一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极及集束等离子喷涂方法与流程

本发明涉及等离子喷涂、再制造和修复领域，具体涉及一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极及集束等离子喷涂方法，通过将阳极出口内径限制在0.5-3毫米的范围内，利用微孔阳极压缩效应获得能量密度集中、发散性小的等离子微射流，等离子微射流的斑点小，适合用于精密零件、微小零件、薄壁零件的表面涂层加工，同时可以把射流加热工件的位置集中在微小的射流斑点区域内，在避免工件整体温度上升的同时，瞬间熔化待喷涂工件表面的局部区域，使得涂层与基体产生冶金结合；利用周向环形分布的粉末输送通道将粉末形成具有预先设计夹角、发散性小的锥形粉末流，使其在等离子微射流中的加热、加速更加均匀，从而获得化学成分均匀、微观结构致密、形成冶金结合的喷涂涂层。

背景技术：

等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，如图1所示，其利用电能将氩气、氮气、氢气、或氦气等混合气体在等离子喷枪的阴极与阳极之间发生电离，转变为高温等离子体并形成高温等离子射流(一般10000摄氏度以上)，利用其高温、高速等离子射流将通过送粉装置送入的金属、合金、金属氧化物、金属碳化物等粉末材料迅速加热、加速后，撞击工件基体后经过扁平化并急速冷却形成涂层的工艺方法。

等离子喷涂过程中，基体的温度一般被控制在300-400摄氏度以下，基体表面不发生熔化，等离子喷涂涂层与工件基体的结合方式为机械结合(杨焜等，大气等离子喷涂tio2涂层性能及厚涂层制备工艺，中国表面工程，第27卷第4期(2014)，p12-18；杨卓，哈尔滨工业大学学位位论文，离子喷涂法制备al2o3/ag-cu-ti复合涂层工艺研究，2012年7月)。

如图1所示，现有等离子喷涂技术通过单根送粉管或两根送粉管送粉，通常选用送粉管置于阳极前部的外送粉方式，与等离子射流成直角将粉末送入等离子射流中，粉末发散严重，在等离子射流受热中受热不均匀，位于等离子射流中心的粉末过度熔化而发生破碎和蒸发，而位于等离子射流边缘的粉末多处于固态或半熔化状态，所制备的涂层中容易夹杂未熔化的粉末颗粒。

如图1所示，阳极位于等离子喷枪的前部。图2为现有等离子喷枪的阳极的剖面结构示意图，阳极作为等离子喷枪的电极和等离子体的流通通道，是等离子喷枪的一个关键零部件。为了提高等离子喷涂设备的功率，提高等离子气体的流量，获得大的粉末的送粉速度和高的喷涂生产效率，国内主要开展等离子喷涂研究和应用的单位所采用的等离子喷枪其阳极出口内径较大，通常为5-20毫米，具体情况详述如下：

(1)水利部杭州机械设计研究所公布的等离子喷枪，其阳极出口内径为6-13毫米(发明专利，申请公布号cn108165923a，陈小明，一种新型超高音速高焓值等离子喷枪及wc基复合涂层的制备工艺)。

(2)大连海事大学公布的低压等离子喷枪的阳极出口内径为8-20毫米(发明专利，授权公告号cn101954324b，高阳，一种低压等离子喷涂用等离子喷枪)。大连海事大学自行开发的最大功率为5千瓦的小功率等离子喷枪的阳极出口内径为5毫米，并没有因为功率低些而大大减小阳极出口内径(高阳等，小功率等离子体射流的流特性，第24卷第2期(2003)，p147-151)。

(3)广东新材料研究所使用的等离子喷涂系统的喷枪为德国gtvgmbh的f6喷枪，其阳极出口内径为6毫米(kuiwen等，numericalsimulationandexperimentalstudyofar-h2dcatmosphericplasmaspraying,surface&coatingstechnology,371(2019),p312-321)。

(4)装甲兵工程学院和西安交通大学联合开发的超音速等离子喷涂系统，其喷枪的阳极出口内径为5.6毫米(谭超等，内送粉超声速等离子喷涂流场特性分析，推进技术，第36卷第1期(2015),p30-36)。

(5)福州大学使用的等离子喷涂系统的喷枪为北京航空制造工艺研究所生产的pq-1s喷枪，其阳极出口内径为7.8毫米(叶向艺，硕士毕业论文，直流等离子喷枪内电弧和射流行为的三维非稳态模拟，2013年1月)。

