CN2801808Y - 一种陶瓷粉末的喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可在基体材料表面制备高结合强度的耐磨、耐腐蚀及抗氧化的高熔点陶瓷涂层或陶瓷－金属复合涂层的装置。包括大电流发生装置和控制大电流发生装置触发放电的控制电路，关键是大电流发生装置接喷枪通孔一端的放电电极，喷枪的近封闭端设有一送料装置，喷枪的另一端为开口状。本实用新型的结构相当简单，产生的高速运动的陶瓷粉末与待涂覆的基体表面碰撞，在微粒与基体的碰撞界面产生几万以上大气压的压力。该压力已远远超过任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，导致基体材料与微粒材料形成冶金结合，结合强度大为提高，特别是能对陶瓷类非金属材料进行高强度的涂覆。

Description

一种陶瓷粉末的喷涂装置

技术领域：

本实用新型涉及一种粉末喷涂装置，特别是指一种可将高熔点陶瓷粉末喷涂在基体上的装置。

背景技术：

热喷涂技术即利用喷涂方法在工件表面制备一定厚度的涂层材料，从而获得基材不具备而又期望具有的性能与功能，它可显著提高材料表面的耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐磨性能，从而显著提高部件的使用寿命。

磨损、断裂和腐蚀是材料破坏的三种主要形式。由磨损造成的经济损失也是巨大的。在工业国家每年磨损带来的损失占到国民生产总值的2～8％，其中仅磨粒磨损造成的损失占到国民生产总值的1～4％，根据有关研究，设备的维护和修理的费用占到机器费用的30～50％。目前表面涂层技术的工艺过程根据沉积相的状态分为四类：气相沉积，液相沉积，熔融相沉积，固相沉积，这些常规的表面涂层技术都有各自的优势和局限性，制作的涂层的性能相差很大。提高涂层与基体的结合强度，在提高材料的磨损性方面，有着重要的意义。

传统的热喷涂技术如等离子喷涂和HVOF高速火焰喷涂等技术是目前成熟的技术，已在工程中得到广泛应用。但这些技术也有一些局限性，具体如下：(1)难以制备一些高熔点(2800-3830℃)的陶瓷涂层(或涂层性能不高)，如HfC、NbC、TaC、ZrC、ZrB、TiC、TiB₂、B₄C等(这些高熔点涂层对于延长一些在800-1500℃高温、腐蚀环境下工作的部件寿命具有十分重要的意义)。(2)涂层与基体主要为机械结合，涂层与基体的结合强度较低；例如用等离子喷涂B₄C涂层(用于核反应堆第一壁材料的涂层)，其结合强度为10-20MPa，且孔隙率较高，难以满足工程需要。另有就是利用电爆炸技术将金属或合金丝在大电流的作用下的电爆炸，使金属粉末与基体碰撞而形成涂层，该方法无法使非金属材料作为涂覆材料，因此如何能将非金属材料与基体达成良好的结合涂覆是目前的一个技术难题。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于公开一种可在基体材料表面制备高结合强度的耐磨、耐腐蚀及抗氧化的高熔点陶瓷涂层或陶瓷-金属复合涂层的装置。

实现本实用新型的发明目的的技术解决方案如下：包括大电流发生装置和控制大电流发生装置触发放电的控制电路，关键是大电流发生装置接喷枪通孔一端的放电电极，喷枪的近封闭端设有一送料装置，喷枪的另一端为开口状。

本实用新型利用送粉装置将待喷涂材料粉送入喷枪通孔内接近放电极的适当位置，控制电路触发大电流发生装置，在放电电极的两极上施加一个高电压，将电极间的空气介质击穿形成短路状态，通过一个瞬时的大电流，在电极间形成瞬间的放电，产生一个高温高压的等离子区域，该高温高压的等离子体对预置在喷枪内的陶瓷粉末进行加热，并推动粉末向前运动，根据实验结果，在喷枪内有相当程度的陶瓷粉末达到熔点以上的温度，并根据理论推算和实验测量，陶瓷粉末在喷枪出口端的出口速度可达1000～2000m/s。大电流发生装置在目前是成熟的现有技术，本实用新型的结构相当简单，产生的高速运动的陶瓷粉末与待涂覆的基体表面碰撞，在微粒与基体的碰撞界面产生几万以上大气压的压力。该压力已远远超过任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，导致基体材料与微粒材料形成冶金结合，结合强度大为提高，特别是能对陶瓷类非金属材料进行高强度的涂覆。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

