求6或7所述的纳米等离子体喷涂装置，所述喷涂方法包括以下步骤：

(1)将惰性气体从热阴级喷枪的进气口通入，并从载入器的出口端流出，形成射流；

(2)惰性气体射流运行一段时间后，形成阳极弯曲通道的内外压差，外部大气通过弯曲通道自流进入阳极内腔，并包裹惰性气体射流；

(3)当从弯曲通道流入的外部气流达到一定流速后，打开连接喷枪阴极和阳极的直流电源开关，惰性气体由于电势差电离形成高温等离子体；

(4)打开注入悬浮液的阀门，将纳米粒子悬浮液通入载入器，使纳米粒子悬浮液从喷嘴进入等离子体射流，持续对被加工的工件表面进行喷涂，直到得到所需的涂层厚度。

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