一种具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置的制作方法

本发明涉涂层制备技术领域，特别涉及一一种具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置。

背景技术：

由于钛具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，被广泛应用于国民经济许多部门，但钛的价格较高，限制了其更广泛、低成本应用。据统计，2013年我国海绵钛产量为8万吨，在钛材的用量中利用钛合金耐腐蚀特性的用量达到60％以上，包括化工、海洋、舰船、盐业等方面。钛材的消耗巨大，如何降低钛材消耗一直是业内的难题。热喷涂制备Ti涂层是降低钛材消耗，低成本强化海洋及恶劣腐蚀条件下装备表面的有效途径。其主要优势是：(1)涂层薄，厚度一般小于0.5mm；(2)待防腐装备可先制造成形，后喷涂，避免钛-钢复合板在焊接过程易出现缺陷的问题；(3)可在铝基体上制备涂层，减轻设备重量；(4)可制备钛基复合涂层，通过添加其它元素进一步提高涂层性能。

但其缺点也比较突出，例如：(1)设备(低压等离子喷涂、冷喷涂)和粉末材料昂贵，喷涂成本高；(2)工件尺寸、形状受限；(3)不能在户外对大型装备实施现场喷涂；(4)大气环境中高温热源制备Ti涂层氧、氮含量高。

目前尚无成熟的可在大气环境中对复杂零部件、甚至在户外制备Ti涂层的技术或成功案例。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有超音速等离子喷涂装置喷涂成本高、尺寸较大、能在户外对大型装备实施现场喷涂的缺陷，提供了一种具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置。

本发明的另一目的是通过优化设计保护气进气角度，提高喷涂使的保护效果，防止涂层粉末被氧化。

本发明提供的技术方案为：

一种具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置，包括阳极喷嘴，其前端为圆柱形，并且具有中心通孔，所述阳极喷嘴上还设置有：

保护气孔，进口端设置在阳极喷嘴圆周面上，出口段设置在所述阳极喷嘴前端面上，所述保护气孔包括第一段气孔和第二段气孔，所述第一段气孔的轴线与中心通孔的轴线呈锐角α，所述第二段气孔的轴线与中心通孔的轴线呈锐角β；

送粉孔，其进口端设置在阳极喷嘴圆周面上，出口端与中心通孔联通，并且所述送粉孔的轴线与中心通孔的轴线垂直。

优选的是，所述保护气孔设置有两个，并且相对布置。

优选的是，所述送粉孔设置有两个，并且相对布置。

优选的是，两个保护气孔和两个送粉孔沿阳极喷嘴圆周方向间隔均匀布置。

优选的是，所述α角为40～65°。

优选的是，所述β角为0～25°。

优选的是，所述保护气孔的直径d为2～2.5mm。

优选的是，所述保护气孔进口端中心与阳极喷嘴前端面之间的距离L₁为8～10mm。

优选的是，所述保护气孔出口端中心与阳极喷嘴轴线之间的距离L₂为2.5～3.5mm。

优选的是，所述保护气孔的轴线与中心通孔的轴线夹角α满足：

$\mathrm{\α}=\arctan (\frac{L_1+L_2-d}{L_1+L_2}\·\frac{v^{0.985\ln \frac{d}{L_1+L_2}+0.877\ln \frac{d}{L_1+L_2-d}}}{\ln T})$

其中，v为送粉气流量，T为环境温度。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)结构简单，无固体罩，不需要加装冷水装置，安装、拆卸、检查方便。

(2)喷涂材料不易粘附在喷嘴孔道上。

(3)保护气对射流和大气环境起到一定的隔离作用，能够减少射流中喷涂粒子的氧化。

(4)保护气对射流起到一定的冷却作用，从而降低射流的温度和喷涂粒子的温度，减少喷涂粒子氧化的可能。

(5)与固体罩相比，喷涂距离不受限制。

(6)可根据喷涂需要选择不同种类的保护气，如为了降低喷涂材料的氧化和氮化，可采用Ar为保护气；为了提高喷涂材料氮化效果，可采用N2为保护气，此时为一种反应等离子喷涂。

