摘 要:根据“高效能、超音速”等离子喷涂枪的设计指导思想,对超音速等离子喷涂枪的枪体、水路、气路、阴阳极结构及送粉结构进行了全新设计,利用等离子体物理学、流体力学和工程热力学的理论设计了独特的单阳极Laval喷嘴。通过对该喷涂枪和制备的涂层性能测试研究表明,该喷涂枪实现了低功率(<80 kW)、小气体流量(<6 m3/h)条件下的高效能超音速等离子喷涂,在有效喷涂距离内的粒子飞行速度达450 m/s。喷枪的主要性能指标:焰流速度、粉末沉积效率、涂层与能耗比、电极的性价比均达到或超过了美国TAFA公司的PlazJet高能高速等离子喷涂枪。制备陶瓷涂层的结合强度、孔隙率、显微硬度等性能明显优于METCO.9M普通等离子喷涂,但运行成本仅为国外超音速PlazJet等离子喷涂的一半。高效能超音速等离子喷涂技术在工业、国防、航空的功能领域具有广阔的应用前景。
关键词:高效能 超音速 等离子 喷涂技术 陶瓷涂层
等离子喷涂技术由瑞耐克于1939年首创。美国联合碳化物公司Union Carbide Co.和等离子动力公司Plasmadyne Co.等相继定型生产出等离子喷枪,并率先在航空航天等高技术领域中应用。
近十几年,等离子喷涂技术发展很快,已开发出低压等离子喷涂、反应等离子喷涂、高频等离子喷涂、扩展弧超音速等离子喷涂等,并设计研制出多种新型等离子喷枪[1]。为实现工艺自动化,等离子喷涂工艺控制和模拟诊断也取得了进展。我国从20世纪60年代起,一些军工部门先后进口了多台美国Metco公司和瑞士PT公司的等离子喷涂设备和工装。目前等离子喷涂技术的理论与开发应用已上升到一个新台阶,在表面工程和材料工程领域占据日益重要的位置。
等离子喷涂枪的发展主要集中在喷枪射流速度的提高和送粉方式的改良两个方面。超音速等离子喷涂就是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”得到稳定聚集的超音速等离子焰流进行喷涂的一种方法[2~5]。喷涂枪是等离子发生器,其性能的好坏直接关系到涂层质量、喷涂成本、喷涂效率以及整台设备的性能,是超音速等离子喷涂设备中最为关键的部件。而超音速等离子喷枪设计的难点主要体现在超音速等离子射流的实现、送粉方式及整体结构、水路、气路结构设计,从而实现从试验型到实际应用型的转变,以适应于工业应用的需要。
1 高效能超音速等离子喷涂枪的研制
由美国Browning公司在1986年推出的超音速等离子喷涂(PlazJet)具有设备投资少、材料来源广、涂层质量好、生产效率高等诸多优点。高效能超音速等离子喷涂系统是在1988年从美国进口的PlazJet喷涂系统的PJS80电源的基础上建立起来的。其控制系统和水、电、气配套系统立足自制。在20世纪80年代后期,国际上对超音速等离子喷涂技术的研究也处于起步阶段。通过实验发现原来进口的电源和喷枪存在着不够完善的地方,其中电源的主变压器与喷枪阴极及一级喷嘴为同一冷却水路,水箱装于电源柜内,体积小、容水量少,在较大功率和较长时间运行时水温升高过快,喷嘴烧损明显,因此不能长时间运行[6~8]。喷涂枪枪体结构是在原等离子切割枪的基础上改造而成,整体设计欠合理。喷涂枪的性能也存在明显不足:(1)气体耗量大(8~14 m3/h),而且焰流达不到超音速;在80 kW条件下使用给定的气体流量参数,焰流热焓值很低,无法喷涂高熔点的陶瓷材料;(2)喷涂枪送粉困难,粉末送不到焰流中心;(3)两阳极间的中间绝缘体容易烧损,寿命短;(4)枪体外部管路过多,不便于操作,更不便于实现机装作业,且需两个冷却装置。
因此,决定在原有喷涂电源的基础上,开发超音速等离子喷涂系统的核心部件———高效能超音速等离子喷涂枪。根据研制新喷枪的要求和现有设备存在的问题,首先对配套系统进行了研制改造,使之与高效能超音速等离子喷涂枪及PJS80电源相匹配。高效能超音速等离子喷涂系统主要由电源、喷枪、控制装置、送粉装置、配气装置、冷却装置、进给装置等组成,并带有计算机接口线路。其控制框图如图1。
喷涂枪是水、电、气的载体和分配转换机构。枪体结构直接影响到阴极、阳极喷嘴的冷却效果。传统的枪体由上枪体和下枪体及中间绝缘体组成(如PJS-80系统的超音速等离子喷枪)。这种结构的喷涂枪由于中间绝缘体将上下两枪体隔开了,所以不但中间枪体部分冷却效果差,更重要的是上下枪体之间不易交换热量,各部温差较大,严重地影响了喷涂枪的冷却效果。高效能超音速等离子喷涂枪的枪体结构主要由两部分金属体——枪座和外枪体组成。由于把绝缘体装在枪体内腔中,把冷却阳极喷嘴和阴极的水路设计在枪体内部联通,从而大大减少了枪体上的管路接头。
另一方面,增大了枪体的换热面积,并且整个枪体冷却均匀,散热效果好。为了实现低功率、小气体流量获得超音速等离子焰流的设计思想,阳极喷嘴设计直接采用拉伐尔喷嘴[9],与两级结构喷嘴相比,可以缩短压缩孔道的长度,能够充分利用等离子焰流高温区的能量。
该喷涂枪2002年获得国家发明专利(专利号01101077.0)。高效能超音速等离子喷涂技术获得2002年军队科技进步一等奖。
研制的HEPJet高效能超音速等离子喷涂枪达到以下主要技术指标:
