CN117737639A - 一种爆炸复合电弧喷涂装置及喷涂方法 - Google Patents
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Abstract
一种爆炸复合电弧喷涂装置，包括爆炸系统与电弧系统，本发明中，可燃混合气入口用于将可燃混合气通入爆炸室中，在爆炸室中使用火花塞引爆可燃混合气，所产生的爆炸产物以及爆炸冲击通过锥形加速通道自爆炸喷嘴冲出。电弧系统中，通过导电嘴的放电，在第一丝材与第二丝材之间施加高电压，会使第一丝材与第二丝材表面产生电弧放电，电弧产生的热量使丝材端部瞬间熔化为液态，液态金属受到爆炸喷嘴处冲出的爆炸冲击，冲击力以及高温使液态金属分散、雾化，并使雾化后的液态金属以较高的温度和速度喷涂在基材上，使所得到的涂层具有较佳的致密度和结合强度。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂领域，具体涉及一种爆炸复合电弧喷涂装置及喷涂方法。
背景技术
苏联专利№107023 “一种使用电加热熔化金属进行喷涂的方法”，该发明提出一种使用惰性气体和/或压缩空气辅助电弧喷涂的方法，在电弧喷涂时，使用与电弧同轴的双层高速气流协同作用。其中内层气流为惰性气体气流，主要用于雾化熔融金属，防止雾化的金属氧化和烧损，并将雾化金属加速喷涂到基材表面。外层气流为压缩空气，主要用于克服环境阻力，提高内层惰性气流的流速并减少惰性气体消耗量。
上述专利所述技术的缺点是：1）需要消耗大量的惰性气体；2）惰性气体的流速和温度均较低，无法获得高速的金属颗粒，且金属颗粒在喷涂路径中快速冷却，从而无法获得高致密性和附着力的涂层。
俄罗斯专利№2641427 C1.C23C4/131“多组分涂层的喷涂方法”，该发明提出一种使用两个带双焊丝的金属喷枪来进行电弧喷涂的方法，在两个金属喷枪的对称轴上通入雾化气体射流，雾化气体射流将两个金属喷枪熔化的焊丝雾化、加速后喷涂到基材表面。该方法中两个金属喷枪的轴夹角为35 ~ 45°；金属喷枪的轴与基材待处理表面法线之间的夹角为18 ~ 22°。电弧的形成区域与基材表面的距离为130 ~ 150mm。可调整焊丝的材质和比例，以满足不同的涂层性能需求。
上述专利所述技术的缺点为：1）使用了两个金属喷枪，喷涂工艺比较复杂；2）雾化气体射流将两个金属喷枪熔化的焊丝雾化、加速后喷涂到基材表面的过程中，会快速冷却熔融金属颗粒，并且存在氧化风险，从而无法获得高致密性和附着力的涂层，且无法保证金属涂层的纯度。
俄罗斯专利№1785290“电弧喷涂方法”，该发明针对雾化金属颗粒快速冷却、氧化等问题，提出以碳氢化合物在空气中的燃烧产物作为雾化气体进行电弧喷涂的方法，利用高温燃烧产物作用于电弧，雾化并加速熔融金属，实现喷涂。该方法中高温燃烧产物的使用可降低熔融金属颗粒到达基材表面的过程中被氧化的可能性。
上述专利所述技术的缺点是：1）燃烧产物的气流存在横向流动，会导致电弧燃烧不稳定，降低涂层质量；2）燃烧产物的束流速度不足，影响涂层的结合强度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种可制备超低孔隙率、高结合力、可控氧化率涂层的爆炸复合电弧喷涂装置及喷涂方法，具体技术方案如下：
一种爆炸复合电弧喷涂装置，包括：
爆炸系统，所述爆炸系统包括爆炸室、可燃混合气入口、火花塞、锥形加速通道、爆炸喷嘴；所述可燃混合气入口开设在所述爆炸室表面；
所述火花塞用于点燃可燃混合气，其设置于爆炸室表面；所述锥形加速通道与爆炸室相联通，其设置于爆炸室一端；所述爆炸喷嘴用于定向释放爆炸产物及冲击力，其设置于锥形加速通道背离爆炸室的一端；
电弧系统，所述电弧系统包括用于送出第一丝材的第一送丝机构以及与第一送丝机构对称置于爆炸喷嘴两侧用于送出第二丝材的第二送丝机构，以及用于放电且对称置于爆炸喷嘴两侧的第一导电嘴与第二导电嘴；所述第一送丝机构与第一导电嘴之间通过第一送丝软管相连通，所述第二送丝机构与第二导电嘴通过第二送丝软管相连通。
