CN210474360U - 一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪 - Google Patents
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Abstract
一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，包括：后电极座、增强尼龙套、后电极、前电极、壳体、磁场线圈、喷管后段和喷管前段；后电极座、后电极、前电极、喷管后段和喷管前段依次同轴配合布置，增强尼龙套和壳体从内向外与后电极座同轴布置，磁场线圈同轴缠绕在前电极的前部，后电极为热阴极型电极，前电极和喷管为分体式结构，后电极座前部侧壁开有切向声速喷嘴。本实用新型能够提高电极的使用寿命，降低阳极使用成本，喷涂枪最大功率达到250kW，提高了喷涂效率。
Description
技术领域
本实用新型属于电弧等离子涂层制备领域，涉及一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪。
背景技术
离子喷涂技术是采用刚性非转移等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。该技术因其制备的涂层质量好、结合强度高、涂层种类多以及对基体影响小等优点而得到广泛应用。
等离子喷涂按照喷涂气流速度可分为亚声速等离子喷涂和超声速等离子喷涂。相较与亚声速等离子喷涂，超声速等离子喷涂条件下气流速度更快，携带喷涂颗粒达到更高的速度，到达基体表面后扁平化效果更好，使涂层中颗粒之间的连接更加紧密，从而减小了涂层孔隙率，增大了涂层的结合强度，因此超声速等离子喷涂技术越来越成为热喷涂技术的重点发展方向之一。
超声速等离子喷涂枪是超声速等离子喷涂系统的核心设备，依靠其电热转换，实现气体的高温和高速。由于要使等离子体气流达到超声速条件，需要使喷涂枪产生足够的能量和弧室压力，但随着弧室压力的增加，热流密度增加，对喷涂枪各部分的结构、冷却、材料、电弧的控制等方面提出了更高的要求。现有超声速等离子喷涂枪阴极放电区多为尖锥形，阳极为拉瓦尔喷管，该结构的超声速等离子喷涂枪易出现阴极锥头烧损较快，寿命较短的问题，同时阳极作为损耗性结构，随着阳极的不断烧损，使得喷管的型面发生变化，易出现超声速气流干扰或喷管内产生激波等问题，与此同时，阳极的加工过程中需要对复杂的喷管型面进行成形，使得阳极的制造和使用成本上升。基于以上条件的限制，喷涂枪的功率基本都控制在百千瓦以下，喷涂效率也受到一定的限制。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，后电极为热阴极，提高电极的使用寿命，降低阳极使用成本，喷涂枪最大功率达到250kW，提高喷涂效率。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，包括：后电极座、增强尼龙套、后电极、前电极、壳体、磁场线圈、喷管后段和喷管前段；
后电极座、增强尼龙套、前电极、喷管后段和喷管前段依次同轴配合布置，所述前电极上靠近喷管后段部分的圆筒结构外壁上缠绕多匝磁场线圈，壳体套装在所述增强尼龙套和所述前电极的外部，所述后电极座朝向所述前电极一侧的端面上设置有后电极，所述前电极和所述后电极之间不接触；所述磁场线圈连接外部供电电源；所述前电极和所述后电极连接外部喷涂枪直流电电源；
所述增强尼龙套、前电极、壳体、喷管后段和喷管前段内部均设置有周向均布的冷却水环路，所述冷却水环路的入口沿径向设置在壳体与前电极套装的圆柱段上，所述冷却水环路的出口沿轴向设置在所述后电极座上；
所述增强尼龙套内部设置工作介质通道，所述后电极座侧壁切向开有作为声速喷嘴的通孔，所述前电极内部设置有中心通孔，所述喷管后段内部沿轴线方向设置有阶梯通孔，所述工作介质通道、声速喷嘴、前电极内部的中心通孔、喷管后段内部的阶梯通孔依次连通；所述喷管后段还设置有与喷管后段内部的阶梯孔相连通的粉末通道，所述粉末通道为通孔结构，所述粉末通道的轴线与喷管后段的轴线相交；
