CN1204979C - 层流等离子体喷涂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明层流等离子体喷涂的装置及方法，采用层流等离子体发生器，枪内或枪外、单口或多口供粉形式，在以小功率维持层流等离子体射流状态下，提高气体流量增加射流的热效率，根据粉体的种类、材料性质和颗粒粒径及分布，选择或调整射流的能量及分布，配合适当的粉末携带气体流量，喷涂各种粉体材料并获得高质量涂层。本发明方法由于层流等离子体射流对周围气体的卷吸和搅动小，减小周围尘埃杂质的混入，致使射流能量高效利用，可以在低功率条件下喷涂高熔点物质的涂层，在大气压条件下喷涂有利于减少非氧化物涂层的氧化，在减压喷涂条件下有利于粉体颗粒的充分加热。

Description

层流等离子体喷涂装置及方法

技术领域

本发明涉及利用长直层流电弧等离子体进行喷涂的方法与装置。这种方法与装置可以在低输入功率的条件下喷涂高熔点物质的涂层，有效控制涂层组织，提高沉积率。

背景技术

目前用于喷涂的热等离子体射流一般为湍流流动状态，改变喷枪结构和产生参数，只能一定程度地改变射流的能量密度，很难明显大幅度地改变射流的能量分布。对于特定的喷枪，在可用的等离子体产生参数范围内，射流长度变化不大。这是由于处于湍流状态的射流会对周围冷气体形成严重的卷吸，射流的能量很快耗散于与周围冷气体的混合，以至射流的有效高温区很短，加之高温区的气流速度很高，用于喷涂时，注入射流中的粉体颗粒的被加热路径和时间都很短。所以当其用于喷涂高熔点物质的涂层时，需要采用大功率的喷涂系统。

与其不同，长弧层流等离子体射流的出口温度与湍流射流相当，但气流流速约为湍流射流的一半。射流长度可根据气压、气流量、气体种类和输入功率等产生条件的改变，在8～100cm宽的范围内明显变化，弧长与其直径之比超过70。因此，粉体颗粒供入层流等离子体射流，在其高温区的滞留和被加热时间均比湍流射流条件下提高一个数量级。然而，要控制产生高长径比的等离子体射流，需要平衡控制产生过程中的各个因素，相关技术存在很多尚未解决的关键问题。申请人先前提出了“产生长弧等离子体射流的装置及方法”的发明专利申请(发明专利号：99121825.6)，要以这种射流进行等离子体喷涂，还需要提高产生射流的热效率、解决供粉气体对射流可能产生的扰乱以至破坏其层流流动状态、将各种粉体颗粒均匀供入射流高温区等问题。

发明内容

本发明的目的是在于提供长直层流电弧等离子体喷涂装置与方法。在由大气压到20托低气压范围内，以远低于常规湍流等离子体射流喷涂所需功率产生稳定的长直层流等离子体射流。以多种形式向长直层流电弧等离子体射流中实施均匀供粉，实现各种材质高质量喷涂涂层的制备。

本发明的技术方案是把握气流量和输入功率等因素对层流等离子体射流稳定状态和热效率的影响。在维持层流流动的条件下提高气流量，以提高射流的热效率，电源输入的能量转换为气体电弧的能量，除向发生器和冷却系统的散热以外，发生器出口处射流的热能超过40％，在使用氩气的情况下，喷枪出口处射流的最高温度约为12000K。保证喷枪出口处气流最高温度不低于一般湍流射流喷涂时的气流温度；进而采用不同角度的枪内、枪外、单口或多口供粉，配合适当的粉末携带气体流量，可在不破坏射流层流状态情况下，将粉末颗粒供入射流高温区；枪内供粉情况下阳极喷口设计成台阶型，靠近发生器出口端有较大口径，阳极喷口内侧壁上开有一个或环向均匀分布的数个与射流轴线成不同角度的供粉口；根据喷涂粉体的种类和性质，如比重、熔点及颗粒粒径和分布等，调整射流的能量及分布，确定最佳喷涂工艺参数，达到在小功率条件下喷涂各种粉末材料的高质量涂层；同时，对易氧化材料的高质量涂层制备，采用减压等离子体喷涂工艺；这时，配用口径达30mm的喷枪，获得直径增大3～5倍的高温层流等离子体射流。

