CN1448223A

CN1448223A - 空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪

Info

Publication number: CN1448223A
Application number: CN 03114694
Authority: CN
Inventors: 李长久; 孙波; 王豫跃; 杨冠军
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: CN1175940C

Abstract

本发明公开了一种空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，阴极采用由同心的内侧管与外侧钨管制成的空心阴极，阳极喷嘴腔室截面为梯形结构。采用该结构的等离子喷涂枪可以有效控制粉末在等离子射流中的飞行轨迹，能将粉末有效地送入等离子射流中心部位，实现喷涂粒子的有效地加热与加速，并且电弧燃烧稳定、粉末不易粘结、电极使用寿命长。

Description

空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪

一、所属技术领域

本发明涉及主要用于机械与电器制造领域的一种等离子喷涂枪的结构，特别涉及一种空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪。

二、背景技术

等离子喷涂以等离子喷枪产生的非转移型等离子电弧为热源，当工作气体通过喷嘴孔道时被电弧加热到很高的温度，发生剧烈膨胀而迅速喷出，形成高温高速的等离子射流，喷涂材料以粉末的形式送到等离子射流中，在其中加热、加速，形成熔融的粒子流，高速撞击到基体表面形成涂层。

传统等离子涂枪均采用枪外送粉方式(简称外送粉方式)或通过阳极喷嘴送入的枪内送粉方式(简称内送粉方式)，由于粉末粒子在等离子射流中的运动轨迹受到送粉气流量、粉末粒度分布和粉末材料的密度以及等离子射流的温度梯度和速度梯度的共同影响，粒子运动轨迹发散，难以全部进入等离子射流的高温区域，而粒子运动轨迹的分散性使粒子以不同的状态碰撞基体，增加了涂层组织结构和性能的不均匀性，尤其当喷涂材料为两种或两种以上密度不同的混合粉末时，粒子状态参数分散的问题更加严重，将导致涂层性能出现较严重的不均匀性，传统等离子喷枪很难有效地解决这一问题。

比较常见的方法是通过增加电弧功率来弥补粒子的加热加速不均的问题，但等离子电弧功率的增加也带来了其他问题，例如电弧的加热效率降低(用于加热粉末的热量只占到电弧热量的3％～5％)，喷涂尺寸较小的零件时，等离子射流沉积束斑直径较大导致粉末沉积效率降低等。

为了提高粉末的加热效率，改善涂层性能的均匀性，90年代出现了轴向送粉方式的大功率等离子喷枪，其结构多采用多电极结构，例如三阴极结构喷枪和多对电极结构的喷枪，在该结构下，可以实现粉末从喷枪轴线送进，其结果是粒子的加热加速的均匀性和粉末沉积效率提高，但是喷枪结构复杂，设备成本高。而采用在实体阴极中心加工送粉孔道的方法存在下述问题：首先，喷涂过程中阴极一直处于高温状态，粉末容易在靠近阴极端部的位置熔化而堵塞送粉孔道，尤其对于低熔点的金属粉末，因此无法实现连续喷涂，其次，中心孔的送粉气流直接进入电弧，对电弧产生扰动，导致电弧电压波动，稳定性较差，难以满足喷涂的要求。

三、发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种在低功率条件下实现粉末粒子有效加热加速的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，通过提高粉末粒子的有效加热，实现在小功率条件下喷涂涂层，特别是用于喷涂高熔点陶瓷材料。实现上述目的的解决方案是，一种空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，包括：

