超低压等离子喷涂喷嘴设计与喷枪特性
高阳，杨德明
热喷涂技术
近几年来，超低压等离子喷涂(VLPPS或PS—PVD)受到广泛关注，使用它可以制备出相比大气等离子喷涂或者低压等离子喷涂(5000~8000Pa)的层片状结构截然不同的特殊结构涂层，比如等轴晶结构的金属涂层，以及柱状晶结构的氧化锆稳定氧化钇(YSZ)热障涂层。 Refke的研究表明，YSZ柱状晶涂层的形成需要YSZ热喷涂粉末在等离子射流中达到气相状态，这意味着等离子发生器的功率必须足够大才能使热喷涂粉末在瞬间加热到气相。然而，在低压条件下，喷枪外部等离子射流变得稀薄，更重要的是等离子有效自 由程变长，导致等离子射流在喷嘴出口处加热热喷涂粉末的能力迅速下降。为了确保热喷涂粉末能够蒸发，瑞士的Sulzer Metco公司采用了03CP大功率单阴极等离子喷枪，在进气总流量达到200SLPM时，电弧电流可以达到2500A，功率达到180kW。但是，如此高的电流也产生了一系列问题，例如阳极和阴极受电弧烧损严重、导致过高的基体温度，喷嘴要求更高的冷却系统等等。
采用内送粉方式是提高等离子喷涂过程中热喷涂粉末熔化程度的有效方法，研究指出，对于氧化铝涂层，在输入功率相同的条件下，相比外送粉方式，内送粉喷涂的沉积效率可以提高30％I8~。所以对于低压等离子喷涂而言，内送粉方式也是增强热喷涂粉末熔化程度，提高沉积效率不错的选择。R．Bolot模拟设计了用于真空等离子喷涂的钟形德拉瓦尔喷嘴，计算结果表明，该结构对于改善超音速射流中的温度不平衡和压力激波有利，但是，该喷嘴对于难熔材料的加热作用似乎不明显。本研究的目的在于设计一种适应于低压环境使用的等离子喷枪，特别是阳极喷嘴，提高热喷涂粉末的熔化程度，祢补低压环境造成等离子在喷枪外部加热能力下降的缺陷。
摘 要：相比大气等离子喷涂(APS)，超低压等离子喷涂(vLPPS)在喷嘴出口处的自由区域对热喷涂粉末的加热能力较低。目前，大多数超低压等离子喷涂设备采用大功率等离子喷枪，电弧电流高达2500A，以补偿加热能力较低的缺点，然而这样对等离子喷枪及其辅助设备要求较高。根据低压环境下的等离子体特性，设计了内送粉变径阳极等离子喷枪。本研究使用热焓探针系统测量了低压以及超低压状态下等离子体内部压力变化。在真空室压力为1000Pa，电流为500～600A，电压为50V时，制备了SUS316不锈钢涂层。结果表明：在适当的条件下涂层呈现类似结构材料的等轴晶组织。
关键词：热喷涂；热喷涂粉末；低压等离子喷涂；等离子射流；等轴晶组织；喷嘴
1 超低压等离子喷涂的喷嘴设计
1。1超低压等离子喷涂设备
图1为大连海事大学在2009年开发的超低压等离子喷涂与沉积设备。等离子喷枪采用垂直向下喷射方式，固定在具有PLC程控的三维驱动行走装置上，通过控制x—Y平面行走速度，能够满足各类不同喷涂距离下的零件平面喷涂需求。在真空室底部安装有垂直和水平旋转装置，可满足轴类和圆盘状工件的喷涂。
真空系统采用大功率罗茨泵与滑阀泵配合，实现了高速抽气，在进气流量200SLPM下，容器内动态真空度可达100Pa以下。通过控制真空系统，喷涂动态压力可以在30～8000 Pa范围内调节。此外在容器侧面设有热电偶和热焓探针测量专用口和喷涂观察窗。
1．2用于超低压环境的等离子喷嘴设计
根据以往的低压等离子喷涂经验，热喷涂粉末在喷嘴外部等离子射流中的熔化状态与真空室的压力有关。随着环境压力的降低，喷涂粉体材料熔化不充分，沉积效率明显降低。对于像氧化锆这样低热导率，高熔点陶瓷材料，与大气等离子喷涂相比，低压等离子喷涂则需要更大的输入功率。例如Sulzer Metco生产的超低压等离子喷涂设备，采用了03CP大功率等离子喷枪，最高等离子工作电流达到2500A 。而其它目前商业上广泛采用的F4一VB喷枪，在100Pa低压条件下很难使氧化锆热喷涂粉末达到气化状态制备出柱状晶涂层。
热等离子体的传热可以在很广泛的区域内进行，相应地要求采用不同的理论处理方法，使用不同的基本方程式。
略
3 结论
为了使喷涂热喷涂粉末在低压条件下有效的熔化，设计了内送粉变径阳极等离子喷枪，使用SUS316不锈钢热喷涂粉末在低压条件下进行试验，结果如下：
(1)使用大功率滑阀泵与罗茨泵配合，在进气流量为200SLPM的情况下，真空室动态压力低于50Pa。通过控制真空系统，喷涂时的压力可以在30～8000Pa范围内调节。
(2)分析了等离子射流在不同条件下的Kn数；Kn数是判定等离子射流对热喷涂粉末加热能力的重要参数。根据在低压条件下等离子的特性，设计了适合低压条件下使用的喷嘴。
(3)使用低压等离子喷涂，在适当的条件下制备了等轴晶结构的SUS316L涂层。
图略
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
