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等离子喷涂喷枪的研究现状及发展趋势

时间:2013-06-26 09:32:52  来源:现代制造工程  作者:孙启臣,张晓丽,张虎

  摘要: 随着等离子喷涂技术的不断发展和广泛应用,作为该技术核心装置的等离子喷涂喷枪日益受到广泛关注。综述了各类等离子喷涂喷枪的原理和结构特点,并根据实际应用对等离子喷枪的发展进行展望。
  关键词: 等离子喷涂; 喷枪; 原理; 展望
  
  0 引言
  等离子喷涂是热喷涂技术的一部分,是将金属或非金属材料粉末送入等离子射流中,将其加热到半熔化、熔化或气化状态,并在冲击力的作用下将其沉积在事先准备好的基体( 工件) 上,从而获得具有各种功能的涂层[1-2]。等离子喷涂工艺首先在航空航天及核工业领域日趋发展成熟,由于对具备高性能并且质量和再现性可控涂层的需求日益增加,该工艺现已迅速扩展到其他行业[3]。等离子喷涂喷枪是等离子喷涂设备中最关键的部件之一,工艺技术的开发创新常常是从新喷枪的研发开始的。
  本文将对多种等离子喷枪的原理和结构特点、新型喷枪的发展等内容展开综述,并对等离子喷枪的发展进行讨论。
  1 等离子喷涂喷枪
  等离子喷涂喷枪是等离子喷涂设备的核心装置,它汇集电、气、水、粉并产生等离子射流,其结构和加工质量直接影响到喷涂设备的稳定运行、等离子弧的温度、喷涂粒子速度、涂层质量,以及热能利用率和本身的使用寿命等重要技术环节的优劣[4]。因此,喷枪质量的好坏、设计得合理与否是决定等离子喷涂过程参数和涂层质量的重要因素。
  等离子喷涂一般采用氩气作为等离子工作气体,有时也会添加双原子气体( 如氮气) 来提高喷枪的效率,但氮气是活性气体,只能少量添加[5]。为了得到理想的等离子射流,避免压缩波和膨胀波,等离子喷涂喷 枪 内 部 轮 廓 要 根 据 空 气 动 力 学 严 格 进 行设计[1-6]。
  等离子喷涂喷枪按等离子体产生原理可分为直流等离子喷枪、射频等离子喷枪、混合式等离子喷枪、超音速等离子喷枪、多阴极等离子喷枪和水稳等离子喷枪等新型等离子喷枪。
  1. 1 直流等离子喷枪
  图 1 所示的直流等离子喷枪主要包括三部分[1,7]: 1) 钨合金制成的阴极; 2) 工作气体入口; 3) 高纯无氧铜制成的阳极( 喷嘴) 。不同类型的直流等离子喷枪功率范围为 2 ~6 000kW[5]。
  1. 1. 1 阴极[4,8]
  在等离子喷涂过程中,阴极为发射电子的器件,阴极的设计主要包括阴极材料的选择、几何形状、尺寸的设计和冷却方式的选择等内容。因等离子弧的电流集中流过阴极斑点,电流密度很高,故阴极是局部高热、高电负荷的区域。阴极材料应具有熔点高、蒸发低、许用电流大、电子发射能力强、引弧和稳弧性能好的特性。阴极材料一般采用钨合金,因为纯钨虽然熔点高,但其逸出功较大,不利于电子发射,且在引弧时需要较高的空载电压,在大电流和长时间工作中容易造成阴极烧损,因此需要加入少量稀土元素的氧化物来降低电子逸出功,增加电子发射能力,降低阴极烧损。
  过去等离子喷枪的阴极常用钍-钨合金制造,电子发射能力较强,电流负荷大,引弧和稳弧较好,综合性能较优越,但其产生的放射性剂量较高,故近年少用。现多用铈-钨合金来代替钍-钨合金作阴极,铈-钨合金电极不但产生放射性剂量比钍-钨合金少得多,而且在小电流密度下起弧电流较低,弧的稳定性好,烧损也较少。此外,也可用镧-钨合金代替钍-钨电极。
