高速等离子体喷枪及方法与流程

本公开涉及一种高速等离子体喷涂方法及其装置。

背景技术：

1、高速工艺通常可利用加压气体或等离子体产生高速亚音速、音速及超音速气体射流或等离子体射流。当气体射流的温度足够高以软化或熔化被喷涂的颗粒，且压缩气体流的速度足够高以提供所需的密度及其他涂层性能时，可以高效地喷涂出高质量的涂层。为实现高质量涂层的高效形成，不同的材料需要喷射颗粒具有不同的最佳温度和速度。熔点较高且导热性较低的材料（例如，举例而言氧化物）可需要相对较高的气体温度以及等离子体射流的高传热能力，以使颗粒熔化或软化到足以高效形成高质量涂层的程度。

2、从气体或等离子体到原料的热传递可通过传热势（htp）来表征，该传热势是决定等离子体加热颗粒和基体能力的主要参数：

3、

4、其中λ为等离子体热导率；t为等离子体温度。htp可与等离子体焓h及比功率（∑）存在相关性。等离子体焓h、比功率∑和热效率η可按以下公式确定：

5、σ=w/g;h=w·η/g;η=1-lw/w;w=u·i

6、其中，lw是传导至冷却介质（水）的功率损耗；u是等离子体喷枪的电压；i是等离子体电流；w是喷枪的电功率；g是等离子体总气流量，其可以按例如克/秒、千克/秒等测量。等离子体焓h和比功率∑可利用实验中直接测得的上述参数轻松计算得出。因此，等离子体焓h和/或比功率∑常被用于表征等离子体条件，并进一步计算等离子体的htp和温度。

7、主要的高速工业工艺可分为以下4类：冷喷涂或动能喷涂、温喷涂、hvaf（高速气燃料）、hvof（高速氧燃料）以及基于等离子体的高速工艺。在前三种工艺中，hvof工艺可提供最高的htp值，主要hvof参数可参见表1，该表基于a.voronetski和v.belashchenko在itsc2006 年发表的论文《analysis of potential improvement of hvof based processes》中的数据。

8、表1：α=1时气态烃类燃料的性质

9、

10、在表1中，tc@0.1是在大气压（0.1mpa）下的燃烧温度；tcc@0.5是在0.5mpa燃烧压力（≈70psi）下的燃烧温度；λ为燃烧产物的热导率；ek=(ρw2)ne（按kg/(m·s²)测量）是离开喷嘴的燃烧产物的比动能；htp=(λtcc@0.5)ne是表征燃烧产物向喷涂颗粒传热效率的热势。可利用的热势和比动能的范围可使hvof工艺能够喷涂高质量涂层，例如使用某些碳化物和金属原料的涂层。然而，hvof工艺可用的htp可不足以喷涂例如某些使用高熔点陶瓷和金属的涂层的高质量涂层。

11、等离子体温度及相关的htp可远高于表1中所列的气态或液态烃类燃料的htp，由此可提供更宽的操作范围，并为使用高温材料喷涂高质量涂层创造更多机会。表2和表3列出了大气压下氮等离子体和氩-20%氢等离子体的一些参考等离子体数据。表2展示了氮等离子体的性能。表3展示了氩-20%h2等离子体的性能。需要注意的是，未添加h2或he的氩等离子体仅仅能产生焓值低于表3所示值的等离子体。

12、这些数据基于《热等离子体：基础与应用》（《thermal plasmas, fundamentalsand application》）（第1卷）中公布的等离子体数据表，作者maher i boulos、pierrefauchais 和 emil pfender，出版社plenum press。

13、表2.大气压下氮等离子体的一些性质

14、

15、表3.大气压下氩-20%氢等离子体的一些性质

16、

17、可以看出，当需要喷涂高温材料时，与燃烧产物相比，等离子体在高速热喷涂工艺中可具有更为显著的前景。关于氮基等离子体，可以特别说明的是，其可提供比燃烧工艺或氩基等离子体喷涂工艺显著更高的htp。

18、有多项专利披露了可产生高压、高速度等离子体以沉积涂层的不同设计和技术方案。然而，目前只有最初在us 3,823,302中公开的、配备mach ii阳极/喷嘴的sg-100等离子体喷枪已实现商业化，且能够喷涂出质量相对较高的涂层。sg-100还经历了一些升级，相关内容公开于专利us 5,444,209和专利us 6,897,402中。根据《sg-100操作手册》（普莱克斯表面技术公司，《sg-100型等离子体喷枪操作手册》，手册编号：05001760）及一些其它实验数据，配备mach-ii阳极的sg-100高速方案仅可适用于由氩-氦混合气组成的等离子体气体。据报道，对于mach ii方案的等离子体喷枪最大功率为72kw，估计htp为4,000w/m，工作焓值范围约为10kj/g-12kj/g。这一水平的htp加上72kw的最大喷枪功率，限制了sg-100的操作范围，且根据《手册》，允许以仅为25g/min的最大喷涂速率来喷涂涂层。此外，氦气是一种非常昂贵的气体，这导致sg-100具有额外的缺点。

