CN2494710Y - 多功能超音速火焰喷涂喷枪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种多功能超音速火焰喷涂喷枪,特征在于:采用四段两腔式,由燃烧室头部壳体、燃烧室、送粉段、加长喷管构成四段;燃烧室、燃烧室外壳、送粉段及加长喷管、加长喷管外壁分别构成燃气、冷却水两腔;入、回水嘴设计在燃烧室外壳上,且回水嘴通过软管与加长喷管外壁上的回水嘴相接。用本实用新型制备的涂层性能优异,具有很高的性能价格比。将广泛应用在耐磨、抗烧蚀等场合,特别是航空航天、电力、钢铁、化工、汽车等领域。
Description
本实用新型属于热喷涂技术领域，涉及一种多功能超音速火焰喷涂喷枪。
超音速火焰喷涂(HVOF)技术于1982年开发成功，1985年在工业中得到应用，由于HVOF涂层结合强度高，孔隙率低，涂层硬度高，残余应力低，在工业中得到广泛地应用，已成为热喷涂中一种非常重要的喷涂工艺。在HVOF喷涂系统中，最重要的设备是喷枪，喷枪的设计水平决定整个系统的性能。在本实用新型以前的现有技术中，有多种超音速火焰喷涂喷枪，并经历了三个发展阶段。第一代的HVOF喷涂枪以“Jet-Kote”喷枪为代表，氧气和燃气在燃烧室(垂直手柄)中燃烧，高温气体(约2800℃)通过一定角度的环形分布的内孔到达枪筒。粉末沿轴向送进枪筒内孔中心，高温气体在此处加热粉末并将其加速喷出枪筒。燃烧室和枪筒都采用水冷。粉末粒子的速度和温度可达到450m/s和2000℃以上。第二代超音速火焰喷涂喷枪以1989年出现的Dimaond Jet、Top-Gun和CDS为代表。1989年Dimaond Jet喷枪由美国METCO公司研制成功，它是压缩空气冷却、无燃烧室、采用收缩喉管燃烧方式的一种与火焰丝材喷枪结构类似的高速火焰喷枪。由于无燃烧室和采用高压气体冷却枪筒，使粉末粒子的加热加速受到影响，而且空气中氧的吸入会增加涂层的氧化而影响涂层质量；Top-Gun喷枪，已有改进型HV-2000，除可以使用高压燃气外，还可以使用压力较低的乙炔气体，火焰温度较高，实现了高熔点材料如氧化物陶瓷、难熔金属钼等的喷涂；CDS称为连续爆炸喷涂，是利用燃气与氧气燃烧后产生的爆震波加热加速粉末粒子，实现喷涂的一种喷枪，可使用热值高的燃气，获得高的粒子温度和速度；DJ1000喷枪可获得粒子速度约为400-450m/s，温度2000℃左右，Top-Gun喷枪获得的粒子速度和温度随着喷枪结构和燃气的不同，分别在300-450m/s和2000-2500℃范围内变化，CDS喷枪获得的粒子速度约为400-500m/s，粒子的温度可达2500℃左右。第一、第二代喷枪的喷涂功率约为80KW，送粉量为2.1-3.0Kg/h，且其性能基本类似。第三代HVOF喷涂系统以1992年研制成功的JP-5000型喷枪开始，从1993年到1995年出现了数种HVOF喷涂系统，典型的有：Diamond Jet2600、DJ2700、USOCardide Jet和Top Gun等，第三代HVOF喷涂系统，由于火焰功率达到100-200KW，可实现高效率的喷涂，其喷涂速率达到6-8Kg/h，为其它轴向送粉的2倍。同时，粒子的速度可达600-650m/s，由于高的粒子速度可使涂层中产生压应力，可制备较厚的涂层。HVOF最适宜喷涂的材料是碳化物基粉，制备的涂层有很好的耐磨、抗冲蚀性能，在工业中得到了广泛地应用。
