[發明專利]一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法

有效

• 申請號: 201410690649.0
• 申請日: 2014-11-25
• 公開（公告）號: CN104404437A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 李長久;李成新;楊冠軍;陳清宇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C23C4/12
• 分類號: C23C4/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

【技術領域】

本發明涉及噴涂技術領域，特別涉及一種等離子噴涂方法。

【背景技術】

大氣等離子噴涂或簡寫為APS技術具有高射流溫度、低成本、快速沉積涂層的特性，成為制備YSZ熱脹涂層常用的方法。該方法制備的涂層具有以扁平粒子組成的層狀結構。扁平粒子間存在孔隙及裂紋，在大幅度提高涂層隔熱性能的同時，降低了其抗熱震性能。在溫度變化頻率不大的陸基燃氣輪機領域具有較多的應用。

電子束物理氣相沉積或簡寫為EB-PVD是一種制備柱狀YSZ涂層的方法。采用此種方法能夠制備得到結構規整，抗熱震性能優良的柱狀YSZ層。但是采用EB-PVD法設備投入成本高，且制備涂層所用的周期較長，而且涂層的隔熱性能低于APS制備的涂層。在溫度變化頻率極高的航空發動機上具有較多的應用。

Sulzer-Metco公司在傳統低壓等離子噴涂的基礎上，通過大幅度提高等離子系統功率達到180kW，在小于200Pa的工作壓力下，氣化YSZ粉末，實現物理氣相沉積，即為PS-PVD技術。此技術能夠在短時間內制備得到一定厚度的柱狀結構YSZ涂層，對EB-PVD制備周期長的缺點具有較好的優化。同時，它改變了傳統等離子噴涂或低壓等離子噴涂只能制備層狀結構涂層的局限。但整個系統包括超大功率等離子噴涂設備、真空抽濾設備、真空下運行的機械手，其投入成本同樣很高，一般的研究機構很難承受。

相對于超大功率的等離子噴涂系統，常規低功率(80kW)的等離子噴涂系統也能夠在500Pa以下操作，并實現PS-PVD工藝。由于在非常低的壓力下，等離子射流在噴槍出口處會迅速的發生膨脹，從而使等離子射流的能量發生擴散，中心區域的溫度降低。從而使等離子射流對陶瓷粉末的加熱能力降低，使射流中存在未氣化的液滴。很難達到制備柱狀結構陶瓷涂層的要求。如何利用現有的設備實現PS-PVD，并大幅度提高等離子射流對粉末的加熱程度，并制備柱狀結構陶瓷涂層是現在面臨的難題。

【發明內容】

本發明的目的在于提供一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，以解決常規等離子噴涂系統難以在PS-PVD工藝條件下大幅度氣化YSZ粉末的問題；本發明方法能夠大幅度提高等離子射流中粉末的氣化程度，并且工藝簡單、生產成本低廉、可控性好。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用噴涂系統進行等離子噴涂，噴涂時控制涂層沉積壓力低于500Pa；其中，噴涂時在等離子噴槍體外輔助設置聚束罩，所述聚束罩呈筒狀，聚束罩一端通過螺紋孔與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩中設有一個喇叭狀通道，喇叭狀通道的入口的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道的出口內徑大于或等于20mm；喇叭狀通道的長度為50-150mm；所述噴涂系統進行噴涂時等離子噴涂電弧功率小于45kW。

優選的，聚束罩的喇叭狀通道外周通有冷卻水。

優選的，聚束罩的喇叭狀通道的出口距離被噴涂基體的距離為大于100mm。

優選的，噴涂時噴涂系統的參數為：Ar?40-70L/min，H₂?8-15L/min，陶瓷粉末的送粉量為大于或等于0.2g/min。

優選的，聚束罩與噴嘴連接處的螺紋孔的內徑為28mm，入口的直徑為28mm，出口直徑為40mm，長度為50mm。

優選的，出口的直徑大于入口的直徑。

優選的，所述聚束罩的材質為銅。

在等離子噴涂實施過程中，所使用的等離子發生氣體為氬氣、氬氣和氫氣、氬氣和氦氣、氬氣與氦氣和氫氣。為保證等離子噴涂的實施氣體流量可進行調節，氣體的比例也可以根據粉末的不同進行調節。

為保證等離子射流在出口處的連續性，聚束罩與等離子噴槍噴嘴直接相連，聚束罩與噴嘴連接處的內徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍。

為保證飛行的過程中不在聚束罩上停留發生結瘤堵塞的現象，同時保證對等離子射流的聚束效果，聚束罩出口處內徑不低于20mm。

為延長粉末在等離子射流高溫區域的停留時間，保證粉末在聚束罩內充分加熱并氣化，聚束罩對等離子弧聚束長度范圍為50-150mm。

在涂層沉積過程中，涂層沉積壓力為等離子弧外與基體非接觸區域的平均氣壓，壓力小于500Pa。

相對于現有技術，本發明具有以下有益效果：