1)等离子喷涂枪的前枪体；

2)与前枪体连接的阳极喷嘴；

3)后枪体；

4)与后枪体连接的阴极杆；

5)连接前枪体与后枪体的绝缘体；

前枪体、后枪体和绝缘体通过机械连接方式连接；

6)其他与等离子喷涂枪的连接部件；

其特征在于：阴极杆是一种双管空心阴极结构；阴极杆包括同心设置的内侧管和外侧钨管，由外侧钨管与阳极喷嘴之间产生电弧的放电，阴极杆的另一端和送粉管接头连接。

本发明的其它一些特点是：

所述阳极喷嘴的腔室截面为矩形或梯形结构，梯形结构中的底或腰可以是直线或曲线。

所述阴极杆可以调节相对于阳极喷嘴的前后位置，调节位置可以起到控制粉末熔化状态，从而避免粉末粘结在阳极喷嘴的现象。

所述阴极杆为一个组装而成的整体部件，至少包括内侧管、外侧钨管和与上述两者共同连接的阴极空心支撑体。在阴极空心支撑体的一端还设置一个带通孔的内侧管和外侧钨管，内侧管设置在与阴极空心支撑体的通孔上，外侧钨管设置在阴极空心支撑体的一端的外表面上，内侧管与外侧钨管之间具有一定的间隙。

所述支撑体为导热与导电性良好的铜或铜合金材料，所述外侧钨管的材料为放电性能良好且熔点高的钨或钨合金，钨合金如铈钨合金、钍钨合金。

所述内侧管材料为金属或合金或陶瓷或金属陶瓷，其中的金属可以包括钨、钼、铁、铜、镍、钛、钒、铬、钴、钇、锰、锆、铌、钼、银、钽，合金可以包括上述一种或多种元素的合金，陶瓷可以包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物陶瓷，金属陶瓷可以包括上述金属或合金与陶瓷组成的复合体。

所述内侧管材料与支撑杆相同心，内侧管与阴极空心支撑体可以合二为一，为一个整体结构。

所述外侧钨管的端面比内侧管的端面高，内侧管端面的内缩量保证电极工作时，电弧稳定地燃烧在外侧钨管端面。

所述内侧管的内孔直径可为1～3mm，壁厚可为1～2mm；外侧钨管的内径可为3～6mm，壁厚可为3～5mm。

所述支撑体上可以附加一些装置或形状用以固定或连接其它零部件，比如加工螺纹、打孔，用于阴极的位置固定、调节、连接送粉装置，还可将例如送粉接头的装置安装在支撑体上。

所述内侧管不作为放电部分，而作为送粉部分。

所述阳极喷嘴上可以附加制作一个送粉孔，由此以内送粉的方式实现另外一种粉末的送进，喷枪可以实现同时喷涂两种粉末，同理可以扩展到三种或三种以上粉末的同时喷涂。

所述喷枪的前枪体上可以附加安装一个送粉嘴，由此以外送粉的方式实现另外一种粉末的送进，喷枪可以实现同时喷涂两种粉末，同理可以扩展到三种或三种以上粉末的同时喷涂。

本发明有下述优点：

1)采用切向进气方式，涡旋气流提高了电弧的稳定性。

2)喷涂粉末通过内侧管从中心轴向送入等离子射流，粉末从内侧管的中心孔送出后，直接进入等离子射流的中心区域，而旋转的涡旋气流在中心区域的切向速度分量很小，粉末颗粒的运动轨迹集中。

3)喷枪的阴极采用由同心的内侧管与外侧钨管制成空心阴极，由于采用嵌套结构，内侧管与外侧钨管之间存在直径差和高度差，因此电弧仅在阴极的外侧钨管端面与阳极孔道壁面产生，送粉气流和粉末对电弧的干扰较弱，电弧稳定燃烧在阳极孔道内，因此电弧稳定性好。

4)内侧管与外侧钨管端面之间的高度差，以及送粉气流的冷却作用，使内侧管温度相对较低，可以避免粉末对内侧管的冲蚀磨损，并可以避免粉末在内侧管孔道内熔化粘结。

5)阳极喷嘴腔室截面为梯形结构，粉末从内侧管送出后，直接进入阳极喷嘴孔道，这样由于粒子在腔室内的飞行距离短、运动轨迹集中而避免了粉末颗粒因过早熔化而在喷嘴壁面粘结。