本发明层流等离子体喷涂装置，包括一直流电源和与其相联的电路控制操作部分，一可旋转或平移的样品台和传动系统，一置于喷枪和被喷件之间的可移开式挡板，一气体流量控制部分和与其相联的一等离子体发生器(即喷枪)，一与发生器相联的供粉器以及一换气系统。水冷真空腔体和抽真空系统只在减压喷涂的情况下需要。

等离子体发生器是依次由阴极、中间段和阳极等主要构件组成的长直层流电弧等离子体射流发生器。该发生器的供气有主气流和辅气流。主气流从开在阴极与中间段间隙的起弧端的主气流入口进入，辅气流从中间段与阳极的间隔处的辅气流入口进入。等离子体发生器的阳极喷口为台阶式，靠近发生器出口端有较大直径，阳极喷口直径范围为4-30mm。供粉口分枪内和枪外供粉口两种，且均有单孔和多孔两种形式。枪内供粉口开在阳极喷口内侧壁上；枪外供粉单孔时使用喷嘴。多孔口时使用供粉环。该供粉环与喷枪阳极喷口保持绝缘。等离子体发生器的设计和阳极喷口直径的大小应根据使用条件的不同而改变。在减压或增大功率条件下使用大口径阳极发生器。反之则要使用小口径阳极发生器。

本发明装置中，阳极喷口为台阶式，1～5个枪内供粉口在阳极喷口的内侧壁上，并与射流轴线的夹角为-20°～50°。

本发明装置中，设在供粉环上的枪外供粉口有3～7个，并与射流轴线的夹角为-30°～40°；枪外供粉口为单孔时，该单孔是在供粉管前端直接安装的供粉嘴。

本发明装置中，在层流等离子体阳极喷口附近装有可供入惰性保护气体的保护气体环。层流等离子体发生器与被喷涂的样品之间有可移开的挡板。

本发明层流等离子体喷涂方法是采用本发明层流等离子体喷涂装置实施的。其中等离子体射流发生器(即喷枪)是依次由阴极、中间段和阳极组成的定弧长式层流电弧等离子体射流发生器。控制气体流量和输入功率以产生稳定的长直层流电弧层流等离子体射流。在小功率维持层流等离子体射流状态下提高气体流量可以增加射流的热效率；根据喷涂粉体种类、材料性质和颗粒粒径及分布，选择或调整射流的能量及其分布；采用枪内或枪外单口或多口供粉形式，或采用枪内加枪外组合供粉形式，配合适当的粉末携带气体流量，在小功率条件下喷涂各种粉体材料，获得较一般喷涂工艺晶粒组织细化和孔隙率小的高质量涂层。

本发明层流等离子体喷涂方法，当喷涂易氧化材料时，采用减压等离子体喷涂，并在阳极喷口直径4-30mm的变化范围内选用大直径的阳极喷口。

本发明方法中，在大气压条件下射流在等离子体射流发生器出口处的最高气流速度一般不超过400m/s，射流直径一般小于15mm，射流长度小于700mm。

本发明方法中，在大气压到20托的气压条件下，等离子体射流的长度在20～100cm范围内调整，射流的直径在5～30mm范围内调整，电源输出功率一般在15kW以下就基本能满足各种粉体的喷涂条件。

本发明方法中，对高熔点物质粉末，不易被加热的粉体材料，或较难供入射流高温区的粉体，发生器阳极喷口为台阶式，采用枪内供粉形式，阳极喷口内侧壁上开有1-5个枪内供粉口，供粉口与射流轴线的角度在-20°～50°之间选择。