图3为图1的B-B剖面结构示意图。

具体实施方式：

参见图1～图3，实现本实用新型的具体实施例如下：包括大电流发生装置1和控制大电流发生装置放电的控制电路，这一部分为现有技术，有成熟的电路可供选择，关键是大电流发生装置1接喷枪5通孔一端的放电电极，喷枪5的近封闭端有一送料装置2，该送料装置2可使待喷涂的陶瓷粉末9置入喷枪5的适当位置，实质上该送料装置2就是在喷枪5壁上有一送料孔和一可开启或关闭该孔的机构，在粉末9置入喷枪5后，关闭该送料孔，喷枪5的另一端为开口状；实际使用时，先将陶瓷粉末9置入喷枪5通孔内，触发电路使大电流发生装置1在电极的正负极产生高压，并使电极的正负极之间击穿呈短路状，并有大电流通过正负极，这实质就是产生大的电弧，亦可称为电爆炸，则在喷枪5的封闭端产生高温高速膨胀的等离子体，驱动电极前的粉末向前运动，同时对粉末进行加热，根据理论计算和实验测定，粉末可加速至1000～2000m/s，高温高速的粉末直接碰撞置于喷枪开口端的基体表面，高速碰撞又产生高温高压，使粉末与基体表面形成高强度的冶金结合。

上述的放电电极的结构是具两相对延伸的负极板3中间位置为正极4，正负极之间为绝缘材料，正负极端具尖端，由于正负极之间呈对称状，并且中间的正极4基本处于喷枪通孔的轴心位置，则产生的电爆炸基本为均匀对称，可保让对粉末的推动为一近似平面的驱动，使喷枪5端部的电爆炸可认为满足一维的活塞运动模型，则经计算可得粉末的平均速度为2000m/s左右。

上述的喷枪5为非导电材料，中心为通孔，一端与放电电极的负极板3为可拆式固定连接；因为放电电极在经过若干次高压大电流放电后会产生一定程度的烧蚀，会使涂层的精度产生一定的变化，电极与喷枪之间之可拆卸，则可根据烧蚀情况更换放电电极，这种可拆式连接的实现完全是现有技术，例如卡扣连接式或是螺纹连接式均可，则可保证多次涂覆的精度。

上述的大电流发生装置1的电容器组的高压端通过三极开关与放电电极的一个电极连接，低压端直接与放电电极的另一电极连接。

上述的喷枪5的开口端连接二级喷枪6，该二级喷枪6的结构为两平板状的电极夹持两块中间有一间距的非导电材料7(如三氧化二铝)，中间形成一条状的通孔10，两平板电极接另一独立的大电流发生装置8，大电流发生装置8接触发控制电路；大电流发生装置8的电容器组的高压端通过三电极开关与二级喷枪6的一个电极接触，低压端直接与二级喷枪另一电极连接；当在喷枪5中被加热的粉末运动至喷枪5与二级喷枪6的连接处时，控制电路触发大电流发生装置8对二级喷枪6的两电极施加高电压并击穿和通过一个大电流，形成包含部分陶瓷粉末的等离子导电通道(亦称等离子体电枢)向前运动。上下电极和等离子电枢分别受到电动力和Lorentz力的作用，在电磁力的作用下，等离子电枢向前加速运动。高温高压状的等离子体在向前高速运动的同时，快速加热其中的陶瓷粉末并推动其沿着二级喷枪6内的条状通道(即通孔10)高速运动，根据理论计算，可使陶瓷粉末在二级喷枪6出口处的速度达到3000m/s以上。

虽然粉末在一级喷枪5内可获得较高的速度，但由于粉末在一级喷枪加热的时间较短，在一级喷枪5内，仅有少于50％的粉末达到熔融状态。因此，粉末还需进入二级喷枪6内，继续被加热和加速。

二级喷枪6可按等离子电枢运动模型来分析等离子体的移动速度，设回路的电流方程为

I(t)＝I₀e^-βt sinωt

经计算，最后得推动粒子运动的等离子弧速度公式如下：

$v=\frac{C_2}{4C_1\mathrm{\β}}(1-e^{-2\mathrm{\βt}})-\frac{C_2\mathrm{\β}}{{4C}_1({\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\ω}}^2)}[1-(\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\β}}\sin 2\mathrm{\ωt})e^{-2\mathrm{\βt}}]$

其极限速度 $v^{*}=\frac{C_2}{4C_1\mathrm{\β}}=4.69\×{10}^{3}m/s$

计算实例：

         取d₀＝2cm＝0.02m，b＝2cm＝0.02m；

$I\left(t\right)={8.3e}^{-1.47\×{10}^{3}t},$

则： $C_1=\frac{m}{b}=\frac{0.1\×{10}^{-3}}{0.02}=5\×{10}^3$

$C_2=\frac{{\mathrm{\μI}}_0^2}{4\mathrm{\π}}\frac{b}{x(b-x)}={10}^{-7}\×{(8.3\×{10}^4)}^2\frac{0.02}{x(0.02-x)}=\frac{13.78}{x(0.02-x)}$

