低功率、高效率等离子喷涂设备的开发和喷涂组织

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1、.门.月1.叨书卫月翻口月.月 1 0 0流功率、高效率等离子喷涂设 备的开发和喷涂组织 低功率、高效率等离子喷涂设备的开发和喷涂组织 大连海事大学金属材料工艺所( 1 1 6 0 2 6 )高 阳 摘 要 分析了 现在常1 , 的 4 0 - I O O k W等离子 喷漱 交 备的特征。 从提高等离子喷涂效率和节省电 能出 发， 开发了 一种内 部粉末 供给，电能消 耗为 2 一 1 3 k W 6 7 P l a s m a - L E 1 5 等离 子喷涂系 统利用该系统对陶瓷、 金属破化物和金属合金粉末进行了 喷涂实 验.其 中 金属破化物和金属合金粉才的喷涂沉积效率达8 0 % 以

2、上 对儿种喷涂组织进行了 测试和调查，用 该系 统喷涂得到的组织性能高于 或者等于 通常大气条件下外 f 送 粉式 4 0 k W 等离 子喷涂的组织性能 该系 统能够方便地移动到现场 作业和安装在实 验室. 美键词等离 子喷涂粉末喷涂组织热喷涂 1引言 自 等离子喷涂方法被1 于 发以来，为了 得到良 好的喷涂组 织， 人们对等离子喷涂枪结构提出了 种种设i t “ - s i 。其中以 下二 点最为引人注目。一是为了提高单位时间的喷涂效率。采用提 高等离子电源功率N 的方法另一个是为了提高喷涂层质量， 设法提高 喷涂中 粉末的飞钓速度增加等离子体弧的长度。例 如; 超音速等离子和减压等离子

3、喷涂方法。现在常用的等离子 喷涂设备的电消耗功率 一 般在 4 0 -2 0 0 k W 为最多 为了 保持喷涂过程的稳定性，等离子 喷涂大多采用从喷枪 口 与等离子体气流呈垂直力向添加粉末。等离子体气流从喷嘴 喷出后受空气的影响，等离子体温度急速下降。为了保持喷涂 的效果， 要求等离子 休具有一定输出功率， 般 E 4 0 k W以上 但是，实际r 喷涂过程用 功口 热粉末的电能只占( 能量消耗的 1 0 -2 0 % 0，其余的热量被水冷却或者散失到周围空气中。这样 不仅造成能量的白白浪费，而月 .对喷涂工件产生热冲击，使工 件氧化或者热变形。为了 减少热冲击不得已增加喷涂距离，而 增加喷

4、涂距离又降低了 喷涂层的性能。另外，与 等离子气流垂 直方向 添加粉末时，比较细小的粉末在等离子气流的外侧被吹 出，或者末能熔化就到达喷涂工件表面;比较大的粉末穿过等 离子气流。因此，这样的等离子 喷涂设备的粉末利用率很低， 一般在5 0 %以下。 为了 提高 喷涂过程的粉末沉积效率，也有在喷嘴的侧面开 设送粉口，使携带粉末的气流与等离子气流呈垂直投入喷嘴 中。 这种方式虽然提高了 粉末的利用率. 但是由于携带粉末的 气流与等离子体气流垂直，使粉术的走行轨迹偏离等离子气流 的中心，长时间喷涂会造成喷枪喷嘴的堵塞.降低喷涂层组织 性能。为了得到良 好的喷涂组织，要求喷嘴出口 处等离子气流 束集中

5、，并且等离子体弧尽可能长，电弧的能量能够有效地转 化为等离子体加热粉木。粉末供给方向尽叫 能与等离子气流方 向 一 致。以 L 这此要求均与等离子喷枪综构的设计有关。 本文将介绍 一 种最近开发的超低功率、高效率等离子喷涂设 *( P i m m a - L E 1 5 ) 和它的喷 涂组织。 2设备的特征 2 . 1 P la s m a - L E 1 5 的设计思想和特点 为了 提高喷涂过程的粉末沉积效率，有效地利用等离子 的热能，降低等离子喷涂过程的电功率消耗，最有效的方法之 一就是从喷枪内部供给粉末，并且将粉末添加在电 弧等离子发 生处，使 粉末供给方向尽可能与等离子气流方向一致。