所述后电极座与增强尼龙套之间间隙配合且能够以后电极座的轴线为转动轴旋转，所述增强尼龙套与壳体之间间隙配合且能够以壳体的轴线为转动轴旋转；所述前电极与壳体之间间隙配合且能够以壳体的轴线为转动轴旋转；
所述壳体与所述喷管后段之间通过法兰结构固定连接；所述喷管后段与所述喷管前段焊接成一体。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
1)本实用新型的后电极放电区域为柱状端面而不是尖端，增加了弧根在后电极上的烧蚀面积，同时通过切向声速喷嘴进入的气体沿圆柱状后电极外围旋转通过，使得弧根在后电极端面上旋转，提高了烧损区域的均匀性，利于提高后电极的使用寿命；
2)本实用新型同轴缠绕在前电极的前部的磁场线圈对电弧进行磁约束的同时加速了弧根在前电极上的旋转，与气旋稳弧共同作用，增加了前电极烧损面积，提高了前电极的使用寿命；
3)本实用新型前电极和喷管为分体式结构，使作为消耗性结构的前电极气流通道形状更为简单，降低了加工难度和使用成本，同时前电极轴向长度保证弧根始终落在前电极上而不会落在喷管上对型面产生烧损，因此喷管作为独立结构仅起到加速气流的作用而不是消耗性电极的一部分，降低了对其材料的要求；
4)本实用新型可实现在喷管扩张段进粉，提高了喷涂粉末在高温等离子体焰流内的时间和行程，可以强化粉末的熔化，提高粉末的速度，对于提升制备的涂层的性能具有积极的作用，同时可有效避免喷管喉道区域的粉末粘结和堵塞。
附图说明
图1为本实用新型装置的示意图；
图2为图1中A-A剖面示意图；
图3为图1中B-B剖面示意图；
图4为图1中C-C剖面示意图。
具体实施方式
本实用新型一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，如图1所示包括：后电极座1、增强尼龙套2、后电极3、前电极4、壳体5、磁场线圈6、喷管后段7和喷管前段8。后电极座1、增强尼龙套2、前电极4、喷管后段7和喷管前段8从左到右依次同轴配合布置，前电极4上靠近喷管后段7部分的圆筒结构外壁上缠绕多匝磁场线圈6，对电弧进行磁约束，同时加速弧根在前电极上的旋转，增加前电极烧损面积，提高前电极使用寿命。具体磁场线圈6的缠绕匝数为5～15匝；所述磁场线圈6到前电极4和喷管后段7连接面的最远距离不超过所述前电极4轴向长度的1/3。壳体5套装在所述增强尼龙套2和所述前电极4的外部，所述后电极座1朝向所述前电极4一侧的端面上设置有后电极3，所述前电极4和所述后电极3之间不接触；即前电极4和所述后电极3之间保留间隙，所述间隙距离的取值范围为2-5mm。所述磁场线圈6连接外部供电电源；所述前电极4和所述后电极3连接外部喷涂枪直流电电源；喷涂枪直流电电源电流的取值范围为100～1000A。
所述增强尼龙套2、前电极4、壳体5、喷管后段7和喷管前段8内部均设置有周向均布的冷却水环路，所述冷却水环路的入口沿径向设置在壳体5与前电极4套装的圆柱段上，所述冷却水环路的出口沿轴向设置在所述后电极座1上；
所述增强尼龙套2内部设置工作介质通道，所述后电极座1侧壁切向开有作为声速喷嘴的通孔，用于控制气体流量，根据气体特性，通过上游供气压力即可实现工作气体进气量的计算和控制，同时该结构有利于弧室内压力的稳定，防止弧室内压力波动向上游传播。所述前电极4内部设置有中心通孔，所述喷管后段7内部沿轴线方向设置有阶梯通孔，所述工作介质通道、声速喷嘴、前电极4内部的中心通孔、喷管后段7内部的阶梯通孔依次连通；所述喷管后段7还设置有与喷管后段7内部的阶梯孔相连通的粉末通道，所述粉末通道为通孔结构，所述粉末通道的轴线与喷管后段7的轴线相交；所述粉末通道的轴线与喷管后段7的轴线的夹角取值范围为80°～90°，所述粉末通道出口方向与工作介质的流向相同。
所述后电极座1与增强尼龙套2之间间隙配合且能够以后电极座1的轴线为转动轴旋转，所述增强尼龙套2与壳体5之间间隙配合且能够以壳体5的轴线为转动轴旋转；所述前电极4与壳体5之间间隙配合且能够以壳体5的轴线为转动轴旋转；