6)阴极杆是可移动的，外侧钨管端部和阳极之间的距离可以灵活调节，以此实现对粒子熔化状态的调节。

7)阳极喷嘴采用梯形结构，因此腔室压缩角对气流压缩作用的影响降低，本发明中压缩角为20°～40°之间。

四、附图说明

图1是本发明的典型的喷枪结构示意图。

图2是本发明涉及的一种典型的空心阴极结构的示意图。

图3是本发明涉及的内侧管21与阴极空心支撑体可以合二为一的空心阴极结构的示意图。

图4是本发明涉及的内侧管21与阴极空心支撑体可以合二为一的空心阴极结构的一种更为简单的结构的示意图。

图5是以本发明实施获得的微束等离子喷枪喷涂制备的氧化铝陶瓷涂层断面显微组织结构照片。

图6是传统的大功率等离子喷涂制备的氧化铝陶瓷涂层断面显微组织结构照片。

图7是本发明涉及的带有侧向内送粉孔的阳极喷嘴的结构示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参见图1、5、6。依本发明的技术方案，该中心轴向送粉等离子喷枪包括：压盖1、阳极喷嘴2、密封圈3、前枪体4、密封圈5、密封圈6、绝缘体7、冷却水管8、后枪体9、密封圈压紧螺母10、调节螺母11、弹性夹头12、压紧螺母13、锁紧螺母14、送粉管接头15、螺帽16、阴极杆17、阴极水电接头18、进气管接头19、外侧钨管20、内侧管21、阳极水电接头22。

前枪体、后枪体、绝缘体和密封圈通过机械式连接；在前枪体4的一端通过机械方式通过压盖1依次安装密封圈3、阳极喷嘴2。

阴极杆17靠近阳极喷嘴2的一端，同心设置有内侧管21和外侧钨管20构成双钨管空心阴极，阴极杆17的另一端与送粉管接头15连接；等离子电弧在阴极的外侧钨管20端面与阳极孔道壁面产生，喷涂粉末通过阴极的内侧管21的中心轴向送入等离子射流。

阳极喷嘴2的腔室截面为梯形结构。

阴极杆17是可移动式的，双钨管空心阴极的内侧管21和外侧钨管20间的距离可以调节。内侧管21不作为放电部分，而作为送粉部分。

本发明的喷枪可以制备三氧化二铝、氧化锆、碳化物等高熔点材料。采用该喷枪进行喷涂，试验结果表明在1kW～3kW的小功率下所制备的涂层性能与传统的等离子喷枪在20kW～80kW条件下制备的涂层相当。图5是以本发明制造的微束等离子喷枪喷涂制备的氧化铝陶瓷涂层断面显微组织结构照片，作为对比，图6是传统的大功率等离子喷涂制备的氧化铝涂层。从两幅图中可以发现，氧化铝颗粒已经发生了熔化并形成了扁平较好的扁平粒子。当本发明涉及的喷涂功率为3kW而传统等离子喷涂功率为40kW时，制备典型的Cu、Ni60、Mo与Al₂O₃涂层的性能与传统等离子喷涂相当。

该喷枪的射流热焓为0.7～1.6kJ·g^-1，约为传统等离子喷枪的1/20～1/4。采用热辐射粒子温度/速度测量系统分别测量了中心轴向送粉方式喷涂Al₂O₃与Mo粉末，Al₂O₃粒子的平均速度在220m·s^-1～300m·s^-1范围内变化，Mo粒子的平均速度在110m·s^-1～150m·s^-1范围内变化，与传统大功率等离子喷涂的粒子速度相当。微束等离子喷涂在功率为3kW的工艺参数下与传统等离子喷涂在功率为40kW下制备涂层的性能的比较表明(见下表)，涂层的磨粒磨损失重和显微硬度相当，表明涂层性能基本接近。

微束等离子喷涂层与传统等离子喷涂层性能的比较

材料涂层性能微束等离子喷涂传统等离子喷涂

W/mg 25.2 24.0

Al₂O₃

Hv_0.2 1060 1274

W/mg 185.4 165.5

Mo

Hv_0.2 516 586

实施例2：

参见图2。依照本发明的技术方案，如图1所示的等离子喷涂枪的空心阴极结构，包括一个阴极的空心支撑体，在阴极空心支撑体的一端还设置一个带通孔的内侧管和外侧钨管，内侧管设置在与阴极空心支撑体的通孔上，外侧钨管设置在阴极空心支撑体的一端的外径上，两钨管之间具有一定的间隙。采用紫铜作为支撑体，内侧管和外侧钨管连接在支撑体的一端，钨管材料为铈钨合金。