(6)天津大学和西安交通大学使用的等离子喷涂系统的喷枪为aps-2000型9m喷枪，其阳极出口内径为7.8毫米。

(7)西南石油大学使用的超音速等离子喷涂系统，其喷枪的阳极出口内径为5.5毫米(张勇，博士毕业论文，等离子喷涂射流特性及熔滴铺展凝固行为研究，2015年9月)。

由上述分析可知，现有的等离子喷涂技术有如下四点不足：

(1)目前，市场对精密、小型零部件的表面喷涂需求急剧增加。由于现有等离子喷枪的阳极出口内径较大，因此等离子射流的直径大，对于精密、小型零部件的表面制备涂层时，为了防止不需要喷涂的周边位置附上涂层，通常采用遮挡的方法进行防护(比如缠绕高温胶带、金属片等)，这不仅增加了生产前期准备工作量，而且由于等离子射流的温度高，高温胶带、金属片等容易烧损脱落，其防护效果很差。因此，为了满足精细零件的等离子喷涂需求，急需开发阳极出口内径小、等离子射流更加集中的等离子喷涂设备。

(2)由于阳极出口内径通常为5-20毫米，尺寸较大，必然导致等离子射流的斑点大。喷涂过程中，大斑点、炽热的等离子射流对工件进行大面积的加热，工件的温度整体升高，将劣化工件的微观组织和力学性能。为了避免工件受到等离子射流加热的影响，在等离子喷涂生产过程中，喷涂距离(喷涂工件表面到喷枪阳极出口的距离)设定较远，通常为80-150毫米。然而，喷涂距离越远，等离子射流的集中性越差，所制备涂层的致密性就越低。

(3)现有等离子喷涂过程中，基体的温度一般被控制在300-400摄氏度以下，基体表面不发生熔化，制备的涂层与基体的结合方式为机械结合，结合力通常低于40mpa，与冶金结合相比，涂层与基体的结合强度较低，导致在涂层服役过程中，涂层容易发生局部脱落，甚至整体剥落，涂层的工作寿命短。

(4)现有等离子喷涂的等离子射流的集中性差；单根送粉管或两根送粉管送粉的均匀性也差。导致经过等离子射流加热、加速后的粉末颗粒的速度和温度各不相同，均匀性差，所制备的涂层中容易夹杂未熔化的粉末颗粒，同时未沉积为涂层的粉末颗粒飞向周边环境中，粉末材料的沉积效率低。不仅污染环境，而且提高了制备单位面积涂层的粉末的消耗量，从而降低了生产效率，提高了生产成本。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极及集束等离子喷涂方法，将阳极出口内径限制在0.5-3毫米的范围内，等离子微射流的斑点小，能使涂层与基体产生冶金结合，粉末加热、加速更加均匀，从而获得化学成分均匀、微观结构致密、形成冶金结合的喷涂涂层。本发明结构简单，无需另外增加冷却循环装置，安装、拆卸、检查方便。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极；包括阳极前部、阳极中部和阳极后部，并与等离子喷枪进行同轴连接。阳极前部有粉末输送通道和保护气体输送通道；微孔阳极的内通道自行围合形成喷管，微孔阳极的出口内径为0.5-3毫米；微孔阳极内有冷却循环水空间。

所述的阳极前部有粉末输送通道，其数量为3-6个，在阳极前部的外圆周面上均匀分布；所述的粉末输送通道与喷管相通，其与中心线的夹角a为10-85度。

所述的粉末输送通道将粉末高速、均匀地送至等离子射流中，形成具有预先设计夹角a的锥形粉末射流，并最终聚焦于中心轴某一点上，从而获得高速、均匀分布、发散性小的粉末射流。由于粉末输送通道有3-6个，粉末从四周环形送粉，与现有的单送粉管或双送粉管相比，单位时间内送粉量可以大大提高，从而获得高浓度的锥形粉末射流；特别地，利用高浓度粉末射流挡住等离子射流对工件基体的辐射加热，可降低等离子射流对工件基体的热作用，从而即使在短的喷涂距离内，也能大幅度缓解工件整体由于过度受热引起的整体力学性能降低，也提高了等离子喷涂热源用于加热粉末的热效率。另外，粉末在等离子射流中加热均匀性好，避免了粉末合金元素由于过热发生蒸发和烧损，喷涂涂层的化学成分与原始粉末更近似一致，不向环境中释放有害的金属蒸气，有利于保护操作工人的身体健康和满足环保要求。