所述壳体5与所述喷管后段7之间通过法兰结构固定连接；所述喷管后段7与所述喷管前段8焊接成一体。
如图2所示，后电极座1为开有轴向中心通孔的圆柱结构，后电极座1朝向所述前电极4的一端作为所述后电极座1的前端，后电极座1的另一端作为所述后电极座1的后端；所述后电极座1的前端还开有沉孔，所述沉孔的孔径大于后电极座1所述中心通孔的孔径。后电极3为阶梯轴，所述阶梯轴包括小端圆柱和大端圆柱，所述小端圆柱从所述后电极座1的前端插入所述后电极座1的中心通孔内，所述小端圆柱的外径与所述后电极座1的中心通孔的孔径配合，所述大端圆柱朝向所述前电极4，所述小端圆柱的端面设置有圆锥结构；所述大端圆柱的外径小于后电极3所述沉孔的孔径；所述后电极3材料为电子逸出功低于10eV的金属或合金。
结合图1和图3所示，声速喷嘴位于所述后电极座1的沉孔段，n个声速喷嘴周向均布，所述声速喷嘴直径的取值范围为0.5～2mm，n的取值范围为2～6。
如图2所示，后电极座1与所述增强尼龙套2接触的外壁上开有环形凹槽，所述后电极座1沿径向方向开有多个通孔，所述后电极座1沿径向方向的多个通孔使所述环形凹槽和后电极座1的中心通孔连通作为冷却水环路；
所述后电极3小端圆柱的截面积A1＝(I/n1)2，其中，I为喷涂枪直流电电源的电流，即后电极3和前电极4之间的电流值，n1的取值范围为60～90；所述后电极3为热阴极型电极。
如图2所示，增强尼龙套2沿径向方向开有多个作为冷却水环路的通孔，所述通孔的开孔位置与所述后电极座1外壁上环形凹槽的位置对应。增强尼龙套2还开有作为工作介质通道的通孔，所述工作介质通道的一端作为工作介质的入口，所述工作介质通道的另一端连通所述后电极座1的声速喷嘴。
如图3所示，壳体5为开有阶梯通孔的圆柱结构，所述壳体5的筒壁内周向均布有作为冷却水环路的管路，管路的一端作为出水口连接增强尼龙套2内的冷却水环路，管路的另一端作为入水口连接喷管后段7内的冷却水环路。
前电极4中心通孔截面积A2＝I/n2，其中，I为喷涂枪直流电电源的电流，n2的取值范围为5～10，所述前电极4的中心通孔的轴向长度为
n3的取值范围为6～8；
所述前电极4为圆筒结构，所述圆筒壁内设置有周向均布的冷却水环路，所述前电极4冷却水环路的一端作为冷却水入口，所述冷却水入口通过在壳体5壁开孔连接外部冷却水管路，所述前电极4冷却水环路的另一端与所述喷管后段7内部的冷却水环路连通。
所述喷管后段7为开有阶梯通孔的圆柱结构，所述阶梯通孔包括依次相连的第一锥孔，圆孔和第二锥孔；所述第一锥孔的轴向长度小于所述第二锥孔的轴向长度，且所述第一锥孔的锥度大于所述第二锥孔的的锥度；所述第一锥孔的小径端朝向所述第二锥孔的小径端，即所述第一锥孔的开孔方向与所述第二锥孔的开孔方向相反；如图1、图4所示，所述喷管后段7内的冷却水环路包括流入管路段、流出管路段，所述流入管路段的一端与所述前电极4的冷却水环路连通，所述流出管路段的一端与所述壳体5的冷却水环路连通；所述喷管前段8内的冷却水环路使所述喷管后段7内的流入管路段与流出管路段连通。
喷管后段7圆孔段轴线长度的取值范围为1～3mm；所述第一锥孔的大径端与所述前电极4中心通孔尺寸配合，所述第二锥孔的大径端截面积与第二锥孔的小径端截面积的比值的取值范围为1.05～4.2：1；所述第二锥孔的孔壁上开有粉末通道。
本实用新型可以实现喷涂枪最大功率为250kW，工作原理如下：在后电极3和前电极4间产生电弧，从后电极座1切向声速喷嘴进入的气体经过电弧发生离解和电离，形成高温等离子体气流，气流经过喷管前段7的锥形收缩-短直段-锥形扩张型面后达到超音速，拟喷涂的涂层材料粉末从扩张段进入，与高温的超声速等离子气流混合，被加热熔化和加速。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知常识。
Claims (10)