6、但是， 内部粉末供给方式的最大弊病之一 就是喷涂过程中， 容易发生 熔化粉末沉积在喷嘴内部.造成喷嘴堵塞或者降低涂层质量. 如何防止粉末在喷嘴内部沉积堵塞， 是本设计优先考虑的问题 之一 P l a s m a - L E 1 5 的设计思 想是，合适地 选择阴极与 阳极喷 嘴的最小内 径比，使通过阳极喷嘴内 孔的粉末能够适当 熔化又 有较高的速度，避免了粉末在喷嘴内 部的堆积。 有关喷枪内部 的详细结构，本文不能在此作详细说明。P la s m a - L E 1 5 具有如 下特点: ( 1 ) 合理的喷枪内部结构设计，实现了低电能消耗为2 - 1 3 k % . ( 2 ) 粉末和用于发

7、生等离子的气体一同 投入喷嘴入口。 粉末 从等离子体发生点开 始被加热并与等离子 气流方向一 致。 口 ) 等离子休弧长大约6 0 . m 没有添加粉末时)， 等离子 体气流集中， 粉末飞行速度高，喷涂层组织致密。 ( 4 ) 粉末充分被加热， p 交 涂效率高， 金属和碳化物粉末的喷 涂沉积率可达8 0 %以上 ( 5 ) 直流电 源和气休控制为 一 体化，整体设备能够方便移 动，适合于现场喷涂。 ( 6 ) 喷枪的 长度为1 0 0 = 、可直接喷涂直径1 4 0 m m 以上的内 表面。 ( 7 ) 喷嘴到丁件间的喷涂路离为2 0 - 4 0 m m,融化粒子飞行 过程的氧化程度被减少。

8、 图1 为 P l a s m a - M 5 的 喷涂系 统 它由 水冷 却系统、 气体流 量控制、直流电 源、 高几高 频发生器、 粉末供给器和喷枪等组 成。 气体流量 控制器分别为粉末供给器和喷枪提供 气体。 供给 喷枪的气体有两 种， 一 是主气休氢气。另一 路是辅助气休 ( 氢 气、氮气等)。 喷枪的喷涂J作状态如图2 所示。粉末粒子的 飞行方向与 等离子气流方向一 致。 包括喷嘴在内 喷枪的总长度 为l 0 0 m m .重量1 .5 k g e由于粉末与等离子发生气体一同 投入 喷嘴入口，与 等离子 气流方向一致， 粉末由正负电极间的电弧 和等离子气流加热、 加速， 热利用率高，

9、 用于产生等离子所需 消耗电 源在2 - - I 3 k W W能够喷涂陶瓷、金属、复合材料和有机 第 二 居 表 面 工 程 国 际 会 议 论 文 集1 01 材料粉末等。由于粉末直接被加热，熔化效果好，粉末利用 率高，对于金属和金属碳化物粉末材料的喷涂沉积效率可达 8 0 %以上， 图1 . P l s s m a - L E 1 5 的喷涂系统 部压力、 供粉器内部压力、电压和电 流进行监视，当这些值与 设定值偏离时， 系统自 动停止 P l a s m a - L E 1 5 的电源为可控硅整流直流电源，使用三相交 流电。直流电源与 气体流量控制设计为一 体，总重 量2 8 0 k

10、g , 外型尺寸为高1 7 0 0 m m 、长7 0 0 m m ,宽5 0 0 m m ,能够方便移动 到现场。除此之外， 该系统运行时的噪音大大低于其他等离 子喷涂设备，不需要特殊的隔音房间.只要能够提供I O k W ( 3 0 A )以 巨 的三相交流电即可安装， 适合于实验室使用 2 .2几种粉末喷涂工艺 根据P la s m a - L E 1 5 的特征，为了 得到良 好的涂层组织，有 必要根据粉末的粒度、 熔点和热吸收性等来决定电弧电流、电 压和等离子气体流量等喷涂条件。表1 为部分粉末的喷涂工艺 参数。 表1 部分粉末喷涂的工艺参 数 图2喷枪的喷涂丁作状态 为了 加速粉末

11、的飞行速度和防止粉末在喷嘴内 壁附着，对 P la s m a - L E 1 5 的喷嘴进行了 特殊设计。为了 适合各种粉末的要 求，设计了二种不同型号的喷嘴。更换喷嘴时只需打开喷枪 前面的固定喷嘴盖即可更换，操作简单。在粉末没有添加的 状态下等离子体弧长可达6 0 m m以卜 ，其中 喷嘴外部可见等离 子弧长达2 0 - 3 0 m m o喷嘴出口 处最大等离子体气流直径约为 S m m。一次喷涂宽 度为6 m m， 适合于小型下件的喷涂，节省 粉末。另外，为了 冷却工件和防止熔化粉末的氧化，在喷嘴 的外部设有环状冷却间隙，可以利用氨气、氮气或者空气等 直接冷却被喷涂-E 件。 P la

