在热喷涂领域, 涂层质量是首要考虑因素[1]。而涂层结合强度是考查涂层质量的一个非常重要的指标。涂层结合强度包括涂层自身结合强度(涂层颗粒之间的内聚强度)和涂层与基体材料之间的结合强度, 一般来说涂层自身结合强度大于涂层与基体的结合强度[2]。因此, 涂层与基体的结合强度是判断涂层能否实用的基体因素之一[3]。而涂层与基体的结合强度实质就是喷涂粒子和基体的结合强度。喷涂粒子和基体的结合强度不仅取决于接触温度和相互作用时间, 而且也取决于粒子的速度。当由于某种原因而不能采用基体预热或喷涂材料粒子过热时, 粒子速度作为工艺参数具有最大的实际意义[4]。
等离子涂层的质量由形成涂层的喷涂粒子的温度和速度以及粒度大小决定, 而喷涂粒子飞行特性(主要是粒子速度与温度)进行了研究, 主要集中在粒子飞行特性模拟以及影响参数分析。由于等离子喷涂采用的喷嘴种类多, 不同粉末所用的喷嘴类型是不一样的, 相对应的粒子飞行特性不同。而根据目前所查到文献资料, 并未对具体喷嘴类型下粒子的飞行特性进行研究。本文作者对于具体一种喷嘴喷涂时, 工作气体对粒子速度和温度的影响以及等离子弧的伏安特性进行研究,并根据粒子速度、温度和电弧功率对大气等离子喷涂工艺进行优化。
1 试验设备与材料
采用的等离子喷涂设备的输入额定容量为105kVA, 三相交流 380V, 直流输出最大功率 80kW, 工作电压 0~100 V, 工作电流 0~1 000 A, 电流连续可调。采用 PLC 控制柜, 控制精度高; 电压、电流数字显示。芬兰产的 SprayWatch-2i(喷涂粒子速度温度测试仪)用于在线测量粒子参数, 如单个粒子的速度、温度或所探测到粒子的速度、温度的空间分布及粒子总数, 其测量装置如图 1 所示。SprayWatch-2i 采用 CCD 摄像机, 通过粒子的热辐射来探测, 因此它不需要外部光源。另外, 它是通过比色法计算得到粒子的温度[10]。试验采用 G型喷嘴, 它是低速喷嘴, 开口角度和孔径都较大, 焰流束粗, 适于喷涂高熔点材料, 如ZrO2、Al2O3、C2O3、W 等[2]。试验用粉末是氧化锆 (粒度 45~55μm), 它的最大用途是作耐高温、绝热涂层[11]。
2 试验结果
试验采用枪外送粉, 因此粒子飞行特性都决定于等离子焰流。等离子焰流的速度决定了粒子速度。等离子焰流获得高速的原因很多, 除了气体种类及流量外, 最主要的是由于工作气体在等离子弧中被加热, 温度升高, 体积急剧膨胀, 可知粒子速度与温度跟等离子弧密切相关。为此, 就有必要研究等离子弧对粒子速度与温度影响。等离子弧的主要参数是电弧电压与电弧电流, 前者对粒子速度和温度的影响实质上是通过气体流量对粒子飞行特性的影响, 而后者对粒子速度和温度的影响实质上是通过电弧电压影响气体加热来实现的。因此, 除了研究气体对粒子速度和温度的影响外, 更应研究电弧电压的影响因素以及其与电弧
电流关系, 亦即等离子弧的伏安特性, 不仅是因为它们是粒子加热加速的主要原因, 更因为电弧功率的重要作用。若电弧功率过小, 则粉末熔化不好, 粉末碰撞工件时变形不充分, 并有较多的粉末反弹损失, 降低了沉积效率, 且涂层与基体结合不牢; 之, 虽然粉末熔化和撞击变形良好, 但粉末受热氧化烧蚀太多, 同样影响了沉积效率[12]。
2.1 工作气体对氧化锆粒子速度和温度的影响研究工作气体对氧化锆粒子速度和温度的影响, 粉末都是按同一流量采用枪外送粉方式送入等离子焰流, 另外所有粒子速度的测量都是在喷涂距离为 100mm, 焦距为 285mm 条件下进行的。为研究气体压力对粒子速度的影响, 采用氩气为主气、氢气为次气, 研究主气压力对粒子速度的影响。具体试验条件为: 电弧电流 600 A; 氢气压 力 0.4 MPa, 流 量 250 L/h; 氩 气 流 量2 000 L/h, 压力分别调到 0.6、0.8、1.0 和 1.2MPa。试验结果见图 2。在当主气压力为 0.8 MPa时, 粒子速度普遍高于其它压力条件下的速度。为研究次气(H2) 流量对粒子速度、温度的影响, 将主气(Ar)压力定为 0.8 MPa, 流量 2 000 L/h;电弧电流 600 A; 次气压力定为 0.4 MPa, 流量分别调到 125、150、175 和 50L/h, 试验结果见图 3。随着次气(H2)流量的增加, 粒子速度有所增加。工作气体采用氮气, 为研究氮气流量对粒子速