现有的三代HVOF喷枪中，第一、二代喷枪的功率偏小，送粉量受到限制，约为3Kg/h，导致涂层的沉积速率低；粒子速度较低，只有400-500m/s左右，导致涂层的整体性能较低，结合强度低，孔隙率偏高，限制了它们的应用。第三代喷枪在设计上有很大的改进，粒子速度高，涂层质量优越，结合强度高，可达90Mpa以上，孔隙率低，约为1％左右，涂层硬度高，可达HV1490。然而，第三代喷枪在喷涂HVOF最具应用价值的WC金属陶瓷涂层时，喷涂粒子处于高温焰流中，很难避免WC的分解，对喷涂工艺参数要求很严格，否则，导致过分脱碳，降低涂层的性能。而且，HVOF喷涂一些金属和合金粉末时，涂层质量并不是很优越，喷涂某些氧化物粉时，涂层质量不高。
针对上述超音速火焰喷涂的现有技术状况和不足，本发明的目的在于：设计一种新的多功能喷枪，使之既具备第三代HVOF喷枪涂层质量高，结合强度高，孔隙率低，涂层硬度高，送粉量大等优点，又克服喷涂WC金属陶瓷粉末时的分解脱碳难题，同时在喷涂金属、合金粉和氧化物陶瓷时具备良好的涂层性能。
现将本实用新型技术解决方案叙述如下：
本实用新型的工作原理是这样的：利用煤油为燃料，氧气和压缩空气为助燃剂，将煤油和氧气(压缩空气，或氧气与压缩空气的混合气)经高性能雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室，混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，通过拉伐尔喷嘴将高温高压的燃气加速到超音速，喷涂粉末从拉伐尔喷嘴的负压区送入射流，经射流加温加速后从喷枪喷出，以超音速的速度沉积到工件表面形成涂层。本实用新型的的关键是通过火焰喷涂喷枪的结构及结构参数的设计使高温高压的燃气达到超音速，从而达到喷涂粉末的加热和加速，避免WC金属陶瓷粉末的分解脱碳，制备高性能的金属涂层，合金涂层和陶瓷涂层。喷枪的工作参数在两个不同喷涂状态之间可调，喷涂状态分别是煤油与氧气喷涂状态，煤油与压缩空气喷涂状态。
煤油与氧气喷涂状态设计参数为：
燃烧室压力：0.9Mpa；氧气压力：1.4Mpa
氧气流量：24g/s
煤油压力：1.5Mpa
煤油流量：8g/s
煤油与压缩空气喷涂状态为：
燃烧室压力：0.6Mpa
压缩空气压力：0.8Mpa
压缩空气流量：24g/s
煤油压力：1.5Mpa
煤油流量：2g/s
确定工作状态后，经理论计算，设计出高性能射流雾化喷嘴，燃烧室和拉伐尔喷咀的特征尺寸，再进行结构设计，最后优化设计出多功能超音速火焰喷涂喷枪。
本实用新型多功能超音速火焰喷涂喷枪具有燃烧室、冷却管路和送粉嘴，其特征在于：在结构上采用四段两腔式，由燃烧室头部壳体(3)、燃烧室(11)、送粉段(15)、加长喷管(21)构成四段，段与段之间用压紧螺帽连接；燃烧头部壳体(3)上设计有射流雾化喷咀(1)、油接管咀(28)和火花塞(4)；燃烧室(11)的另一端为呈陡然缩扩形的拉伐尔喷管喉部段，通过送粉段(15)与加长喷管(21)相连；送粉段(15)上装有两个径向送粉咀(24)；燃烧室(11)、燃烧室外壳(9)、送粉段(15)及加长喷管(21)、加长喷管外壁(17)分别构成燃气、冷却水两腔，腔与腔之间用密封圈、密封垫相互密封，入、回水咀(6)、(8、(10)设计在燃烧室外壳(9)上，且回水咀(10)通过软管与加长喷管外壁(17)上的出水咀(18)相接；燃烧室(11)的喉部直径6.8mm，喉部扩张直径9.36mm。
