多功能微弧等离子喷涂系统

1.多功能微弧等离子喷涂系统系统为自行研制的多功能微弧等离子喷涂系统．主要由喷涂电源、喷枪、循环水冷机以及连接管路组成，如图1所示．图1微弧等离子喷涂系统示意图Fig.1Schematicofmicroplasmaspraysystem微弧等离子喷枪结构示意图如图2所示．喷枪采用分段式结构，主要由阴极组件、阳极组件和绝缘体三部分组成，形成三段两腔两室结构，三段分别为前枪体、绝缘体和后枪体;两腔分别为冷却水进水腔和回水腔;两室分别为主进气室和次进气室．该结构不仅阴极固定方式简单，容易保证同心度，而且喷枪冷却效果好，等离子射流速度高，安装、拆卸和维护方便．图2微弧等离子喷枪结构示意图Fig.2Schematicofmicroplasmaspraygun1喷嘴;2前压盖;3，16密封圈;4前枪体;5绝缘体;6绝缘套;7后枪体内环体;8后枪体外环体;9压紧螺母;10主气进气嘴;11钨极;12高温隔热管;13回水嘴;14次气进气送粉嘴;15密封垫;17入水嘴;18阴极夹;19阴极套;20压紧螺帽微弧等离子喷嘴为拉瓦尔孔形结构，如图3所示．等离子喷枪工作气体的进气方式可分为切向进气和直流进气两种．切向进气是靠隔热环端面上开有两个切线方向的半圆孔实现的．直流进气方式的气流是沿轴线方向推进的，直流进气是靠带内锥孔的隔热环来实现的．图3微弧等离子喷嘴结构示意图Fig.3Schematicofmicroplasmaspraytorch微弧等离子喷涂电源运用了二次逆变技术、软开关技术和智能控制技术等，很好地保证了电源的稳定性和可靠性．电流可显示范围0～350A，电流连续可调，电弧电压使用数显万用表来测量．工作气体是氩气和氮气，气体流量由流量计测得．冷却水由系统自带的循环水冷机提供，冷却水的质量流量由冷水机控制，用温度计直接测量冷却水的进出口温度．2.系统分布设计2.1多功能微弧等离子喷涂逆变电源设计逆变电源就将电网交流电通过整流技术变成直流电,然后利用逆变技术,将其变成高频交流,再通过高频变压器降压,以达到缩小变压器、减轻重量和提高供电质量的目的[4]。因此,它具有低损耗、高效率、电路简洁、重量轻、体积小、高集成度、高性能比等特点,在现代工业中有着广阔的应用前景。多功能微弧等离子喷涂逆变电源的目标是要保证在等离子起弧、工作以及瞬间断弧时,电源能够有额定的高质量波形输出,这就要求多功能微弧等离子喷涂电源具有高的稳态精度和好的动态性能。因此,在多功能微弧等离子喷涂逆变电源设计过程中,系统地分析了传统逆变电源存在的小电流稳定性差,易断弧,硬开关损耗大,感性关断电压尖峰大,电磁干扰严重等不足,以多功能微弧等离子喷涂电源要同时满足等离子喷涂、等离子淬火、等离子切割以及焊接等多种输出要求为出发点,科学地运用了二次逆变技术、软开关技术和智能控制技术等,很好地保证了多功能微弧等离子喷涂电源的稳定性和可靠性,减少了漂移和电磁干扰,实现了精确控制、数字控制,并满足了多功能电源的输出要求。2.2多功能微弧等离子喷枪的模块设计概要多功能微弧等离子喷枪是多功能等离子喷涂系统的核心装置,主要由枪体阴极组件、阳极组件和绝缘体三部分构成。多功能微弧等离子喷枪除应具有传统等离子喷枪所具有的水、电、气特征,阴阳两极良好的冷却条件外,还必须改进等离子弧的层流喷射条件、和送粉方式和进气方式,以满足微弧等离子喷涂在小功率的条件下能够制备性能优异的涂层。因此,多功能微弧等离子喷枪的设计主要包括送粉方式设计、喷嘴设计、气室结构设计等。2.2.1送粉方式设计等离子喷枪的送粉方式是等离子喷枪结构设计中的重要内容之一,主要有枪内送粉和枪外送粉两种方式。目前,等离子喷枪多数采用都是外送粉,该送粉方式虽然有利于简化喷嘴结构,提高等离子焰流热焓,缩短喷嘴长度,避免粉末粘结,适应连续等离子喷涂作业等优点,但同时也存在粉末沉积效率低、粉末加热的均匀性差、粉末加热效率低等缺点[5]。