本发明方法中，对低熔点物质粉末、易熔化和蒸发的材料、或容易送入射流高温区的粉体，采用枪外供粉方式。采用供粉环，该环内侧均匀开有3-7个供粉口，供粉口与射流轴线的角度在-30°-40°间选择。

本发明方法中，对于复合材料涂层或梯度分布涂层的制备，采用不同的枪内或枪外供粉方式，或枪内加枪外组合供粉方式，以不同的参数在不同的部位供入等离子体射流。

本发明方法中，在大气压下，根据喷涂材料和喷涂质量要求，为防止涂层与工件氧化，在层流等离子体发生器阳极喷口附近加装保护套或气体保护环，供入惰性保护气体。

本发明层流等离子体喷涂装置和方法的效果和特点是，等离子体发生器的设计和阳极口径的大小根据使用条件的不同而改变。在减压或增大功率条件下使用大口径发生器。反之使用小直径的阳极喷口；在高熔点、或不易被加热或较难供入射流高温区的粉体材料的喷涂过程中，枪内供粉的阳极喷口采用台阶式结构，其内侧壁上开有1～5个供粉孔不等；根据粉体种类和粒径分布，供粉口与射流轴线角度在-20°～50°间变化，使粉体供入射流高温区中。枪外供粉采用单孔或多孔供粉方式，单孔供粉是在供粉管前端直接安装供粉嘴；多孔供粉是通过供粉管将粉体供入一供粉环中，该环内侧均匀开有3～7个供粉口。供粉环与发生器阳极间绝缘。根据粉体材料性能和流动性，供粉口与射流轴线的角度在-30°～40°之间适当选择。

本发明层流等离子体射流喷涂技术和方法是根据粉末材料性能、种类和粒径，在大气压到20托低气压条件下，在20～100cm范围调整等离子体射流长度及在5～30mm范围调整射流直径。在电源输出功率低于15kW的条件下，确保喷枪出口处气体的最高温度不小于湍流射流出口的最高温度。通过选择枪内和枪外不同供粉方式，能够有效熔化各种粉末颗粒，喷涂高熔点物质的高质量涂层；如果在喷涂工作气体中加入氮气，还可以提高气体的焓值和增加射流长度；测试结果表明：射流在喷枪出口处的最高气流速度一般不超过400m/s。因此，粉体颗粒在层流射流高温区的滞留时间可比湍流射流喷涂时延长约一个数量级；由于层流射流受环境气体的扰动和卷吸作用影响远低于湍流射流，因此，明显减少了基材预热和喷涂过程中空气混合气体掺混和杂质卷入等负面因素的影响。有利于提高涂层质量和涂层材料与工件的界面接合力；如果阳极喷口处加装保护套和保护气体环，可以更有效地控制空气混合气体对工作气体射流的掺混和喷涂过程中颗粒和基材的氧化。并且还可以明显提高或调节基材预热温度范围。

附图说明

图1是减压层流电弧等离子体喷涂装置系统示意图。

图2是大气压条件下射流长度随弧电流变化的关系图。

图3是大气压条件下射流长度随气流量的变化关系图。

图4是枪内供粉阳极喷口结构简图。

图5是枪外多孔供粉部件结构简图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明装置和方法的实施例。

如图1所示，本发明层流等离子体喷涂装置包括喷涂机械部分100和水电气源300两大部分。喷涂机械部分100中，真空腔体10上直接安装着等离子体发生器20、旋转式样品台30、水冷过滤器40、挡板轴50和供粉系统60等部件。水电气源300中，控制柜70是喷涂操作的控制中心。包括控制气体流量的质量流量计和显示器71、供粉气体流量和粉末流量的控制仪72、电源开关73和冷却水控制阀门74等器件。喷涂中可以方便地进行气源81、电源82、粉末83和冷却水84的控制。双线85示意地表示整个装置所需的电源线、送气管、供粉管和冷却水管等。