1.一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于，包括：后电极座(1)、增强尼龙套(2)、后电极(3)、前电极(4)、壳体(5)、磁场线圈(6)、喷管后段(7)和喷管前段(8)；
后电极座(1)、增强尼龙套(2)、前电极(4)、喷管后段(7)和喷管前段(8)依次同轴配合布置，所述前电极(4)上靠近喷管后段(7)部分的圆筒结构外壁上缠绕多匝磁场线圈(6)，壳体(5)套装在所述增强尼龙套(2)和所述前电极(4)的外部，所述后电极座(1)朝向所述前电极(4)一侧的端面上设置有后电极(3)，所述前电极(4)和所述后电极(3)之间不接触；所述磁场线圈(6)连接外部供电电源；所述前电极(4)和所述后电极(3)连接外部喷涂枪直流电电源；
所述增强尼龙套(2)、前电极(4)、壳体(5)、喷管后段(7)和喷管前段(8)内部均设置有周向均布的冷却水环路，所述冷却水环路的入口沿径向设置在壳体(5)与前电极(4)套装的圆柱段上，所述冷却水环路的出口沿轴向设置在所述后电极座(1)上；
所述增强尼龙套(2)内部设置工作介质通道，所述后电极座(1)侧壁切向开有作为声速喷嘴的通孔，所述前电极(4)内部设置有中心通孔，所述喷管后段(7)内部沿轴线方向设置有阶梯通孔，所述工作介质通道、声速喷嘴、前电极(4)内部的中心通孔、喷管后段(7)内部的阶梯通孔依次连通；所述喷管后段(7)还设置有与喷管后段(7)内部的阶梯孔相连通的粉末通道，所述粉末通道为通孔结构，所述粉末通道的轴线与喷管后段(7)的轴线相交；
所述后电极座(1)与增强尼龙套(2)之间间隙配合且能够以后电极座(1) 的轴线为转动轴旋转，所述增强尼龙套(2)与壳体(5)之间间隙配合且能够以壳体(5)的轴线为转动轴旋转；所述前电极(4)与壳体(5)之间间隙配合且能够以壳体(5)的轴线为转动轴旋转；
所述壳体(5)与所述喷管后段(7)之间通过法兰结构固定连接；所述喷管后段(7)与所述喷管前段(8)焊接成一体。
2.根据权利要求1所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述粉末通道的轴线与喷管后段(7)的轴线的夹角取值范围为80°～90°，所述粉末通道出口方向与工作介质的流向相同。
3.根据权利要求1所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：
所述后电极座(1)为开有轴向中心通孔的圆柱结构，后电极座(1)朝向所述前电极(4)的一端作为所述后电极座(1)的前端，后电极座(1)的另一端作为所述后电极座(1)的后端；所述后电极座(1)的前端还开有沉孔，所述沉孔的孔径大于后电极座(1)所述中心通孔的孔径；
所述后电极(3)为阶梯轴，所述阶梯轴包括小端圆柱和大端圆柱，所述小端圆柱从所述后电极座(1)的前端插入所述后电极座(1)的中心通孔内，所述小端圆柱的外径与所述后电极座(1)的中心通孔的孔径配合，所述小端圆柱的端面设置有圆锥结构；所述大端圆柱的外径小于后电极(3)所述沉孔的孔径；
所述声速喷嘴位于所述后电极座(1)的沉孔段，n个声速喷嘴周向均布，所述声速喷嘴直径的取值范围为0.5～2mm，n的取值范围为2～6；
所述后电极座(1)与所述增强尼龙套(2)接触的外壁上开有环形凹槽，所述后电极座(1)沿径向方向开有多个通孔，所述后电极座(1)沿径向方向的多个通孔使所述环形凹槽和后电极座(1)的中心通孔连通作为冷却水环路；
所述后电极(3)小端圆柱的截面积A1＝(I/n1)2，其中，I为喷涂枪直流电电源的电流，n1的取值范围为60～90；所述后电极(3)为热阴极型电极。
4.根据权利要求3所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述增强尼龙套(2)沿径向方向开有多个作为冷却水环路的通孔，所述通孔的开孔位置与所述后电极座(1)外壁上环形凹槽的位置对应；