本发明通过约束爆炸所产生冲击的方向，利用爆炸系统产生的爆炸产物以及爆炸冲击波作为涂层材料的动力源，将涂层材料以较高的温度和速度喷涂在基材上，使所得到的涂层具有较佳的致密度和结合强度。
本发明中，可燃混合气入口用于将可燃混合气通入爆炸室中，在爆炸室中使用火花塞引爆可燃混合气，所产生的爆炸产物以及爆炸冲击通过锥形加速通道自爆炸喷嘴冲出。电弧系统中，通过导电嘴的放电，在第一丝材与第二丝材之间施加高电压，会使第一丝材与第二丝材表面产生电弧放电，电弧产生的热量使丝材端部瞬间熔化为液态，液态金属受到爆炸喷嘴处冲出的爆炸冲击，冲击力以及高温使液态金属分散、雾化，并使雾化后的液态金属被喷出喷到基材之上。
进一步地，所述第一丝材与第二丝材的一端位于爆炸喷嘴出口正对的位置。
进一步地，所述的对称置于爆炸喷嘴5两侧的丝材，可设计为4路、6路丝材。
第一丝材与第二丝材的端部正对爆炸喷嘴，则第一丝材与第二丝材通电熔化时产生的液态金属区也正对爆炸喷嘴，使液态金属受到爆炸产物中的热量以及冲击更充分，雾化后的液态金属以更快的速度和更大的热量到达基材表面，实现更佳的喷涂效果。
进一步地，所述爆炸系统与电弧系统通过固定装置固定。
一种利用爆炸复合电弧喷涂装置进行喷涂的方法，具体步骤如下：
S1：通过可燃混合气入口向爆炸室通入可燃混合气；
S2：利用第一送丝机构、第一送丝软管送出第一丝材，利用第二送丝机构、第二送丝软管送出第二丝材，利用第一导电嘴与第二导电嘴以脉冲方式在第一丝材与第二丝材之间产生微弧放电，调节电流与脉冲空占比，控制第一丝材和第二丝材端部熔化，形成液态金属区；
S3：按S2中相同的脉冲频率控制火花塞点火，爆炸室中的可燃混合气产生爆炸，爆炸产物及爆炸冲击波经锥形加速通道加速进入爆炸喷嘴，自爆炸喷嘴的出口射出，脉冲爆炸冲击波的第一微波位置与S2中液态金属区位置重合，该区域形成了爆炸产物电离区；
S4：液态金属在脉冲爆炸冲击波、爆炸产物射流的作用下被雾化，加速进入爆炸射流中，雾化丝材离子轰击在基材表面。
在本发明中，可燃混合气爆炸所产生的高能射流速度可达1600 m/s，使得雾化后的液态金属在喷涂过程中的速度可以达到1000 m/s，爆炸产生的温度可以达到2000℃，提高了金属粒子所形成涂层的致密度以及结合强度。
爆炸射流在产品表面形成脉冲冲击波，作用在所形成的涂层材料中，产生弹性变形，从而压实涂层并使得位错消失，最终可降低涂层材料中的应力水平。
S1中，所述可燃气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得还原性爆炸产物。
S1中，所述可燃混合气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得中性爆炸产物。
S1中，所述可燃混合气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得氧化性爆炸产物。
S1中，所述可燃混合气为氢气、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，可获得氧化性、中性、还原性爆炸产物。
通过调节可燃混合气配比，可获得还原性的燃烧产物，保证雾化金属颗粒在喷涂路径上不被氧化，到达基材表面时，在表面附近区域形成的爆炸射流冲击区同样具有还原性，在＞20Hz的爆炸脉冲频率下，该爆炸射流冲击区可持续保护基材表面的涂层，使其不被氧化。除此之外，通过调节可燃混合气配比获得还原性爆炸燃烧产物，可以实现多组分药芯焊丝喷涂，通过控制药芯焊丝的金属外皮和内部粉末的成分与含量可以制备复合涂层。
对于某些特殊性能要求的涂层，可通过在可燃混合气中引入过量空气，使爆炸燃烧产物具有氧化性，同时可降低爆炸燃烧产物射流的温度，在这种前提下可获得具有相对坚硬外壳的大金属颗粒，喷涂到基材表面后形成粗糙且高硬度的金属氧化物涂层，而由于爆炸燃烧产物射流超高速度的影响，所获得的的金属氧化物涂层仍然具有较高的致密性和界面结合强度。并且，在可燃混合气中加入相当比例的空气，可以节约成本。