由图1可见，在减压喷涂条件下，圆柱形腔体1上有发生器接口4、观察窗5、供粉孔7和水冷过滤器接口8等；前盖板2上也有气孔11。其上的发生器接口12上安装等离子体发生器20。旋转式样品台30通过套筒13安装在中心孔14上，并在同时进行转动和移动的情况下具有良好的密封性能。水冷过滤器40安装在圆柱形腔体1和机械泵之间；挡板轴50的中心轴与接口4的中心轴平行；供粉系统60由真空腔体15、供粉器16、供粉管17、支架18和供粉嘴19组成。工作时可以放置在圆柱形腔体1的上方实现重力供粉，或放置于别处进行携带微量气体供粉。供粉嘴19可以连接在阳极喷口22不同部位，实现枪内或枪外不同方式供粉。或通过连接机构将供粉嘴19安装在喷口22的前方实现枪外供粉。整个喷涂机械部分100支撑在水平度可调的支架23上。

图2给出大气压条件下以纯氩为工作气体、使用直径为4mm的阳极喷口时射流长度随弧电流变化的关系图。说明在一定气流量的条件下，层流等离子体射流的长度随弧电流的增加而增加，也就是说在气流量不变的情况下，只要在低的弧电流条件下产生出层流等离子体射流，之后单纯提高弧电流，在相当大的范围内，不会发生射流流动状态由层流到湍流的转变。

图3给出的是大气压条件下以纯氩为工作气体、使用直径为4mm的阳极喷口时射流长度随气体流量变化的关系图。在气流量低于180cm³/s的范围内，射流的长度随气流量的增加而增加，在超过210cm³/s的情况下，射流的长度骤然缩短，这对应的是射流的流动状态由稳定的层流流动转变为波动性很大的湍流状态，射流对周围冷空气的卷吸掺混严重发展，致使射流的能量衰减很快。在转变点处，射流的能量为3.7kW，可估算出纯氩等离子体射流由层流向湍流转变的临界雷诺数约为370。由此可见，在合理的喷枪结构和产生方法的条件下，无论改变气流量、弧电流、阳极喷口直径或其它有关的等离子体射流产生参数，其综合效应只要使气流的雷诺数不超过这一临界值，就能确保等离子体射流为稳定的层流状态。

图4是枪内供粉喷涂时阳极喷口的结构简图。其主要构件有层流等离子体发生器的阳极210、供粉管220和连接环230。阳极210的阳极喷口214设计成台阶式，阳极喷口214上有环形供粉槽215。供粉槽内有沿圆周均匀分布的数个如1-5个供粉孔216。连接环230上有供粉孔237和密封槽238。阳极210与连接环230通过螺纹239连接。“O”形圈235的密封作用确保了喷涂时粉末221沿供粉孔216进入阳极喷口214中的等离子体射流212中。供粉孔216的轴线与射流轴线的角度根据喷涂材料等条件在-20°～50°范围内变化。供粉孔216出口位置也可以移至图4中点线222所示位置。

图5是枪外多孔供粉喷涂时阳极喷口的结构简图。其主要构件有层流等离子体发生器的阳极250、供粉管260和供粉环270。支撑环254通过电绝缘紧配螺栓255固定在阳极250上。支杆256和供粉管260分别由销钉257、258固定。供粉环270通过螺纹和胶圈连接在供粉管260上。平行移动支杆256和移动供粉管260可以调节供粉环270离开枪口的位置。供粉孔口可与射流轴线成-30°～40°。供粉环270的内侧沿圆周均匀开有3-7个供粉孔。

