[發明專利]一種低壓等離子噴涂用等離子噴槍

無效

• 申請號: 201010288490.1
• 申請日: 2010-09-19
• 公開（公告）號: CN101954324A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: 高陽
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: B05B5/08
• 分類號: B05B5/08;C23C4/12;H05H1/42
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李猛

技術領域

本發明涉及一種噴涂金屬、金屬氧化物或金屬碳化物的噴涂設備，尤其涉及一種等離子噴槍。

背景技術

等離子噴涂是利用電能將氬、氫或氦等混合氣體轉變為高溫等離子體并在陽極內形成等離子體射流，利用其高溫和高速等離子氣體流將金屬或金屬氧化物、金屬碳化物噴射到工件的表面，形成涂層的工藝方法。等離子體射流的溫度，速度和壓力的分布特性強烈地影響著注入等離子體中粉體顆粒的熔化程度，涂層的氣孔率和硬度。而噴槍外部等離子體溫度和速度分布情況不僅取決于等離子體發生器的結構特點，又與等離子體噴槍外部周圍環境壓力有關。在低壓環境壓力下，等離子體從噴槍噴出后，等離子體迅速膨脹，隨著周圍環境壓力的降低，等離子體密度降低，等離子體自由程增大。等離子體對粉體顆粒的傳熱方式通常根據Knudsen數(Kn)來加以劃分，該無量綱數定義為氣體粒子的平均自由程長度λ與粉體顆粒的特征尺度L之比，即Kn＝λ/L。大氣條件下等離子體密度較高，平均自由程長度λ小，因此Knudsen數較小，一般Kn＜＜1，此時等離子體與顆粒的傳熱可以認為是連續介質，等離子體對粉體顆粒加熱能力高，大氣等離子噴涂屬于這種。在低壓或超低壓條件，由于等離子體密度降低，平均自由程長度λ也相應增加，Kn＞＞1，此時，等離子體對粉體顆粒加熱能力急速降低，要采用非連續的處理方法研究等離子體與顆粒間的相互作用。

等離子噴涂可以采用在噴槍噴嘴外部送粉、從噴嘴內側送粉孔送粉和從陽極入口送粉三種形式。前兩種粉末被輸送到弧根之后的等離子體中，對等離子電弧特性影響很小；而陽極入口送粉方式是在弧根之前，對等離子體的電弧特性有影響。從噴涂的穩定性和噴槍設備的制作簡單性來講，外送粉有利。因此大多工業上的大氣等離子噴涂設備選擇這種方式。但是，低壓或超低壓條件下，由于噴槍外部Kn＞＞1，采用外送粉等離子噴涂方式，勢必要求等離子噴槍必須具有足夠大的功率，例如，Sulzer?Metco?AG超低壓等離子噴涂采用電流2500A，功率150kW的大功率等離子噴槍，這不僅造成電能的浪費，也會加速陰極和陽極電弧腐蝕。也有一些低壓等離子噴槍采用噴嘴內側送粉，例如美國專利5679167，5853815采用內側送粉噴槍，這種方式的送粉會提高粉末的沉積效率，但是由于噴嘴與陽極為同一體，并且外部噴嘴部分沒有水冷卻，限制了噴嘴不能太長。粉末注入位置離陽極出口較近。總之目前國內外低壓或超低壓等離子噴涂用的噴槍功率遠遠高于大氣條件下等離子噴涂功率，并且低壓等離子噴涂很難噴涂像氧化鋯這樣高熔點、低熱導率的材料。從陽極入口送粉這種方式的最大優點是粉末加熱好，并且噴涂中粉末的沉積效率高，缺點粉末容易在噴嘴內部堆積，造成涂層質量問題，商用等離子噴涂采用的比較少。發明者曾設計制作了內送粉等離子噴涂設備，中國實用新型專利ZL99243441.6和ZL?02251688.3，可以在輸入功率6-8kW，大氣條件下噴涂ZrO₂-8Y₂O₃粉體材料，并且沉積效率達50％以上，但是由于內部結構設計，不能適應低壓等離子噴涂。

發明內容

為解決現有內送粉等離子噴涂設備技術的不足，通過研究我們發現，在低壓環境壓力下，噴槍外部等離子射流的壓力在噴嘴出口后急速降低，而在噴嘴內部壓力卻高于噴槍外部，在噴嘴內部屬于Kn＜1，表明等離子體對粉體的加熱能力高。根據噴嘴內部壓力高這一原理，設計將粉體送入噴嘴入口，在高壓噴嘴內部，將粉體的熔化率控制在60％左右，在噴嘴出口進一步加熱達到完全熔化和部分蒸發。這樣可在不增加等離子噴槍功率和進氣體流量的情況下完成對粉體顆粒的加熱。即設計了一種低壓等離子噴涂用等離子噴槍，通過改變噴嘴內部尺寸，形狀，控制等離子體在噴嘴內部壓力，控制粉體熔化狀態，達到在適當的輸入功率下，實現低壓或超低壓條件下等離子噴涂。

本發明的技術解決方案是這樣實現的：

一種低壓等離子噴涂用等離子噴槍，包括槍體、陰極、陽極和噴嘴，直流電源的正極連接在陽極上，直流電源的負極則連接陰極上，所述的槍體中設有圓錐形頭部的棒狀陰極，陰極前面沿軸線方向設置圓筒狀陽極，陽極入口設置氣體均勻分布環、陽極出口設置內部壓縮形狀噴嘴，噴嘴的內徑從入口到出口逐漸變大，噴涂材料粉體送粉口在噴嘴出口內側，高溫等離子射流將粉體加熱熔化由噴嘴噴出。