2.2 等离子弧的伏安特性
研究在 G 型喷嘴下相应等离子弧的伏安特性, 并对影响伏安特性的主要因素进行研究。在主气(N2) 流量 2 000 L/h、压力 0.8 MPa, 次气(H2)压力 0.4 MPa 条件下, 研究不同氢气流量下等离子弧的伏安特性, 结果见图 5。可见, 采用 G 型喷嘴时, 等离子弧的伏安特性具有上升的趋势。在电弧电流 600 A、氢气流量 0 L/h、氮气压力 0.8 MPa 条件下, 研究氮气流量对电弧电压的影响, 结果见图 6。从图 5、图 6 可见, 电弧电压随着氮气流量和氢气流量的增加而增加。当气体流量增加, 气体流速也增加, 对电弧弧柱冷却作用加强, 使压缩程度增加, 导致电弧电压提高; 此外, 气体流量增加, 弧长也有所增加, 也使电弧电压提高。但气体流量增加到一定值时, 电弧电压不再提高[3]。
3 试验分析
等离子气的流量直接影响到等离子焰流的热焓和流速, 继而影响喷涂效率和涂层气孔率等。但气体流量过大或过小均会导致喷涂效率的降低和涂层气孔率的增加。气体流量过大, 离子浓度减少, 过量的气体冷却了等离子的焰流, 使热焓和温度均下降, 不利于粉末的加热, 粉末熔化便不均匀, 于是喷涂效率降低, 涂层组织疏松, 气孔率增加; 反之, 会使喷枪工作电压下降, 使焰流软弱无力, 并容易引起喷嘴烧蚀[13]。气体都是可压缩的, 因此气体压力的变化将影响到气体密度, 造成了不同压力同一流量下的气体质量不一样。随着气体在喷嘴内被加热、电离, 引起体积急骤膨胀, 气体压力迅速增加, 导致喷嘴出口压力增加。文献[14]表明, 当喷嘴出口压力达到临界压力时, 流量达到最大。因此, 在喷涂中, 可通过提高气体压力来进一步增加气体的流量, 产生高温高速等离子喷涂射流, 获得高速喷涂质量效果。研究表明[15]: 只要电弧电流足够小, 总可获得下降伏安特性, 反之则总能形成上升的伏安特性,并认为伏安特性与电弧电流的电流密度和等离子体的电导率有关。增加电流时, 电流密度也相应增加, 与此同时, 由于电弧温度增加, 电导率也随之增加。因此, 电场强度是增加还是减小, 取决于流密度和电导率增大的相对速度。在电流较小时,电流的增加引起的电导率的增加速度很快, 超过了电流密度的增加速度, 因此电弧的长度随电流的增加而明显缩短, 电压明显下降, 产生了下降的伏安特性。与之相反, 当电流很大时, 电弧温度已经很高, 这时再增加电流, 电弧温度增高不多, 电导率变化也不大, 电流密度的增加速度超过了电导率的增加, 这样使得电弧长度随电流的变化不
明显, 电压保持基本不变甚至逐渐上升, 形成向上升的伏安特性变化的趋势。等离子弧的伏安特性研究主要为电弧功率的选择提供依据。此外, 电弧电流越大, 喷嘴烧蚀越重; 电弧电流太小, 则等离子焰流就不稳定。因此, 根据已往实际工作经验以及参考文献[3]的有关数据, 确定采用 G 型喷嘴对氧化锆进行等离子喷涂时电弧功率的合适范围在35～40 kW, 电弧电流取 500～600 A。
3 结论
等离子喷涂粒子速度随着主气流量的增加,粒子速度明显增加。在所有研究参数范围内, 粒子温度都高于氧化锆的熔点, 能满足等离子喷涂的熔化要求。G 型喷嘴等离子弧的伏安特性具有上升的趋势。采用 G 型喷嘴对氧化锆进行等离子喷涂时电弧功率的合适范围为 35～40 kW, 电弧电流 500～600 A, 氮气压力 0.8 MPa, 氮气流量 2 000～2 500L/h, 氢气压力 0.4MPa, 氢气流量 0~50L/h。
参考文献略
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