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{400\×{10}^{-6}}=1.57\×{10}^4$

若s＝0.36时，

取x＝0.001m时，t＝5.55×10^-4s，此时喷枪出口速度为：

v＝3.77×10⁴m/s，其极限速度 $v^{*}=\frac{C_2}{4C_1\mathrm{\β}}=4.69\×{10}^{3}m/s$

其中：d₀为等离子弧的直径；

m为等离子弧的质量或被喷涂粉末的质量；

b为两电极板间距；

c₁为单位长度的等离子弧的质量或单位长度的被喷涂粉末的质量；

t为等离子弧到达喷枪出口所需的时间；

x为等离子弧上任一点与一侧电极板的距离；

s为喷枪的长度；

$C_3=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\frac{b}{x(b-x)}={10}^{-7}\×\frac{0.02}{(0.02-x)}$

通过上述计算，粉末在二级喷枪6的出口速度达3000m/s～4000m/s，在本实施例中，与喷枪5连接的电流发生装置1的电压为5～6KV，电容器的储能值为15KJ，与二级喷枪6连接的电流发生装置8的电压为5～6KV，电容器的储能值为20KJ。

本发明的涂覆机理是电爆炸产生的高温等离子体加热高熔点陶瓷粉末、电磁力和高压气体推动粉末高速运动原理和高速碰撞冲击力学原理，高速飞行的涂层材料微粒碰撞基体的瞬时，在微粒与基体的碰撞界面产生几万至十几万大气压的压力，上述压力已远远超出任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，其力学性能已是流体性能，在质量扩散和冲击波后粒子的向前运动的作用下，可使基体表层数微米厚度的材料熔化，部分气化的喷涂材料以离子注入的方式扩散到基体表层约5～20微米深度的范围内。熔融陶瓷颗粒在基体表面沉积，由于基体的自激冷作用，基体表面的熔融颗粒以极高的速度快速冷却，从而形成具有超细晶组织的陶瓷涂层。

本实用新型每次喷涂的面积约2～3cm²，在同一喷涂表面可多次喷涂以增加涂层厚度，本实用新型可用于制备耐高温耐磨损涂层、热障涂层、耐高温氧化腐蚀涂层，可用于作为涂覆的粉末材料主要有(1)导电陶瓷粉末或合金粉末，如TiC、WC-Co、ZrC、TaC、B₄C、TiB₂、TiN、HfC、VC、Cr₃C₂、等；(2)其他不导电氧化物或碳化物陶瓷粉末，如ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃、CBN、Si₃N₄等；(3)陶瓷-合金复合粉末，如NiCr-Cr₂C₃、NiAl-TiC、ZrO₂-NiAl等；(4)难熔金属粉末，如W、Mo、Ta、Nb、Zr等。

Claims (10)

1.一种陶瓷粉末的喷涂装置，包括大电流发生装置(1)和控制大电流发生装置触发放电的控制电路，其特征在于大电流发生装置(1)接封闭喷枪(5)通孔一端的放电电极，喷枪(5)的近封闭端设有一送料装置(2)，喷枪(5)的另一端为开口状。

2.按权利要求1所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的放电电极的结构是具两相对延伸端的负极板(3)中间位置为正极(4)，正负极之间为绝缘材料，正负极端部具尖端状。

3.按权利要求2所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的喷枪(5)为非导电材料，其中心为通孔，一端与放电电极的负极板(3)活动连接。

4.按权利要求3所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的大电流发生装置(1)的电容器组的高压端通过三电极开关与放电电极的一个电极连接，低压端直接与喷枪的另一电极连接。

5.按权利要求1或2或3或4所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的喷枪(5)的开口端连接二级喷枪(6)。

6.按权利要求5所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的二级喷枪(6)的结构为两平板状电极夹持两块中间有一间距的非导电材料(7)，中间形成一条状通道，两平板状电极接另一独立的大电流发生装置(8)，大电流发生装置(8)接触发控制电路。

7.按权利要求6所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的大电流发生装置(8)的电容器组的高压端通过三电极开关与二级喷枪(6)的一个电极连接，低压端直接与二级喷枪的另一电极连接。

8.按权利要求7所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的二级喷枪(6)的电极表面为平面状或曲面状或尖端状。

9.按权利要求4所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述的大电流发生装置(1)的电压为5～6KV，电容器组的储能为15KJ。

10.按权利要求6或7或8所述的陶瓷粉末的喷涂装置，其特征在于所述二级喷枪(6)连接的大电流发生装置(8)的电压为5～6KV，电容器组的储能为20KJ。

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