本发明层流等离子体喷涂装置和方法运行时，喷枪阳极喷口直径随喷涂环境压力和所需功率的大小，在4～30mm范围变化。对应的喷枪其它部分结构根据阳极喷口直径尺寸按一定比例相应变化；根据喷涂粉体材质和对涂层质量的不同要求，可改变气流量和输出功率，实现层流等离子体射流长度、总能量和能量密度的再分配，配合适当的供粉方式，达到最佳喷涂效果。具体地说对高熔点物质的粉末、不易被加热的粉体材料、比较难以供入射流高温区的粉体，采用枪内供粉形式，选择适当的供粉口数目和与射流轴线的角度；对低熔点物质粉体、易熔化或蒸发材料、或容易送入射流高温区的粉体，采用枪外供粉的方式；对于复合材料涂层或梯度涂层的制备，不用通常的供粉方式和参数供入复合或混合好的粉体，而是采取不同的供粉方式和参数由不同的部位将粉体供入等离子体射流，确保不同物质和粒度的粉体分别有最佳的熔化和沉积状况；根据实际喷涂材料和对涂层质量的要求，在大气压条件下，或确需防止涂层与工件氧化的情况下，需在喷口附近加保护气体环供入惰性保护气体。

本发明装置和方法根据喷涂粉体的种类、粒径、对涂层质量的要求，在大气压到20托气压的条件下，在20～100cm范围内调整等离子体射流长度，在5～30mm范围内调整射流直径，在15kW以下的低电源输出功率的条件下，确保喷枪出口处气体的最高温度不小于一般湍流射流喷涂时的出口最高温度，在大气压条件下射流在喷枪出口处的最高气流速度一般不超过400m/s，粉体颗粒在长射流高温区中的滞留时间可比一般湍流射流喷涂时延长约一个数量级，从而获得有效喷涂各种物质的高质量涂层。

实施例一、减压层流等离子体射流在不锈钢基材表面进行氧化锆陶瓷或三氧化二铝涂层制备。

表1实验参数

喷涂、送粉气体        Ar         送粉气体流量(cm³/s)      8

总气流量(cm³/s)      180        真空腔体气压(Pa)       1.3×10⁴

输入功率(kW)          ＜8        沉积距离(mm)           200～220

基底初始温度(K)       600～900

本发明实施例中，基材为1Cr18Ni9Ti不锈钢。粉体为ZrO₂-8mol％Y₂O₃陶瓷粉末，其颗粒粒度小于25μm。阳极出口直径为20mm。层流射流长度达到600mm，直径约为25mm。相关喷涂实验参数列于表1中。

产生稳定的层流等离子体射流之后，接通送粉气气阀和送粉器电源开关进行送粉，实现层流等离子体喷涂。本发明改进的送粉器，无论是枪内还是枪外送粉，既可进行粒度为25-75μm普通粉末送粉，还实现了粒度小于25μm细粉的均匀送粉。细粉的应用有利于实现低功率等离子体射流状态下，高熔点粉末材料涂层的制备。用这种方法和装置，可在输入功率小于8kW的条件下喷涂熔化点约为2600C°的氧化锆高熔点陶瓷涂层。得到了较一般喷涂工艺晶粒组织细化和孔隙率小的高质量涂层，且涂层的相组织结构与粉体相同。

实施例二、大气压层流等离子体射流进行材料表面金属或陶瓷涂层制备。工件可装在车床的刀架和工件夹上，利用车床的传动装置作为工件传动架。发生器出口直径为6mm。在电源输出功率为9kW，总气流量200cm³/s的氩等离子体射流条件下，供粉气流量为6cm³/s。采用枪外供粉。粒径小于100μm的氧化铝粉末和粒径小于25μm的氧化钇稳定氧化锆粉末能够供入射流高温区，得到了充分的熔化。

实施例三、复合涂层材料和梯度涂层的制备。

本发明实施例中基材为1Cr18Ni9Ti不锈钢。一种粉体为ZrO₂-8mol％Y₂O₃陶瓷粉末，其颗粒粒度小于25μm。另一种粉体为NiCrAlY₂O₃合金粉末，其颗粒粒度小于25～75μm。阳极出口直径为20mm。层流射流长度达到600mm，直径约为25mm。相关喷涂实验参数列于表1中。