  直流等离子喷枪阴极一般为圆棒状,其直径的大小应以其自身温度低于该材料的熔点为原则,因而取决于最大工作电流和冷却方式。在一定的喷枪工作电流下,阴极直径越大,电流密度越小,同时冷却越好,温度就越低,因此直径大的阴极是有利的。但直径亦不能太大,因其还受到喷嘴孔径的限制,且与阴极斑点的运动情况有关。一般来讲,阴极的电流密度不能超过 20A/mm2。
  阴极的冷却有直接冷却和间接冷却两种方式。直接冷却是用冷却水直接把阴极冷却,故冷却效果好,但结构复杂,更换和调节阴极比较麻烦。间接冷却是冷却水通过阴极杆或阴极夹头间接地带走阴极的热量,这种冷却方式结构简单,阴极的更换和调节比较方便,但冷却效果较差。
  1. 1. 2 阳极
  喷嘴的作用主要是作为非转移型等离子弧的正极和对工作气体进行压缩,故其设计的合理性将影响到等离子弧的形成和稳定燃烧,以及等离子射流的温度、速度和喷射力,从而对喷枪的工作状况、寿命和喷涂工艺、粉末的状态和材料的利用率、效率都有很大影响。同时,因喷嘴内壁接触到极高温度的等离子弧柱而接受大量热量,故必须使用水流直接强制冷却以免过热和熔化,喷嘴本身亦用高导热率的高纯紫铜制造[4],也可以用耐温更高的金属制作,或在铜喷嘴内镶嵌管状的难熔合金,如钨合金。
  喷嘴基本结构形式大体上有五种[9],分别是圆柱形喷嘴、收敛-扩张型( 锥形) 喷嘴、拉瓦尔( Laval) 喷嘴、钟形喷嘴和阶梯喷嘴,其结构如图 2 所示。
  1. 1. 3 喷嘴的设计
  喷嘴的设计主要考虑形状、几何尺寸、冷却措施和进气方式。对于同种型号的喷枪,往往配备多种喷嘴以便针对不同的工作气体和涂层致密度的要求而分别选用。喷嘴的设计亦要考虑工作气体的种类,例如氮气喷嘴的孔径要比氩气喷嘴的孔径大,而其压缩比又比氩气喷嘴小; 氮气喷嘴常用直流进气,而氩气喷嘴则常用切向进气等[4]。
  喷嘴的强制冷却是保持等离子弧稳定性和提高喷嘴寿命的重要措施。冷却水路设计着重考虑的因素有路径、过水截面和水阻。通过对喷嘴和电极烧损原因的分析,在水路设计中应满足以下原则[10]: 1) 对喷嘴和电极圆周部位冷却要均匀,防止在圆周上出现冷却薄弱部位; 2) 防止喷嘴在轴向出现冷却薄弱部位,避免在轴向出现冷却水“短路”和“死水区”; 3) 水路水阻要小,保证一定冷却水流量。为了保证冷却效果,一般将出水温度控制在45 ~ 50℃ 。喷嘴的水冷结构如图3 所示,通常有三种形式: 环形、孔形和槽形[10]。
  槽形( 肋片式) 散热结构的喷嘴,其径向散热面积和对流换热面积都最大,喷嘴冷却效果最佳。环形和孔形两种结构在轴向都存在对流换热最差部位( 薄壁圆筒式的颈部) ,易由此烧穿喷嘴[4]。
  直流等离子喷枪喷涂材料十分广泛,结构和原理相对简单,目前广泛用于大气等离子喷涂、低压等离子喷涂等工艺中。
  1. 2 射频等离子喷枪
  射频等离子喷枪在枪体内部置有 3 ~ 5 圈水冷高频感应线圈,通过产生感应电场使工作气体电离,从而产生等离子射流[11-12]。点火时,在感应线圈内就产生了导电负荷,并与气体作用,使之离解而产生等离子体[4]。射频等离子喷枪结构[11-16]如图 4 所示。射频等离子喷枪和直流等离子喷枪的最大不同在于喷枪的内径,并能实现轴向送粉[1],射频等离子喷枪效率比直流等离子喷枪低,能量损失主要发生在射频感应发生器以及线圈与工作负载的耦合上[14]。