现将本实用新型附图说明如下：
图1：本实用新型多功能超音速火焰喷涂喷枪结构剖视图
最佳实施例如附图1所示。由该图可知，喷枪包括28种结构部件，其中(1)射流雾化喷咀(2)、(13)、(14)、(22)、(23)、(25)、(26)密封圈(3)头部壳体(4)火花塞(5)压紧螺帽(6)入水咀(7)、(19)、(20)、(27)密封垫(8)回水咀(9)燃烧室外壳(10)回水咀接头(11)燃烧室(15)送粉段(16)压紧螺帽(17)加长管外壁(18)回水咀接头(21)加长管(24)送粉嘴(28)油接管咀
喷枪结构科学合理，装拆方便，易于维护保养。最佳实施例的工作过程为：氧气(或空气，氧气与空气的混合气体)与煤油从燃烧室的头部壳体(3)经各自的接管咀进入射流雾化喷嘴(1)，经雾化混合后喷入燃烧室(11)，火花塞(4)点火燃烧后，将喷枪的工作参数调整到所需工况，在燃烧室(11)内形成高温高压燃气，经拉伐尔喷嘴加速到超音速，喷涂粉末从拉伐尔喷咀后端的负压区送入射流，加温加速后从喷枪喷出，高速喷向工件沉积形成涂层。冷却水从喷枪头部进入冷却腔，冷却喷枪内壁后从喷枪前端流出喷枪。
多功能超音速火焰喷枪有如下优点：
1、喷枪性能好，通过调整超音速焰流的速度和温度，制备的涂层性能优异，不但具备第三代超音速火焰喷枪的优点，还克服了它喷涂WC金属陶瓷涂层时分解脱碳难题，大大降低了脱碳比例。制备的金属、合金和氧化物陶瓷涂层性能也相当优异。
2、喷枪采用了专门设计的射流雾化喷嘴，雾化效果好，燃烧充分，不结焦，不回火，有效地保证了涂层的质量。
3、点火系统安全可靠。
4、采用径向送粉方式，送粉点位置选择合理，送粉均匀，效率高。
5、喷枪结构设计外表美观，简单新颖，拆装方便，易于维护保养。
用多功能超音速火焰喷枪制备的涂层性能优异，且可制备多种高质量涂层，使用煤油为燃料，氧气、压缩空气为助燃剂，与其它超音速火焰喷涂相比，燃料助燃剂价格低廉，具有很高的性能价格比。将广泛应用在耐磨、抗烧蚀、抗冲蚀、耐热等场合，特别是航空航天、电力、钢铁、化工、汽车等领域。
Claims (2)
1、一种多功能超音速火焰喷涂喷枪，具有燃烧室、冷却管路和送粉咀，其特征在于：在结构上采用四段两腔式，由燃烧室头部壳体、燃烧室、送粉段、加长喷管构成四段；燃烧室头部壳体上设计有射流雾化喷咀、油接管咀和火花塞；燃烧室的另一端为呈陡然缩扩形的拉伐尔喷管喉部段，与送粉段相连，送粉段与加长喷管相连；送粉段上装有两个径向送粉咀；燃烧室、燃烧室外壳、送粉段及加长喷管、加长喷管外壁分别构成燃气、冷却水两腔；入、回水咀设计在燃烧室外壳上，且回水咀通过软管与加长喷管外壁上的回水咀相接。
2、根据权利要求1所述的多功能超音速火焰喷涂喷枪，其特征在于：段与段之间用压紧螺帽连接；腔与腔之间用密封圈、密封垫相互密封；燃烧室的拉伐尔喷管喉部直径6.8mm，喉部扩张直径9.36mm。
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2001
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