S3中，所述爆炸脉冲占空比为10~30%，爆炸脉冲与步骤2中的放电脉冲之间的相位差可调节。
通过调节电弧脉冲频率和占空比，可以控制丝材前端温度和熔化速度，实现丝材前端的高梯度加热，在丝材端部10~50μm内形成液态金属薄层，且层厚可控；随后爆炸脉冲作用，爆炸燃烧产物射流作用在液态金属薄层上，吹落并雾化液态金属，形成具有较小尺寸且尺寸均匀的液态金属颗粒，喷涂在基材表面。在电弧脉冲和爆炸脉冲的耦合作用下，实现了涂层致密度和喷涂速度的高度可控。甚至可以获得纳米晶合金涂层。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明通过按照一定的脉冲频率引发爆炸，利用爆炸产生的冲击使涂层材料以高速、高温的状态喷涂到基材上，形成高致密度与高结合强度的涂层；
（2）本发明可以通过调节可燃混合气中不同组分的配比，以获得还原性的燃烧产物，以保护涂层合金在到达基材表面的过程中不被氧化；
（3）本发明对电弧脉冲和爆炸脉冲单独控制，以控制涂层的粒径以及喷涂速度；
（4）
附图说明
图1：一种爆炸复合电弧喷涂装置示意图；
其中：01基材，1爆炸系统，2电弧系统，3爆炸室，4可燃混合气入口，5火花塞，6锥形加速通道，7爆炸喷嘴，8第一丝材，9第一送丝机构，10第二丝材，11第二送丝机构，12第一导电嘴，13第二导电嘴，14第一送丝软管，15第二送丝软管，16固定装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提出的爆炸复合电弧喷涂装置包括可燃混合气入口4、爆炸室3、火花塞5、锥形加速通道6、爆炸喷嘴7、第一丝材8、固定装置16、第一送丝机构9、第一送丝软管14、第一导电嘴12、第二送丝机构11、第二送丝软管15、第二导电嘴13、第二丝材10，结构如下：可燃混合气入口4、爆炸室3、火花塞5、锥形加速通道6和爆炸喷嘴7构成爆炸系统1；第一丝材8、第一送丝机构9、第一送丝软管14、第二送丝机构11、第二送丝软管15、第二导电嘴13和第二丝材10构成电弧系统2；爆炸系统1及电弧系统2通过固定装置16固定；第一丝材8、第二丝材10对称的置于爆炸喷嘴7两侧，且第一丝材8、第二丝材10的前端置于爆炸喷嘴7的出口正前方。
利用所述装置进行喷涂的方法如下：
S1：通过可燃混合气入口4向爆炸室3通入可燃混合气；
S2：利用第一送丝机构9、第一送丝软管14和第一导电嘴12送出第一丝材8，利用第二送丝机构11、第二送丝软管15和第二导电嘴13送出第二丝材10，以脉冲方式在第一丝材8和第二丝材10之间产生微弧放电，脉冲频率为20~100Hz，调节电流及脉冲占空比，控制第一丝材8和第二丝材10端部熔化，形成液态金属区；
S3：按S2中相同的脉冲频率控制火花塞5点火，爆炸室3中的可燃混合气产生爆炸，爆炸产物及爆炸冲击波经锥形加速通道6加速进入爆炸喷嘴7，从爆炸喷嘴7的出口射出，脉冲爆炸冲击波的第一激波位置与步骤中液态金属区位置重合，该区域形成了爆炸产物电离区；
S4：第一丝材8和第二丝材10端部液态金属受到脉冲爆炸冲击波、爆炸产物射流的作用，被分散、雾化，之后被加速进入爆炸射流中，含有丝材雾化离子的爆炸射流到达基材01表面时，在表面附近区域形成爆炸射流冲击区，丝材雾化离子轰击在基材01表面形成涂层。
在本实施例中，爆炸复合电弧喷涂装置所述的对称置于爆炸喷嘴7两侧的丝材，可设计为4路、6路丝材；爆炸复合电弧喷涂方法所述的可燃混合气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，可获得还原性、中性、氧化性爆炸产物；所述的可燃混合气为氢气、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，可获得氧化性、中性、还原性爆炸产物；所述喷涂方法的步骤3中，爆炸脉冲占空比为10~30%，爆炸脉冲与步骤2中的放电脉冲之间的相位差可调节。
实施例2：