所述增强尼龙套(2)还开有作为工作介质通道的通孔，所述工作介质通道的一端作为工作介质的入口，所述工作介质通道的另一端连通所述后电极座(1)的声速喷嘴。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述壳体(5)为开有阶梯通孔的圆柱结构，所述壳体(5)的筒壁内周向均布有作为冷却水环路的管路，管路的一端作为出水口连接增强尼龙套(2)内的冷却水环路，管路的另一端作为入水口连接喷管后段(7)内的冷却水环路。
6.根据权利要求5所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：
所述前电极(4)中心通孔截面积A2＝I/n2，其中，I为喷涂枪直流电电源的电流，n2的取值范围为5～10，所述前电极(4)的中心通孔的轴向长度为
n3的取值范围为6～8；
所述前电极(4)为圆筒结构，所述圆筒壁内设置有周向均布的冷却水环路，所述前电极(4)冷却水环路的一端作为冷却水入口，所述冷却水入口通过在壳体(5)壁开孔连接外部冷却水管路，所述前电极(4)冷却水环路的另一端与所述喷管后段(7)内部的冷却水环路连通；
所述磁场线圈(6)到前电极(4)和喷管后段(7)连接面的最远距离不超过所述前电极(4)轴向长度的1/3。
7.根据权利要求6所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述磁场线圈(6)的缠绕匝数为5～15匝；
所述喷涂枪直流电电源电流的取值范围为100～1000A。
8.根据权利要求7所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述喷管后段(7)为开有阶梯通孔的圆柱结构，所述阶梯通孔包括依次相连的第一锥孔，圆孔和第二锥孔；所述第一锥孔的轴向长度小于所述第二锥孔的轴向长度，且所述第一锥孔的锥度大于所述第二锥孔的锥度；所述第一锥孔的小径端朝向所述第二锥孔的小径端；
所述喷管后段(7)内的冷却水环路包括流入管路段、流出管路段，所述流入管路段的一端与所述前电极(4)的冷却水环路连通，所述流出管路段的一端与所述壳体(5)的冷却水环路连通；
所述喷管前段(8)内的冷却水环路使所述喷管后段(7)内的流入管路段与流出管路段连通。
9.根据权利要求8所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述喷管后段(7)圆孔段轴线长度的取值范围为1～3mm；
所述第一锥孔的大径端与所述前电极(4)中心通孔尺寸配合，所述第二锥孔的大径端截面积与第二锥孔的小径端截面积的比值的取值范围为1.05～4.2：1；
所述第二锥孔的孔壁上开有粉末通道。
10.根据权利要求9所述的一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪，其特征在于：所述前电极(4)和所述后电极(3)之间保留间隙，所述间隙距离的取值范围为2-5mm。
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2019
- 2019-05-31 CN CN201920820723.4U patent/CN210474360U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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|---|---|---|---|---|
| CN110302909A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-10-08 | 中国航天空气动力技术研究院 | 一种大功率热阴极超声速等离子喷涂枪 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200508 Effective date of abandoning: 20240315 |
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