CN101956154A - 超低压等离子喷涂设备 - Google Patents
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Abstract
一种可以喷涂金属，氧化物或碳化物的超低压等离子喷涂设备，属于金属及其氧化物或碳化物涂层制备的喷涂设备。包括直流等离子喷枪，低压喷涂容器，喷枪三维行走控制装置，等离子直流电源，等离子辅助电源，低压真空泵，所述的直流等离子喷枪为内送粉直流电弧等离子喷枪，粉末从直流等离子喷枪喷嘴入口注入，在喷嘴内部加热后，继续在直流等离子喷枪外低压环境下加热，加速，并在低压环境下喷射到金属基材表面形成涂层；喷涂中低压喷涂容器内动态压力为30-8000Pa；本发明提出的超低压等离子喷涂设备适于制备具有柱状晶或者等轴晶结构的大面积，高质量厚涂层。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低压等离子喷涂设备，属于喷涂金属、氧化物或金属碳化物的大面积涂层制备设备。
背景技术
等离子喷涂是涂层制备中最常用的技术之一，能够灵活的在大气或者低压容器内，在零部件表面快速制备各种涂层。等离子喷涂通常是将粉末状材料输送到高温等离子射流中，粉末在高温等离子射流中被瞬间加热到熔化或者半熔化状态，并以一定的速度喷射撞击到零件表面形成涂层。但是，由于大气条件下等离子射流温度在喷枪出口15-20mm之后急速下降，粉末在高温等离子射流中滞留时间很短，喷涂的过程中大多数颗粒处于半熔化状态。等离子喷涂组织特点为单个粒子凝固形成层片状堆积结构。研究表明：大气等离子喷涂氧化铝，层间结合率总界面积小于三分之一，其余三分之二的界面未真正结合在一起，涂层内存在的未熔粒子间界面和气孔等缺陷，成为涂层脆性和脱落的裂纹源。等离子喷涂的特点决定了在涂层内部与喷涂平行和垂直方向形成不同弹性模量的涂层，并且涂层的弹性模量和屈服强度与结构材料的物理性能有很大差别，限制了涂层的应用。上世纪80年代发展的低压等离子喷涂技术在某种程度上提高了涂层的性能，特别是在喷涂金属钛、铝合金以及金属钨等材料，能够防止喷涂中金属粒子的氧化。目前低压等离子喷涂的动态工作压力范围在100-800mbar，喷涂组织与大气等离子喷涂基本相同，仍然呈层状堆积结构。近年来随着工业的发展，迫切需要具有各向同性(弹性模量)大面积、厚涂层。例如用于托卡马克反应堆耐高温等离子辐射要求的热传导良好的金属钨涂层，但是传统低压等离子喷涂的层状结构和内部缺陷将会加速钨涂层的起泡，并且层状结构还会降低涂层的热传导。火箭发动机助燃催化剂外部壳体要求涂层高强度、厚度达到4mm以上。
与传统的等离子喷涂形成层片状堆积结构相比，超低压等离子喷涂可以形成具有柱状晶结构、致密结构或者等轴晶结构的特殊结构涂层，扩大了涂层的应用范围。超低压等离子喷涂制备柱状晶或等轴晶结构涂层需要等离子喷枪具有足够的能量使喷涂粉体材料充分熔化并且达到粉体部分气化。
超低压等离子喷涂的关键问题在于，超低压环境导致等离子喷枪外部加热能力明显下降。等离子体从喷枪喷出后，等离子体迅速膨胀，随着周围环境压力的降低，等离子体密度降低，等离子体自由程增大。等离子体对粉体颗粒的传热方式通常根据Knudsen数(Kn)来加以划分，该无量纲数定义为气体粒子的平均自由程长度λ与粉体颗粒的特征尺度L之比，即Kn＝λ/L。大气条件下等离子体密度较高，平均自由程长度λ小，因此Knudsen数较小，一般Kn＜＜1，此时等离子体与颗粒的传热可以认为是连续介质，等离子体对粉体颗粒加热能力高。在低压或超低压条件，由于等离子体密度降低，平均自由程长度λ也相应增加，Kn＞＞1，此时，等离子体对粉体颗粒加热能力急速降低。