(1)喷涂枪最大功率为80 kW,可适用于氩气加氢气、氩气加氮气、纯氮气、氮气加氢气这四种配气方案,以充分利用和发挥现有电源的潜力;
(2)最大总气体流量应小于6 m3/h;
(3)在有效的喷涂距离内粒子飞行速度超过标准音速;
(4)喷涂层的结合强度大幅度提高、孔隙率降低。图2、3所示是高效能超音速等离子喷涂枪的外观图和射流形貌。
2 高效能超音速等离子喷涂粒子速度测定
2.1 测试设备
HEPJet高效能超音速等离子喷涂粒子速度是利用激光多普勒测速仪测试的。所用的激光流速仪系统主要由美国Spectra Physics的氩离子激光器、丹麦Dentec的55X二维发射系统和接收装置、光纤连接装置、丹麦DISA的55L90计数器和计算机自动采集系统等组成(见图4)。
激光流速仪的原理是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息。本系统采用的双光束双散射的模式,这种模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇集到光检测器中进行光外差而获得多普勒频移。数据通过采集板由计算机进行处理和存储,每个状态的采集点数为1 000点,其算术平均值为该状态下粒子的平均速度。
2.2 测试结果与分析
在试验中,主要对喷枪喷涂的Al2O3粉末(240目60μm)以下的粒子速度进行了测试。试验过程中,功率不变(电压180 V、电流360 A),测量粒子在离喷口不同距离(60、90、120、150、180、210 mm)处的速度值。其喷涂工艺参数如表1所示。
测试的粒子平均速度(V1)、30%(V2)、10%(V3)最大速度粒子的平均速度及最大速度(V4)随着喷涂距离变化的测试结果如图5所示。
由试验可知,粒子的平均速度随着距离的增加而减小,在150 mm喷涂距离内,离子的平均速度超过400 m/s。粒子越细,平均速度越高,10%、30%最大速度粒子的平均速度可以分别达到682 m/s、605 m/s,在喷涂正常距离约120~150 mm时,10%最大速度粒子的速度也达到600 m/s以上,由此可以说明超音速等离子喷涂更适合喷涂超细粉。
3 高效能超音速等离子喷涂层性能研究
在试验中,我们采取正交试验方法,优化了Ni/Al、12Co_WC、NiCr_Cr3C2、Cr2O3、ZrO2五种粉末的喷涂工艺参数,优化的结果分别见表2。
3.1 喷涂层的孔隙率和结合强度
高效能等离子喷涂能够明显改善陶瓷涂层的质量。图6、7所示分别为高效能超音速等离子喷涂层和Metco 7M等离子喷涂层的孔隙率和结合强度对比,其中高效能超音速等离子喷涂Al2O3涂层的孔隙率为0.81%,涂层与基体的结合强度49.2 MPa;而Metco7M等离子喷涂Al2O3涂层的孔隙率大于3%,涂层结合强度约为30 MPa。高效能超音速等离子喷涂12Co_WC和NiCr_Cr3C2涂层的结合强度均大于60 MPa。低的孔隙率和高的结合强度为等离子喷涂层的工业应用奠定了基础。
3.2 喷涂层的组织结构
图8是超音速等离子喷涂和普通等离子喷涂制备的12Co_WC涂层的断面形貌。可以看出,超音速等离子喷涂12Co_WC涂层的涂层比较致密、孔隙率小。粒子熔化比较充分、粒颗均匀细小、涂层与基体之间的结合比较好。
3.3 纳米复合粉等离子喷涂层的组织与性能
采用高效能超音速等离子喷涂设备喷涂美国纳米公司研究的Al2O3/TiO2纳米结构热喷涂复合粉获得纳米结构涂层,涂层主要由亚微米晶和纳米晶结构组成(如图9)。分别采用超音速等离子喷涂和美国MET-CO_9MB等离子喷涂Al2O3/TiO2纳米复合粉制备纳米结构涂层。实验表明,同一纳米热喷涂粉末,不同的等离子喷涂技术获得的涂层性能不同。采用超音速等离子喷涂Al2O3/TiO2喷涂粉制备纳米结构涂层的性能比采用一般的等离子METCO-9MB喷涂层的性能优异。实验结果如表3所示。
4 高效能超音速等离子喷涂经济性分析
将高效能超音速等离子喷涂的经济性与美国PlazJet等离子喷涂相对比,分析表明高效能超音速等离子喷涂工艺节材、节能,喷涂成本为PlazJet等离子喷涂的1/2左右。成本分析对比如表4所示。
5 结论
(1)研制发明了新型超音速等离子喷涂枪,高效能超音速等离子喷枪在较低的功率(<80 kW)和较少的气体消耗(<6 m3/h)下获得了长期稳定的超音速等离子焰流并使熔融粒子的速度达到600 m/s以上,与TAFA公司PlazJet高能高速等离子喷涂粒子速度(600m/s)相当,体现了超音速等离子喷涂高效能的特点。
(2)高效能超音速等离子喷涂枪制备的陶瓷涂层性能明显优于METCO.7M、9M普通等离子喷涂,而与PlazJet高能高速等离子喷涂相当,但是其功率和气体消耗量却大大降低,这在等离子喷涂领域属突破性进展。
(3)高效能超音速等离子喷涂运行成本明显低于美国PlazJet高能高速等离子喷枪,喷涂1 kg的Al2O3涂层的成本仅为后者的51%,这解决了国内外超音速等离子成本高的重大难题。
参考文献略
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