所述的阳极前部有保护气体输送通道，其数量为3-6个，在阳极前部的外圆周面上均匀分布。所述的保护气体输送通道与喷管相通，其与中心线的夹角b为10-85度。所述保护气体输送通道与所述的粉末输送通道相比，更靠近喷管出口方向。所述的保护气体输送通道将保护气体高速、均匀地送至等离子射流中，形成具有预先设计夹角b的锥形保护气流，并最终聚焦于中心轴上，在防止外界空气卷入等离子射流中的同时，进一步约束粉末，防止粉末发生发散，促进粉末聚焦在一起。

所述微孔阳极的喷管为等离子体的流通通道，其出口内径d非常小，仅为0.5-3毫米。利用微孔阳极压缩效应获得能量密度集中、发散性小的等离子微射流，等离子微射流的斑点小，可以把射流加热工件的位置集中在微小的射流斑点区域内，在避免工件整体温度上升的同时，瞬间熔化待喷涂工件表面的局部区域，使得涂层与基体产生冶金结合。

所述的喷管沿出口方向其内径呈现收缩形式；或沿出口方向上其内径保持不变；或沿出口方向上其内径呈现扩张形式；或是上述形式的组合方式。

所述的阳极前部与阳极中部分开为两个单独的零件，二者通过螺纹固定连接，并采用密封圈进行密封。

为了简化微孔阳极的结构，所述保护气体输送通道可以安装在阳极的前部，或省略不要。

所述的等离子喷枪为大气等离子喷枪、真空等离子喷枪、超音速等离子喷枪、微束等离子喷枪；等离子喷枪的等离子弧可为非转移型等离子弧，也可以为转移型等离子弧。

采用本发明的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极，与现有等离子喷枪相配合，获得集束等离子射流，从而形成集束等离子喷涂方法，其具体的操作步骤如下：

(a)将本发明的用于集束等离子喷枪的微孔阳极替换现有等离子喷枪的阳极，并做好固定和密封，获得集束等离子射流；

(b)通过粉末输送通道(4)送入粉末和送粉气，通过保护气体输送通道(5)通入保护气；

(c)按照等离子喷涂系统的操作程序开机，设置集束等离子喷涂的工艺参数，进行集束等离子喷涂；

(d)集束等离子喷涂作业完成后按照设备操作程序关机。

本发明的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极及集束等离子喷涂方法，将阳极出口内径限制在0.5-3毫米的范围内，利用微孔阳极压缩效应获得能量密度集中、发散性小的等离子微射流，等离子微射流的斑点小，适合用于精密零件、微小零件、薄壁零件的表面涂层加工，同时可以把射流加热工件的位置集中在微小的射流斑点区域内，在避免工件整体温度上升的同时，瞬间熔化待喷涂工件表面的局部区域，使得涂层与基体产生冶金结合；利用周向环形分布的粉末输送通道将粉末形成具有预先设计夹角、发散性小的锥形粉末流，使其在等离子微射流中的加热、加速更加均匀，从而获得化学成分均匀、微观结构致密、形成冶金结合的喷涂涂层。本发明结构简单，无需另外增加冷却循环装置，安装、拆卸、检查方便，工程应用广泛。

附图说明

图1为现有等离子喷涂技术原理图；

图2为现有等离子喷枪的阳极的剖面结构示意图；

图3为本发明提供的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极的剖面结构正视图；

图4为本发明提供的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极的前部的左视图；

图5为沿出口方向上其内径保持不变的喷管的剖面结构示意图；

图6为沿出口方向上其内径呈现扩张形式的喷管的剖面结构示意图；

图7为与阳极中部分离的阳极前部的剖面结构示意图；

图8为保护气体输送通道安装在阳极的前部的剖面结构示意图。

附图标记说明：

1、阳极前部；2、阳极中部；3、阳极后部；4、粉末输送通道；5、保护气体输送通道；6、喷管；7、冷却循环水空间。

具体实施方式

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

如图3和图4所示，本发明公开了一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极，包括阳极前部(1)、阳极中部(2)和阳极后部(3)，并与等离子喷枪进行同轴连接。阳极前部(1)有粉末输送通道(4)和保护气体输送通道(5)。微孔阳极的内通道自行围合形成喷管(6)，微孔阳极出口内径为0.5-3毫米；微孔阳极内有冷却循环水空间(7)。

优选地，如图3和图4所示，所述的阳极前部(1)有粉末输送通道(4)，其数量为3-6个，在阳极前部(1)的外圆周面上均匀分布。所述的粉末输送通道(4)与喷管(6)相通，其与中心线的夹角a为10-85度。