为此，Sulzer Metco AG(美国专利5853815)提出了一种在低压条件下利用等离子喷涂制备大面积涂层的方法，并对喷枪内外的压力(喷枪：1-100atm，环境压力：10-0.001Torr)和喷枪的送粉方式，喷涂粉末粒度(小于10微米)等进行了权利要求。Sulzer Metco AG低压离子喷涂采用电流2500A，功率150kW的大功率等离子喷枪，这不仅造成电能的浪费，也会加速喷枪阴极和阳极的电弧腐蚀。另外美国专利5679167提出采用内侧送粉喷枪，但是由于喷嘴与阳极为同一体，并且外部喷嘴部分没有水冷却，限制了喷嘴不能太长。此外，粉末注入位置离出口较近，粉末不能充分熔化，用这种喷枪不能喷涂氧化锆高熔点材料制备涂层。
发明内容
为解决现有低压等离子喷涂设备技术的不足，通过研究我们发现，在低压环境压力下，喷枪外部等离子射流的压力在喷嘴出口后急速降低，而在喷嘴内部压力却高于喷枪外部，在喷嘴内部属于Kn＜1，表明等离子体对粉体的加热能力高。根据喷嘴内部压力高这一原理，设计将粉体送入喷嘴入口，在高压喷嘴内部，将粉体的熔化控制在60％左右，在喷嘴出口进一步加热达到完全熔化。这样可在不增加等离子喷枪功率和进气体流量的情况下完成对粉体颗粒的加热。
本发明的技术解决方案是这样实现的：设计了一种超低压等离子喷涂设备，包括直流等离子喷枪，低压喷涂容器，喷枪三维行走控制装置，等离子直流电源，等离子辅助电源，低压真空泵，直流等离子喷枪为内送粉直流电弧等离子喷枪，粉末注入直流等离子喷枪喷嘴内部，在喷嘴内部加热后，继续在直流等离子喷枪外低压环境下加热，加速，并在低压环境下喷射到金属基材表面形成涂层；喷涂中低压喷涂容器内动态压力为30-8000Pa。
为了获得柱状晶或等轴晶等离子喷涂涂层，要求注入等离子喷枪的粉体得到充分熔化，并且达到粉体部分气化。本发明等离子发生器提出的低压直流等离子喷枪，采用喷嘴内送粉形式，能够在低于40kW功率下使加热粉体达到一定程度的气化。为了使粉体能够有一定比率的气化，降低喷涂周围环境的压力有利于气化。为了获得大面积均匀涂层本发明提出了喷枪三维行走控制装置采用编程步进电机从垂直和水平两个方向控制直流等离子喷枪行走。由于超低压条件下容易引起交流电放电，采用步进电机外部为密封金属壳体与外部环境隔离，保持电机工作时压力为1atm。
为了更好的保证超低压等离子喷涂获得高质量，大面积涂层，本发明还提出了如下技术方案：
采用空载电压为200V，最大电流为50A的偏压等离子直流电源和等离子辅助电源，加热粉体的金属工件，电源的负极与直流等离子喷枪阳极连接，电源的正极与被喷涂金属工件连接，使等离子射流形成联合电弧等离子体。
在超低压等离子喷涂设备中采用两组低压真空泵，每组低压真空泵由两个串连不同排气量的罗茨泵和一个滑阀泵构成，分别控制单个低压真空泵工作，通过组合达到控制低压喷涂容器内部压力为30-8000Pa。
在超低压等离子喷涂设备中，低压喷涂容器为垂直放置结构，内部高度为2-5m，从容器的上部和下部各设一个排气口，直流等离子喷枪固定在三维行走控制装置上，向下喷射，距容器底部最小距离为1m。
本发明的有益效果是：①在较低等离子电流下(600A)能够在容器动态环境压力50Pa下，喷涂ZrO2-8Y2O3，此时等离子喷枪输入功率仅为30kW。②在低压条件下，喷涂ZrO2-8Y2O3可制备类柱状晶结构涂层。③由于等离子电流低，阳极和阴极寿命得到延长。
附图说明
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的描述。
图1为本发明装置结构示意图。
图1中：1、直流等离子喷枪，2、低压喷涂容器，3、喷枪三维行走控制装置，4、等离子直流电源，5、等离子辅助电源，6、低压真空泵。
具体实施方式
下面结合实施例具体说明本发明。