实施例3：

参见图3。依照本发明的技术方案，如图3所示，内侧管与阴极空心支撑体同时选择紫铜材料，两者合而为一成为一个整体。此种实施例的方案相对较为简单。

实施例4：

参见图4。依照本发明的技术方案，如图4所示，内侧管与阴极空心支撑体同时选择紫铜材料，两者合而为一做成一个整体，并且，内侧管的断面不再外露，变形成如图4所示的更为简单的结构。

实施例5：

参见图7。依照本发明的技术方案，如图7所示，在阳极喷嘴的一侧设置外送粉孔，送粉角度(送粉孔内粉末运动方向与喷嘴孔道气流运动方向的夹角)可以根据所用粉末在30～150°的范围内调节由此，喷枪可以实现两种粉末同时喷涂。

Claims

1.一种空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，包括：

1)等离子喷涂枪的前枪体【4】；

2)与前枪体【4】连接的阳极喷嘴【2】；

3)后枪体【9】；

4)与后枪体【9】连接的阴极杆【17】；

5)连接前枪体【4】与后枪体【9】的绝缘体【7】；

6)其他与等离子喷涂枪的连接部件；

前枪体【4】、后枪体【9】和绝缘体【7】通过机械连接方式连接；

其特征在于：阴极杆【17】是一种双管空心阴极结构；阴极杆【17】包括同心设置的内侧管【21】和外侧钨管【20】，由外侧钨管【20】与阳极喷嘴【2】之间产生电弧的放电，阴极杆【17】的另一端和送粉管接头【15】连接。

2.根据权利要求1所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述阳极喷嘴【2】的腔室截面为矩形或梯形结构，梯形结构中的底或腰可以是直线或曲线。

3.根据权利要求1所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述阴极杆【17】可以调节相对于阳极喷嘴【2】的前后位置。

4.根据权利要求1所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述阴极杆【17】为一个组装而成的整体部件，至少包括内侧管【21】、外侧钨管【20】和与上述两者共同连接的阴极空心支撑体；在阴极空心支撑体的一端还设置一个带通孔的内侧管【21】和外侧钨管【20】，内侧管【21】设置在与阴极空心支撑体的通孔上，外侧钨管【20】设置在阴极空心支撑体的一端的外表面上，内侧管与外侧钨管之间具有一定的间隙。

5.根据权利要求4所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述支撑体为导热与导电性良好的铜或铜合金材料，所述外侧钨管【20】的材料为放电性能良好且熔点高的钨或钨合金，钨合金如铈钨合金、钍钨合金。

6.根据权利要求1或4所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述内侧管【21】材料为金属或合金或陶瓷或金属陶瓷，其中的金属可以包括钨、钼、铁、铜、镍、钛、钒、铬、钴、钇、锰、锆、铌、钼、银、钽，合金可以包括上述一种或多种元素的合金，陶瓷可以包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物陶瓷，金属陶瓷可以包括上述金属或合金与陶瓷组成的复合体。

7.根据权利要求1或4所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述内侧管【21】材料与支撑杆相同时，内侧管【21】与阴极空心支撑体可以合二为一，为一个整体结构。

8.根据权利要求1或4所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述外侧钨管【20】的端面比内侧管【21】的端面高，内侧管【21】端面的内缩量保证电极工作时，电弧稳定地燃烧在外侧钨管【20】端面。

9.根据权利要求1或4所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述内侧管【21】的内孔直径可为1～3mm，壁厚可为1～2mm；外侧钨管【20】的内径可为3～6mm，壁厚可为3～5mm。

10.根据权利要求1、或2或3所述的空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，其特征在于，所述阳极喷嘴【2】上可以附加制作一个送粉孔，所述喷枪的前枪体【4】上可以附加安装一个送粉嘴，由此以内送粉和外送粉的方式实现另外一种粉末的送进，喷枪可以实现同时喷涂两种粉末，同理可以扩展到三种或三种以上粉末的同时喷涂。