高效能超音速等离子喷涂系统的研制
张 平，王海军，朱 胜，梁志杰
中国表面工程
摘 要：研制的 HEPJet 高效能超音速等离子喷涂系统，最大功率 80 kW，最大工作气体流量 6 m3/h，可以喷涂金属粉末、碳化物陶瓷粉末和氧化物陶瓷粉末。单阳极内送粉结构的高效能超音速等离子喷枪，为国内外研究超音速等离子喷涂技术开创了一条新路。80 kW 级 20 kH 脉宽调制 IGBT 逆变电源解决了输出电压高、输出电流大、高频干扰强等一系列难题，工作可靠。在保证涂层的结合强度、孔隙率等性能指标的前提下，喷涂成本比国外产品降低一半以上。
关键词：超音速；等离子喷涂；系统
0 引 言
作为装备再制造中的常用表面工程技术之一[1~6]，等离子喷涂的生产效率高、涂层质量好。其热源等离子弧的温度可达10 000 ℃以上，可以熔化金属、碳化物陶瓷和氧化物陶瓷等各种供料粉末。所以等离子喷涂在热喷涂行业中始终占据着主导地位，应用范围非常广泛，其产值占整个行业总产值的一半以上，其余部分由火焰喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂分享。随着高科技的发展，现代工业要求涂层更为致密、强度（内聚强度和结合强度）更高、可靠性更好。于是高能高速喷涂已成为国内外热喷涂技术的发展方向，相继出现了爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂及超音速等离子喷涂等技术。这些技术大幅度地提高了喷涂粒子的速度，降低了涂层孔隙率，提高了结合强度。但爆炸喷涂生产效率和沉积效率低，噪音大；超音速火焰喷涂焰流温度较低[7~9]，不能喷涂高熔点材料，而且燃料消耗大，喷涂成本高；高速电弧喷涂只能喷涂丝材，无法喷涂陶瓷材料。而超音速等离子喷涂技术与以上喷涂技术相比，具有热源温度高、生产效率高、可以喷涂几乎所有材料(特别是陶瓷材料)的综合优点[11~14]。
为了开发利用超音速等离子喷涂所具有的高温、高速的独特优点，美国从 80 年代中期率先投入研究，直至 90 年代中期才由美国 TAFA 公司向市场推出了能够满足工业化生产需要的 270 kW 级大功率、大气体流量（21 m3·h-1）的“PlazJet”超音速等离子喷涂系统，代表着当今世界先进水平，且至今唯此一家。其系统的设计思路是以大气体流量的气动力为主提高射流速度，以大功率保证射流具有足够的焓值。这种设计思路再加之采用外送粉方式，造成能量消耗大、能量转换率降低，喷涂成本较高[15~17]。
从 1998 年开始，课题组提出了“高效能超音速等离子喷涂”的设计思想，开始研制低功率、小气体流量的超音速等离子喷涂系统，其中包括：电源、喷枪、控制、冷却、送粉、进给、配气等子系统，重点工作是研制超音速等离子喷枪、超音速等离子/普通等离子喷涂两用逆变电源以及专用的控制系统。
1 系统的设计方案
在综合分析、论证国内外现有技术的基础上，制定了高效能超音速等离子喷涂设备系统的设计方案：
⑴ 采用 IGBT逆变技术研制 80 kW 级电源。
⑵ 充分利用等离子弧的热能，研制适合我国特点的低功率、小气体流量的高效能超音速等离子喷枪。
⑶ 采用 PLC 可编程控制器研制控制柜。
⑷ 采用氟利昂制冷技术研制冷却系统的热交换器。
⑸ 采用与超音速等离子喷涂相适应的精度高、主动式送粉的螺杆式送粉器。系统的总体构成如图 1 所示。
2 系统的特点
2.1 低功率、小气体流量的超音速等离子喷枪具有
单阳极、内送粉的结构美国 TAFA 公司最先进的 PlazJet 超音速等离子喷涂系统为了获得超音速等离子射流，依靠增加工作气体流量来提高射流的推力，采用了具有超长压缩孔道的喷嘴。其射流加速方案的实质是以气动力压缩为主、机械压缩为辅。但在系统功率不变的情况下，气体的流量增加会导致射流焓值降低、温度下降，不利于粉末颗粒在飞行过程中的加热和熔化。同时，射流速度的提高，使得粒子在高温射流中停留的时间缩短，也会影响喷涂粒子的加热和熔化。这不仅将引起涂层强度（内聚强度和结合强度）的下降，还会导致孔隙率的上升甚至造成疏松。为了达到热喷涂所要求的高温，在大气体流量（21 m3· h-1）条件下，靠提高喷枪电功率（270 kW）的方法来提高射流的温度，满足超音速喷涂的实际需要。但带来的副作用是能量损耗更大，喷枪热效率降低，喷涂成本提高，不便于推广应用。该枪采用的外送粉方式，一方面送粉位置不在等离子弧的高温区，没有充分利用焰流高温区的能量；另一方面由于等离子焰流的刚性很大，外送粉难以把粉末送到焰流中心，造成粉末熔化不均匀，熔化效率和沉积效率降低，浪费了喷涂材料。
等离子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、喷涂效率、喷涂成本以及整台设备的性能，它是超音速等离子喷涂设备中最为关键的部件。为了实现高效能的超音速等离子喷涂，设计的 HEPJet 喷枪从提高热能利用率和减少气体流量两方面入手。
(1) 为了降低气体流量，采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案，依靠增强对电弧初始段的压缩效应迫使阳极斑点前移来拉长电弧，同时达到了限制电弧过早分流，保证拉伐尔喷嘴关键部位的型面不被烧损的目的。
层与基体界面间的结合状态、主要元素在涂层中的分布状态等。结果表明，用 HEPJet 高效能超音速等离子喷枪制备陶瓷涂层，粒子熔化状态好、变形充分，涂层组织致密均匀，涂层中的缺陷少，明显优于 Metco 9M普通等离子喷枪，而与 PlazJet 高能高速等离子喷枪水平相当，见图 3。
4 结 论
(1) 高效能超音速等离子喷枪的设计突破了国外采取以增大气流量和提高电功率来获得超音速等离子射流的常规设计思路，发明了低功率(80 kW)、小气体流量(6 m3·h-1)、单阳极内送粉结构的高效能超音速等离子喷枪，为国内外研究超音速等离子喷涂技术开创了一条新路。
(2) 研制的超音速等离子喷涂系统在最大功率、最大工作气体流量、平均热效率、粉末沉积效率、电极价格、喷涂成本等经济性指标方面均达到了较高水平，充分体现了“高效能”的特点。
(3) 用高效能超音速等离子喷涂系统制备的陶瓷涂层，其显微硬度、孔隙率、结合强度等，比当前国际上的主流普通等离子喷涂系统，有显著提高；与高能高速喷涂系统制备的涂层性能相当，运行成本仅为后者的一半，应用前景广阔。
(4) 研制开发的高效能超音速等离子喷涂系统为零件表面强化提供了高科技的技术手段，提升了装备再制造的技术水平，扩大了装备再制造的范围，尤其是使重要装备关键零部件的再制造成为可能，取得了显著的效果。
参考文献略
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