本实施例的一种超低压等离子喷涂设备，包括直流等离子喷枪(1)，低压喷涂容器(2)，喷枪三维行走控制装置(3)，等离子直流电源(4)，等离子辅助电源(5)，低压真空泵(6)，直流等离子喷枪(1)为内送粉直流电弧等离子喷枪，粉末注入直流等离子喷枪(1)喷嘴内部，在喷嘴内部加热后，继续在直流等离子喷枪(1)外低压环境下加热，加速，并在低压环境下喷射到金属基材表面形成涂层；喷涂中低压喷涂容器(2)内动态压力为30-8000Pa。
本发明等离子发生器提出的低压直流等离子喷枪(1)，采用喷嘴内送粉形式，能够在低于40kW功率下使加热粉体达到一定程度的气化。为了使粉体能够有一定比率的气化，降低喷涂周围环境的压力有利于气化。为了获得大面积均匀涂层本发明提出了喷枪三维行走控制装置(3)采用编程步进电机从垂直和水平两个方向控制直流等离子喷枪(1)行走。由于超低压条件下容易引起交流电放电，采用步进电机外部为密封金属壳体与外部环境隔离，保持电机工作时压力为1atm。
采用空载电压为200V，最大电流为50A的偏压等离子直流电源(4)和等离子辅助电源(5)，加热粉体的金属工件，电源的负极与直流等离子喷枪(1)阳极连接，电源的正极与被喷涂金属工件连接，使等离子射流形成联合电弧等离子体。
在超低压等离子喷涂设备中采用两组低压真空泵(6)，每组低压真空泵(6)由两个串连不同排气量的罗茨泵和一个滑阀泵构成，分别控制单个低压真空泵工作，通过组合达到控制低压喷涂容器(2)内部压力为30-8000Pa。
在超低压等离子喷涂设备中，低压喷涂容器(2)为垂直放置结构，内部高度为5m，从容器的上部和下部各设一个排气口，直流等离子喷枪(1)固定在喷枪三维行走控制装置(3)上，向下喷射，距容器底部最小距离为1m。
利用本实施例进行超低压等离子喷涂ZrO2-8Y2O3，选取粒度10-35微米的ZrO2-8Y2O3粉体为喷涂原料，在表1条件下制备了柱状晶结构的断面涂层，涂层厚度超过0.8mm。
表1超低压等离子喷涂ZrO2-8Y2O3参数
利用本实施例进行低压等离子喷涂SUS316L，选取粒度25-50微米的SUS316L球形粉体为喷涂原料，在表2条件下制备了等轴晶结构的不锈钢涂层，涂层厚度超过0.5mm。
表1低压等离子喷涂SUS16L参数
本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种超低压等离子喷涂设备，其特征在于：包括直流等离子喷枪(1)，低压喷涂容器(2)，喷枪三维行走控制装置(3)，等离子直流电源(4)，等离子辅助电源(5)，低压真空泵组(6)。所述的直流等离子喷枪(1)为内送粉直流电弧等离子喷枪，喷涂粉末从等离子喷枪(1)的喷嘴入口注入，在喷嘴内部加热后，继续在等离子喷枪(1)外低压环境下加热，加速，并在低压环境下喷射到金属基材表面形成涂层；喷涂中低压喷涂容器(2)内动态压力为30-8000Pa；所述的喷枪三维行走控制装置(3)安装在低压喷涂容器(2)内采用编程步进电机从垂直和水平两个方向控制直流等离子喷枪(1)行走，步进电机外部采用密封金属壳体与外部环境隔离，保持电机工作时压力为1atm。
2.根据权利要求1所述的一种超低压等离子喷涂设备，其特征在于：等离子直流电源(4)与等离子喷枪连接，等离子辅助电源(5)的负极与离子喷枪(1)阳极连接，辅助电源的正极与被喷涂金属工件连接。
3.根据权利要求1所述的一种超低压等离子喷涂设备，其特征在于：采用两组低压真空泵(6)，每组低压真空泵(6)由两个串连不同排气量的罗茨泵和一个滑阀泵构成，分别控制单个低压真空泵工作，通过组合达到控制低压喷涂容器(2)内部压力为30-8000Pa。
4.根据权利要求1所述的一种超低压等离子喷涂设备，其特征在于：所述的低压喷涂容器(2)为垂直放置结构，内部高度为2-5m，从容器的上部和下部各设一个排气口，直流等离子喷枪(1)固定在三维行走控制装置(3)上，向下喷射，距容器底部最小距离为1m。
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