产生稳定的层流等离子体射流之后，接通送粉气气阀和送粉器电源开关进行送粉，实现层流等离子体喷涂。ZrO₂-8mol％Y₂O₃陶瓷粉末采用枪内送粉，NiCrAlY₂O₃合金粉末枪外送粉。在制备复合涂层时应使两种粉末的送粉量保持不变。当其中陶瓷粉末送粉量为零时，得到合金粉末的涂层。当合金粉末送粉量为零时，得到陶瓷粉末的涂层。当调整两种送粉量的比值时，可得由两种粉末的混合涂层。这样可以制备出复合涂层；如果在喷涂过程中将两种粉末的送粉量按某种规律连续调整，并保持一减少，另一增大，则可以制备出粉末成分连续变化的梯度涂层。

Claims (10)

1.一种层流等离子体喷涂装置，包括一个直流电源和与其相联的一电路控制操作部分，一个气体流量控制部分和与其相联的一等离子体发生器，一与等离子体发生器相联的供粉器及换气系统，其中的等离子体发生器是包括由顺序相连的阴极、中间段和阳极组成的长直层流等离子体射流发生器；该发生器的供气有主气流和辅气流，主气流从开在阴极与中间段间隙的起弧端的主气流入口进入，辅气流从中间段与阳极的间隔处的辅气流入口进入；

其特征是所述等离子体发生器的阳极喷口为台阶式，靠近发生器出口端有较大直径，阳极喷口直径范围为4～30mm；供粉口分枪内供粉口和枪外供粉口，且均有单孔和多孔两种形式，枪内供粉口有1～5个开在阳极喷口内侧壁上；并与射流轴线的夹角为-20°～50°；枪外供粉多孔时使用供粉环，设在供粉环上的枪外供粉口有3～7个，并与射流轴线的夹角为-30°～40°。

2.根据权利要求1所述的层流等离子体喷涂装置，其特征是枪外供粉口为单孔时，该单孔是在供粉管前端直接安装的供粉嘴。

3.根据权利要求1所述的层流等离子体喷涂装置，其特征是可在层流等离子体发生器阳极喷口附近装保护套或供入惰性保护气体的保护气体环。

4.一种层流等离子体喷涂方法，其特征是采用如权利要求1-3所述的层流等离子体喷涂装置，相配的等离子体射流发生器，在维持层流等离子体射流状态下提高气体流量可增加射流的热效率；根据喷涂粉体种类、材料性质和颗粒粒径及分布，选择或调整射流的能量及其分布；采用枪内或枪外单口或多口供粉形式，或采用枪内加枪外组合供粉形式，配合适当的粉末携带气体流量，在小功率条件下喷涂各种粉体材料。

5.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是当喷涂易氧化材料时，采用减压等离子体喷涂，在阳极喷口直径4-30mm的变化范围内选用大直径的阳极喷口。

6.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是在大气压到20托的气压条件下，等离子体射流的长度在20～100cm范围内调整，射流的直径在5～30mm范围内调整，电源输出功率在15kW以下。

7.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是对高熔点物质粉末，不易被加热的粉体材料，或较难供入射流高温区的粉体，采用枪内供粉形式，阳极喷口的内侧壁开有1-5个枪内供粉口，供粉口与射流轴线的角度在-20°-50°间变化。

8.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是对低熔点物质粉末、易熔化和蒸发的材料、或容易送入射流高温区的粉体，采用枪外供粉方式，采用供粉环，该环内侧均匀开有3-7个供粉口，供粉口与射流轴线的角度在-30°-40°之间选择。

9.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是对于复合材料涂层或梯度分布涂层的制备，采用不同的枪内或枪外供粉方式，或枪内加枪外组合供粉方式，以不同的参数在不同的部位供入等离子体射流。

10.根据权利要求4所述的层流等离子体喷涂方法，其特征是在大气压下，根据喷涂材料和喷涂质量要求，为防止涂层与工件氧化，在层流等离子体发生器阳极喷口附近加装保护套或保护气体环，供入惰性保护气体。

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