利用实施例1所述装置及喷涂方法，使用φ2mm的镍丝在10mm厚度的SUS304不锈钢基材01表面进行爆炸复合电弧喷涂，喷涂前对基材01表面进行喷砂处理，喷涂工艺参数如下：氧气流量1.6m3/h，丙烷流量0.58m3/h，空气流量6.2m3/h，爆炸频率20Hz，占空比20%；电弧电压38V，电弧电流200A，脉冲频率20Hz，镍丝喷涂速度3.8kg/h。制备了100~110μm厚度的涂层，涂层孔隙率仅为0.1%，涂层具有低应力、低变形的特点。
Claims (9)
1.一种爆炸复合电弧喷涂装置，其特征在于：包括：
爆炸系统（1），所述爆炸系统（1）包括爆炸室（3）、可燃混合气入口（4）、火花塞（5）、锥形加速通道（6）、爆炸喷嘴（7）；所述可燃混合气入口（4）开设在所述爆炸室（3）表面；
所述火花塞（5）用于点燃可燃混合气，其设置于爆炸室（3）表面；所述锥形加速通道（6）与爆炸室（3）相联通，其设置于爆炸室（3）一端；所述爆炸喷嘴（7）用于定向释放爆炸产物及冲击力，其设置于锥形加速通道（6）背离爆炸室（3）的一端；
还包括电弧系统（2），所述电弧系统（2）包括用于送出第一丝材（8）的第一送丝机构（9）以及与第一送丝机构（9）对称置于爆炸喷嘴（7）两侧用于送出第二丝材（10）的第二送丝机构（11），以及用于放电且对称置于爆炸喷嘴（7）两侧的第一导电嘴（12）与第二导电嘴（13）；所述第一送丝机构（9）与第一导电嘴（12）之间通过第一送丝软管（14）相连通，所述第二送丝机构（11）与第二导电嘴（13）通过第二送丝软管（15）相连通。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸复合电弧喷涂装置，其特征在于：所述第一丝材（8）与第二丝材（10）的一端位于爆炸喷嘴（7）出口正对的位置。
3.根据权利要求1所述的一种爆炸复合电弧喷涂装置，其特征在于：所述爆炸系统（1）与电弧系统（2）通过固定装置（16）固定。
4.一种如权利要求1~3任一项所述的爆炸复合电弧喷涂装置进行喷涂的方法，具体步骤如下：
S1：通过可燃混合气入口（4）向爆炸室（3）通入可燃混合气；
S2：利用第一送丝机构（9）、第一送丝软管（14）送出第一丝材（8），利用第二送丝机构（11）、第二送丝软管（15）送出第二丝材（10），利用第一导电嘴（12）与第二导电嘴（13）以脉冲方式在第一丝材（8）与第二丝材（10）之间产生微弧放电，调节电流与脉冲空占比，控制第一丝材（8）和第二丝材（10）端部熔化；
S3：按S2中相同的脉冲频率控制火花塞（5）点火，爆炸室（3）中的可燃混合气产生爆炸，爆炸产物及爆炸冲击波经锥形加速通道（6）加速进入爆炸喷嘴（7），自爆炸喷嘴（7）的出口射出，脉冲爆炸冲击波的第一微波位置与S2中液态金属所在的位置重合；
S4：液态金属在脉冲爆炸冲击波、爆炸产物射流的作用下被雾化，加速进入爆炸射流中，雾化丝材离子轰击在基材（01）表面。
5.根据权利要求4所述的一种爆炸复合电弧喷涂方法，其特征在于：所述可燃气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得还原性爆炸产物。
6.根据权利要求4所述的一种爆炸复合电弧喷涂方法，其特征在于：所述的可燃混合气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得中性爆炸产物。
7.根据权利要求4所述的一种爆炸复合电弧喷涂方法，其特征在于：所述的可燃混合气为丙烷、丁烷、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，获得氧化性爆炸产物。
8.根据权利要求4所述的一种爆炸复合电弧喷涂方法，其特征在于：所述的可燃混合气为氢气、氧气、空气的混合气体，通过调节气体配比，可获得氧化性、中性、还原性爆炸产物。
9.根据权利要求4所述的一种爆炸复合电弧喷涂方法，其特征在于：S3中，所述爆炸脉冲占空比为10~30%。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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