  射频等离子喷枪内部有同轴的三根管,分别是等离子限制管、中间管和送粉管[1,7,12,14]。
  水冷等离子限制管,一般内径在 35 ~ 70mm、长度在 150 ~ 200mm。因为线圈通有高频电流,因此线圈亦需要水冷,以保持与功率相匹配的阻抗并保证能量从电源到等离子射流的转移。中间管由石英或陶瓷制成,管内有紫铜制成的水冷多圈盘管。中间管一般延伸到第一圈感应线圈的位置,主要作用是实现鞘气流。送粉管在轴线处,是一个水冷空心探针[4,12]。
  在喷枪的结构设计中,保证在放电区域对气流进行严格的控制是非常重要的。三种气体会从喷枪顶部送入喷枪,分别是等离子气体( 也称中心气体) ,鞘气( 冷却气) 和送粉气体。等离子气体( 中心气体) 由中间管送入喷枪中,具有涡旋速度和轴向速度两个速度分量。等离子气体是产生等离子射流的主要气体,并能稳定等离子射流,同时将等离子射流和中间管隔离开[5,12]。
  鞘气由等离子限制管和中间管之间送入,以相对高的速度紧贴等离子限制管内壁流动,以减少热损失并防止等离子限制管管壁过烧。中间管主要作用是实现鞘气流,鞘气和等离子气体在中间管末端处会有部分混合。
  送粉气体由喷枪轴线处水冷空心探针送入等离子射流中,探针末端位置一般与中间管持平或略伸出中间管一部分。
  根据功率的不同,水冷铜感应线圈由 3 ~ 5 圈绕成[14],感应线圈与等离子气体的耦合发生在靠近枪体内壁的圆环区域,因此枪体轴线附近的等离子气体只能靠对流传热的方式加热,喷枪轴线上的水冷送粉探针与线圈之间没有耦合[1]。
  射频等离子喷枪的特点是无电极,等离子射流悬浮于与枪分离的空间,可以实现中心送粉,并能用于真空或惰性气氛条件下。射频等离子喷枪可以沉积活性强以及有毒的金属( 如钙、铀、铌和钛等) ,且结构简单,寿命长。
  1. 3 混合式喷枪
  对于直流等离子喷涂系统,由于电弧放电特性会造成等离子射流强度的变化,而这段不稳定时期几乎和粉末受热熔化或气化所需时间是一样的,因此难以实现粉末均匀加热。另外,由于直流等离子喷枪阴极处在轴线位置,难以实现轴向送粉,从而造成粉末轨迹分散。
  射频等离子系统产生的等离子射流体积大,直径在几十毫米,并能实现轴向送粉,缩小了粉末颗粒的飞行轨迹范围,喷涂范围高达 80%。然而,这种系统喷涂速度很低,有时还会发生熔化了的液滴重新凝固的现象。
  由此可见,在等离子喷涂过程中,若要实现大的喷涂体积、适当的喷涂速度、良好的均匀性和稳定性,将直流等离子喷枪和射频等离子喷枪结合起来的混合式喷枪是必然的选择[17]。
  1. 4 其他喷枪
  1. 4. 1 超音速等离子喷枪[4]
  超音速等离子喷涂是针对普通等离子喷涂涂层质量受到喷涂粒子的性质、速度、温度和熔化程度等因素的强烈影响和限制、而采取大幅度地提高射流速度和增大熔融( 或半熔融) 粒子撞击基体时的动量、以改善涂层质量的措施而开发的,从而使涂层质量明显改善,并使可喷涂材料范围大为拓宽。
  超音速等离子喷枪的结构有两种类型: 双阳极结构和单阳极结构。
  双阳极结构喷枪由前、后枪体两部分构成,后枪体装有钨电极和一次喷嘴; 前枪体主要包括二次喷嘴、气体旋流环和送粉嘴。这种喷枪由于综合性能尚不够完善,在工业上应用并不广泛。
  单阳极结构喷枪采用 Laval 喷嘴型面,缩短了压缩孔道长度,并增强了电弧初始阶段的机械压缩,迫使阳极斑点前移以拉长电弧。这种喷枪由于提前对电弧区段的加速,提高了热效率,可获得高热焓值的超音速射流。典型的国产喷枪以 HEPJet 高效能超音速等离子喷枪为代表。