因此,外送粉方式更多地适应大功率等离子喷涂的需要。多功能微弧等离子喷涂由于功率小,要满足不同熔点材料的喷涂要求,必须充分延长粉末在电弧中的加热时间,提高用于粉末加热的电弧功率。因此,在送粉方式设计过程中,系统地研究了送粉管位置、送粉气流量、送粉气种类对喷嘴和阴极粘结的影响,针对高熔点氧化物陶瓷材料和低熔点粉末材料,设计了中心轴向送粉和内送粉两种送粉方式,成功地解决了喷嘴使用寿命短、喷嘴和阴极粘结等诸多难题,不仅实现了多功能微弧等离子喷涂连续作业,而且提高了等离子弧对粉末加热效果、粉末沉积效率、涂层结合强度。2.2.2喷嘴设计喷嘴的几何形状不但决定了等离子射流的性能,而且还直接影响喷涂粉末的运动状态和材料的利用率。目前使用喷嘴的结构主要有圆柱孔喷嘴、收缩-扩张孔形(锥形)喷嘴、拉瓦尔孔形(钟形)喷嘴三种形式[6]。多功能微弧等离子喷涂采用的拉瓦尔孔形喷嘴是根据等离子喷涂理论和空气动力学理论,综合考虑喷嘴孔道直径、压缩角、压缩比、送粉口至端面的距离等几何参数对等离子弧压缩、电弧的稳定性影响的基础上,通过计算、仿真、优化和试验而得到的。该喷嘴使得喷枪出口等离子射流速度高,方向性好,对粉末的加热、加力均匀,不仅提高了喷涂粒子速度和涂层质量,而且有利于解决中心轴向送粉带来的喷嘴粘结等问题。2.2.3气室结构设计目前,等离子喷枪工作气体的进气方式可分为切向进气和直流进气两种。其中,切向进气方式的气流是沿着螺旋线方向推进的,切向进气是靠隔热环端面上开有两个切线方向的半圆孔实现的。该进气方式不仅对喷嘴和阴极起保护作用,使其承受更大的电流,而且提高了中心部位的电离度,保持了等离子弧的稳定性。直流进气方式的气流是沿轴线方向推进的,直流进气是靠带内锥孔的隔热环来实现的,但主要缺陷是影响等离子弧的稳定性[5]。多功能微弧等离子喷涂采用了切向进气和直流进气两种相结合的进气方式,不仅能够保持电弧的稳定性,而且还能够实施对阴极冷却和提高等离子弧焰流速度,从而提高涂层与基体的结合强度。3.相关性能3.1电弧的伏安特性图4为工作气体为Ar+10%N2，流量为20L/min时，微弧等离子喷枪在不同进气方式下，电弧电压随电流的变化曲线．可以看出，微弧等离子喷枪在不同进气方式下均呈现下降的伏安特性．这是由于随着电流强度增加，电弧的热电离加强，电弧的截面积增加，导致电弧电阻的降低，而且下降速度比电弧电流增加速度要快，从而使得电压随着电流的增加而下降，保证了等离子电弧的稳定工作．随着电流的继续增加，电压趋于稳定，这是由于在大电流条件下，电弧温度已经很高，这时再增加电流，电弧温度增高不多，电导率变化也不大，电流密度的增加速度超过了电导率的增加速度．同时，等离子弧弧柱的截面积由于喷枪室壁的存在而受到限制，即弧柱的截面积变化不大，电弧中气体电离得更加充分，电流密度更大，电流增大对弧柱的压缩作用使弧长被拉长，因此在试验中，电弧电压在电流较大情况下呈现平特性．图4不同进气方式下电弧电压和电流的关系Fig.4Variationofarccurrentandarcvoltagewithdifferentgasinjectionmodes等离子喷枪在不同进气方式下均呈现下降的伏安特性，直流和切向混合进气方式下喷枪的电弧电压要高于单独采用直流和切向进气时电弧电压，电弧具有更高的能量密度，电弧的稳定性和射流速度提高．3.2喷枪热效率微弧等离子喷枪射流热焓为3．28～11．16kJ/g，基本达到传统大功率等离子喷枪的热焓值(传统大功率等离子喷枪为4～20kJ/g［11］)．这是由于等离子喷枪具有良好的压缩效应，使射流具有较高能量密度，有利于改善涂层质量．合理的喷枪设计以及采用直流和切向相结合进气方式有效地提高了微弧等离子喷枪的热效率和热焓值，等离子射流具有较高能量密度，有利于在小功率条件下制备性能优异的涂层．