附图说明

图1为本发明所述的具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的阳极喷嘴主视图。

图3为本发明所述的阳极喷嘴A-A向剖视图。

图4为本发明所述的阳极喷嘴B-B向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种具有两段式保护气孔的大气超音速等离子喷涂装置，包括枪座1、枪体压帽2、枪体3、绝缘体4、气体旋流环5、送粉架6、喷嘴压帽7、阳极喷嘴8、导流结构9、阴极头10、后绝缘体11、进水口12、等离子气体进口13、出水口14、阴极体15、整垫片16、后绝缘压帽17、阴极体压帽18。

如图2、图3、图4所示，所述阳极喷嘴8呈回转体形状，其前端为圆柱形，并且在阳极喷嘴8的中心轴线处设置有中心通孔801，所述阳极喷嘴8上还设置有保护气孔802和送粉孔803。其中保护气孔802为在阳极喷嘴8的进口端在圆周面上，出口段位于阳极喷嘴8的前端面上。保护气孔802设置为两段式，包括第一段气孔和第二段气孔，所述第一段气孔的中心轴线与中心通孔的轴线之间呈锐角α，所述第二段气孔的中心轴线与中心通孔的轴线之间呈β角；保护气孔802的直径为d。并且所述保护气孔802的进口端中心与阳极喷嘴前端面的距离L₁，所述保护气孔出口端中心与阳极喷嘴轴线之间的距离L₂。

所述保护气孔802设置有两个，相对于阳极喷嘴8的中心轴线对称布置。

所述送粉孔803进口端设置在阳极喷嘴8圆周面上，并且送粉孔803的出口端与中心通孔联通，并且所述送粉孔803的轴线与中心通孔的轴线垂直。所述送粉孔803也设置有两个，并且相对于阳极喷嘴8的中心轴线对称布置。相邻的保护气孔802和送粉孔803之间的在阳极喷嘴8圆周面上的相位角为90度。

所述第一段气孔的轴线与中心通孔的轴线夹角α满足：

$\mathrm{\α}=\arctan (\frac{L_1+L_2-d}{L_1+L_2}\·\frac{v^{0.985\ln \frac{d}{L_1+L_2}+0.877\ln \frac{d}{L_1+L_2-d}}}{\ln T})$

其中，v为送粉气流量，T为环境温度。

通过上述保护气进气角度的设计，能够提高喷涂使的保护效果，防止涂层粉末被氧化。

所述α角为40～65°，β角为0～25°，保护气孔的直径d为2～2.5mm，保护气孔进口端中心与阳极喷嘴前端面的距离L为8～10mm，所述保护气孔出口端中心与阳极喷嘴轴线之间的距离L₂为2.5～3.5mm。

根据保护气实际工况的需要，选择Ar、He、CO2、O2或N2等接入到保护气孔802。喷涂时，保护气由保护气孔802，从相对的两个方向送入到等离子射流，由于等离子射流的速度和刚性较强，保护气与射流有一定夹角，故保护气不会穿透射流，同时由于保护气射入射流后仍然在喷嘴内部，不会被反弹，故会沿射流方向在射流周围形成保护气气罩。

进行喷涂时，参数选择如下：

Ar流量：100～190L/min；

Ar压力：1～1.3MPa；

He流量：5～30L/min；

He压力：1～1.2MPa；

工作电压：80～130V；

工作电流：250～350A；

送粉量：15～50g/min；

送粉气压力：0.5～0.8MPa；

送粉气流量：6～15L/min；

喷涂距离：60～90mm。

本发明提供的形成保护气罩的大气超音速等离子喷涂装置，具有以下优点：

(1)结构简单，无固体罩，不需要加装冷水装置，安装、拆卸、检查方便。

(2)喷涂材料不易粘附在喷嘴孔道上。

(3)保护气对射流和大气环境起到一定的隔离作用，能够减少射流中喷涂粒子的氧化。

(4)保护气对射流起到一定的冷却作用，从而降低射流的温度和喷涂粒子的温度，减少喷涂粒子氧化的可能。

(5)与固体罩相比，喷涂距离不受限制。

(6)可根据喷涂需要选择不同种类的保护气，如为了降低喷涂材料的氧化和氮化，可采用Ar为保护气；为了提高喷涂材料氮化效果，可采用N2为保护气，此时为一种反应等离子喷涂。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。