  1. 4. 2 多阴极等离子喷枪
  由于单阴极等离子喷枪存在喷涂涂层质量差、喷涂效率低等缺点,为进一步提高喷涂工艺,人们对多阴极等离子喷枪进行了大量的研究,在提高涂层质量、减少等离子射流的波动比等方面取得了很大进展[18],其中最有代表性的是三阴极等离子喷枪。
  三阴极等离子喷枪由三个互相绝缘的平行阴极和几个被绝缘环串联的阳极喷嘴组成,喷涂时,只有离阴极最近的一个绝缘环上的喷嘴作为阳极工作。这样,就从三个阴极到同一阳极产生三个独立电弧,其长度稳定不变,于是产生了稳定的等离子喷射。三阴极等离子喷枪电弧稳定、噪声小,目前在航空、造纸等行业已有较广泛的应用[4]。
  三阴极喷枪每个独立阴极上的电弧电流密度低于总安培相同的单个电弧,故减少了电极表面过热而烧损的情况,延长了喷嘴和阴极的寿命( 其寿命是单阴极等离子喷枪的五倍) 。该喷枪能实现中心送粉,可使粉末全部送入等离子射流中心高温区域,提高了粉末利用率和喷涂效率。
  值得注意的是,三阴极等离子喷枪的等离子焰流的旋转对称性问题,这会影响等离子焰流将动能和热能向喷涂粉末材料的转化,关系到是否能让粉末获得足够的轴向速度和热量[19]。
  目前市场上三阴极等离子喷枪主要型号是 Sulzer Metco 公司的 Triplex II 型和 Triplex Pro - 200 型,以及Mettech 公司的 Axial III 喷枪。
  1. 4. 3 水稳等离子喷枪[4]
  水稳等离子喷枪是根据液流涡旋的构思进行设计的,高压水流从切向孔通入喷枪内的漩涡腔,并沿导流环的液面强烈旋转而形成漩涡,由于离心力的作用使水流漩涡依附在壁面上,并在电弧腔里形成具有一定长度和直径的空心通道。石墨阴极和旋转阳极之间穿过水流漩涡空心通道产生直流电弧。电弧加热使部分水发生蒸发、分解和电离,形成含有 H+和O2 -的等离子体,产生连续的等离子弧。等离子弧离开喷嘴后体积迅速膨胀,产生高速等离子射流。
  水稳等离子喷涂喷枪具有输出功率大、运行成本低,喷涂的涂层质量好、生产效率高,温度高、高温区域宽等优点。
  2 展望
  随着等离子喷涂技术的不断发展,等离子喷涂喷枪亦已出现诸多种类,且各具特色,但仍需在以下方面进行研发和改进。
  1) 实时控制。通过开发稳定可靠的、能适应恶劣工作环境的传感器,建立与实际情况更相符的测量模型等方法,对喷涂参数进行在线实时控制,根据喷涂时工作状况对喷涂参数进行及时调整,以获得更高性能的涂层。
  2) 设置多个进气孔道。例如同时设置内送粉和外送粉两种送粉孔道,二者可单独或配合使用。
  3) 设置多个送粉位置、多个送粉角度。根据不同粉末材料的颗粒大小、熔点高低等因素,设置多个送粉位置,多个送粉角度,以保证粉末能够完全熔化或气化,以实现同一喷枪对多种粉末进行喷涂。
  4) 扩展功率范围。为适应特殊工况,研制更大或更小功率的喷枪。同一喷枪可有多种额定功率,根据不同工况进行选择,提高生产效率。
  5) 长寿命。提高喷枪使用寿命,降低维修难度,从而降低成本。
  6) 互换性。喷枪上的易损件可进行拆卸和互换,避免因局部损坏而造成整个喷枪报废。
  参 考 文 献略


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