12、s m a - L E 1 5 喷枪的冷却使用涡轮叶片泵，将4 0 立升冷却 水循环送入喷枪。在不需要其他附加冷却条件下，水温从喷涂 开始的2 0 经一 小时的连续喷涂后升为4 0 1 r ，这其中包括高压 水与 管路间摩擦产生的热量。由此可见P l a s m a - L E 1 5 喷涂巾传 递给水的 热量很少.而系统的热利用效率高。 另外，!力 于电 源 功率低，喷涂中向周围的放热很少， 减少了 对喷徐下件的热冲 击，使喷涂距离大大减小，有利于防止金属粉末喷涂过程的 氧 化， 提高了喷 涂层的性能。 P la s m a - L E 1 5 喷涂中，即便不使用氢气、氦气等辅助气 体，在只

13、使用氢气的条件下可喷涂氧化铝陶瓷粉末。氢气的消 耗量为;一瓶氨气 ( 5 耐)可连续喷涂2 - 3 小时。另外， 钨电 极的消耗可以 通过调整位置复原，减少了更换电极的次数. P l a s m a - L E 1 5 的气体流量采用压力控制，也可采用计算机 质量流量控制。喷涂过程中对水压、水温、气体流量、喷枪内 粉末种类 粉末供给量 ( g / mi a )黯hA (m m ) 气体流 量( C F I pw 怒 11 1t1 tif# N P C r , O , 3 53 0 2 0 0一 A I N, A I,O ,-2 .5r i0 , 4 03 02 0 053Ar C o C r

14、Al Y3 03 02 0 04Ar WC- Co Cr3 52 53 0 03Ar 一尸|llJ.L八亡卜| 该系统喷涂时的粉末供给率与外部 送粉式4 0 k W等离子喷 涂相当。 对于 熔点较低的金属和金属碳化物粉末，只使用氛气 就能得到较好的喷涂组织，对子 熔点较高的陶瓷粉末，建议使 用辅助气休氢气或者氮气等气体。表1 提供的喷涂参数不定 是最佳参数，仅供参考 3 喷涂组织 图3 为0-2 0 A 1 2 0 3 - 2 . 5 T i O 2 , N i C o C r A I Y 和 8 4 WC - C o C r 的 RA 涂组织。由于喷涂距离短，等离子束集中，等离子焰流边缘 雾

15、化粒子少，其中 C o C r A IY 喷涂组织呈扁平状对于C r , O , 粉末 的喷涂如果使月 J 辅助气体氢气可能会进一步改善喷涂层组织性 能，今 后我们将继续实验。另外，测量了喷涂层的硬度和气孔 率 ( 采用与标准试样对比法)，其结果如表2 所示。除此之 外，将部分喷涂组织与4 0 k W外部 送粉式等离子喷涂组织 ( 按 着厂家提供的标准喷涂参数喷涂)进行了 对比， 其P R 涂层的硬 度和气孔率等性能高于或者等于 4 0 k W外部送粉式等离子喷涂 组织 ( 见表2 ) C r , 0,Ni Co Cr AI Y 刀月1门刀，一! 1 0 2 低功率、高效率 等离子喷涂设备的开

16、发和喷涂组 织 po喇d.r 一，|伙饥一。 A 1 2 0 , + 2 . 5 T i O 2 8 4 WC - C o C r 图3 u tt 涂且织 2 0 0 X 表2部分粉来 的喷涂结果 粉末种类 复 幸 气孔率 ( 1 . ) 喷涂层硬 度H V . 3 对 比值 4 0 k W等离一子 喷涂 气孔率了 硬度 C y q 5 0 %3 . 5 . 5 1 3 6 06 % 0 7 0 A 1 2 0 , - 2 .5 T i0 2 6 0 % 25 并8 4 05 % ./6 9 7 C . C I Al Y9 0 % 1 . 56 7 03 . 5 %/ 3 8 0 WC - C o C r 9 0 %2 . 53 8 0 心 到 n口 w z 片 臼田阳圈拍 即 司 一一.IJ，!，!J，J.J刃.，:，刁刃省门， 图4 为8 4 WC - C o C r 粉末和喷涂层的X 线衍射的结果，使 用了 烧结粉碎粉末。喷涂距离为2 5 m m,喷涂功率低，W C 的分解量较少。喷涂组织巾的。 - W , C / WC 的