所述的粉末输送通道(4)将粉末高速、均匀地送至等离子射流中，形成具有预先设计夹角a的锥形粉末射流，并最终聚焦于中心轴某一点上，从而获得高速、均匀分布、发散性小的粉末射流。由于粉末输送通道(4)有3-6个，粉末从四周环形送粉，与现有的单送粉管或双送粉管相比，单位时间内送粉量可以大大提高，从而获得高浓度的锥形粉末射流；特别地，利用高浓度粉末射流挡住等离子射流对工件基体的辐射加热，可降低等离子射流对工件基体的热作用，从而即使在短的喷涂距离内，也能大幅度缓解工件整体由于过度受热引起的整体力学性能降低，也提高了等离子喷涂热源用于加热粉末的热效率。另外，粉末在等离子射流中加热均匀性好，避免了粉末合金元素由于过热发生蒸发和烧损，喷涂涂层的化学成分与原始粉末更近似一致，不向环境中释放有害的金属蒸气，有利于保护操作工人的身体健康和满足环保要求。

优选地，如图3所示，所述的阳极前部(1)有保护气体输送通道(5)，其数量为3-6个，在阳极前部(1)的外圆周面上均匀分布。所述的保护气体输送通道(5)与喷管(6)相通，其与中心线的夹角b为10-85度。所述保护气体输送通道(5)与所述的粉末输送通道(4)相比，更靠近喷管(6)出口方向。所述的保护气体输送通道(5)将保护气体高速、均匀地送至等离子射流中，形成具有预先设计夹角b的锥形保护气流，并最终聚焦于中心轴上，在防止外界空气卷入等离子射流中的同时，进一步约束粉末，防止粉末发生发散，促进粉末聚焦在一起。

优选地，如图3所示，所述微孔阳极的喷管(6)为等离子体的流通通道，其出口内径d非常小，仅为0.5-3毫米。利用微孔阳极压缩效应获得能量密度集中、发散性小的等离子微射流，等离子微射流的斑点小，可以把射流加热工件的位置集中在微小的射流斑点区域内，在避免工件整体温度上升的同时，瞬间熔化待喷涂工件表面的局部区域，使得涂层与基体产生冶金结合。

优选地，如图3所示，所述的喷管(6)沿出口方向其内径呈现收缩形式；或如图5所示，所述的喷管(6)沿出口方向上其内径保持不变；或如图6所示，所述的喷管(6)沿出口方向上其内径呈现扩张形式；或是上述形式的组合方式。

优选地，如图7所示，所述的阳极前部(1)与阳极中部(2)分开为两个单独的零件，二者通过螺纹固定连接，并采用密封圈进行密封。

优选地，如图8所示，为了简化微孔阳极的结构，所述保护气体输送通道(6)可以安装在阳极的前部，或省略不要。

所述的等离子喷枪为大气等离子喷枪、真空等离子喷枪、超音速等离子喷枪、微束等离子喷枪；等离子喷枪的等离子弧可为非转移型等离子弧，也可以为转移型等离子弧。

采用本发明的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极，与现有等离子喷枪相配合，获得集束等离子射流，从而形成集束等离子喷涂方法，其具体的操作步骤如下：

(a)将权利要求1所述的用于集束等离子喷枪的微孔阳极替换现有等离子喷枪的阳极，并做好固定和密封，获得集束等离子射流；

(b)通过粉末输送通道(4)送入粉末和送粉气，通过保护气体输送通道(5)通入保护气；

(c)按照等离子喷涂系统的操作程序开机，设置集束等离子喷涂的工艺参数，进行集束等离子喷涂；

(d)集束等离子喷涂作业完成后按照设备操作程序关机。

本发明的一种用于集束等离子喷枪的微孔阳极及集束等离子喷涂方法，将阳极出口内径限制在0.5-3毫米的范围内，利用微孔阳极压缩效应获得能量密度集中、发散性小的等离子微射流，等离子微射流的斑点小，适合用于精密零件、微小零件、薄壁零件的表面涂层加工，同时可以把射流加热工件的位置集中在微小的射流斑点区域内，在避免工件整体温度上升的同时，瞬间熔化待喷涂工件表面的局部区域，使得涂层与基体产生冶金结合；利用周向环形分布的粉末输送通道将粉末形成具有预先设计夹角、发散性小的锥形粉末流，使其在等离子微射流中的加热、加速更加均匀，从而获得化学成分均匀、微观结构致密、形成冶金结合的喷涂涂层。本发明结构简单，无需另外增加冷却循环装置，安装、拆卸、检查方便，工程应用广泛。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。