19、其他旨在开发更高效的高压、高速等离子体方案的尝试，均未能满足某些实际要求。例如，美国专利us 5,637,242公开了一种使用氮气运行的高速、高压等离子体喷枪。该方法前景非常有前景，因为根据表2，氮气等离子体可满足对高效高速等离子体的要求。然而，该公开文献表明，该等离子体喷枪仅能产生具有以下参数的等离子体：滞止焓在1740btu/lb–2904 btu/lb或4.04kj/g–6.75kj/g范围内，对应的htp范围约为790w/m–4300w/m；射流温度在1794.2k–3484.9k之间，滞止压力为9.3atm–11.8atm。可以看出，可用的焓值和温度均低于sg-100产生的等离子体的焓值和温度。同时也可以看出，其焓值和压力与hvof工艺产生的等离子体相当。

20、基于上述内容，可以得出结论：氮基等离子体在相对高速度的应用中前景非常广阔，而目前此类应用可仅能在低于6.75kj/g的低焓条件下实现。例如，高温陶瓷和金属可需要约14kj/g-15kj/g甚至更高的焓值，才能在与3巴或更高压力下产生的超音速等离子体相关的极短停留时间内熔化或软化特定尺寸的颗粒。需要指出的是，本公开的优选目标是公开一种等离子体喷枪及工艺，其能够可靠且高效地产生等离子体滞止压力为3巴或更高、等离子体焓值为10kj/g或更高的n2基超音速等离子体。此类等离子体的htp可大于11000w/m–12000w/m，这显著高于目前所有现有的hvof工艺和高速等离子体工艺的htp。

技术实现思路

1、一种利用等离子体喷枪沉积涂层的方法，包括：

2、提供等离子体喷枪，所述等离子体喷枪包括阴极模块和阳极模块，所述阴极模块具有阴极电极，所述阳极模块具有阳极电极，所述阳极电极具有阳极轴、入口区和直径为d1的圆柱区，其中，所述等离子体喷枪产生等离子体电弧，所述等离子体电弧具有位于所述阳极内部的阳极弧根附着区，

3、所述等离子体喷枪还包括第一成形模块（fm1）和第二成形模块（fm2），所述第一成形模块具有喉部直径为dcr和出口直径为d2的收敛-扩散喷嘴，所述第二成形模块位于所述第一成形模块的下游且位于所述阳极弧根附着区的下游，

4、所述第二成形模块控制所述第二成形模块内所述等离子体射流的一个或多个参数，

5、电极间模块控制位于所述阴极电极与所述阳极电极之间的等离子体电弧通道，其中，所述电极间模块的一端邻近所述阴极模块，第二端邻近所述阳极模块，且在邻近阴极处设有引导插件；

6、至少一个中性电极间插件；

7、所述等离子体喷枪还包括两个通道，用于以总量g输送等离子体气体；

8、所述等离子体喷枪产生高于150v的电压（u）和低于500a的电流（i），功率w=u×i；

9、将原料送入所述等离子体射流中，并在基体上沉积涂层；

10、其中，所述等离子体气体包括体积分数大于50%的分子气体；

11、其中，w/g的范围为16kj/g-38kj/g；

12、其中，用于输送等离子体气体的其中一个所述通道包括第一等离子体气体通道，所述第一等离子体气体通道位于所述阴极与所述引导插件之间，所述第一等离子体气体通道用于输送量为g1的等离子体气体，所述等离子体气体被引导通过多个孔口，所述多个孔口的表面积为s1，其中，形成旋流强度为vort1=g1/s1的旋流；

13、其中，用于输送等离子体气体的另一个所述通道包括第二等离子体气体通道，所述第二等离子体气体通道位于所述电极间模块与阳极的圆柱区之间，所述第二等离子体气体通道用于输送量为g2的等离子体气体，

14、其中，所述等离子体气体被引导通过多个孔口，所述多个孔口的表面积为s2，其中，形成旋流强度为vort2=g2/s2的旋流；以及

15、其中，g2的流量大于25l/min；以及

16、其中，所述vort2大于0.4g/(s·mm²)。

17、一种等离子体喷枪，包括：

18、阴极模块和阳极模块，所述阴极模块具有阴极电极，所述阳极模块具有阳极电极，所述阳极电极具有阳极轴、入口区以及直径为d1的圆柱区，其中所述等离子体喷枪产生等离子体电弧，所述等离子体电弧的阳极弧根附着区位于所述阳极内部；

19、所述等离子体喷枪还包括第一成形模块（fm1）以及第二成形模块（fm2），所述第一成形模块具有喉部直径为dcr和出口直径为d2的收敛-扩散喷嘴，所述第二成形模块位于所述第一成形模块的下游且位于所述阳极弧根附着区的下游；

20、所述第二成形模块控制所述第二成形模块内所述等离子体射流的一个或多个参数；

21、电极间模块控制位于所述阴极电极与所述阳极电极之间的等离子体电弧通道，其中，所述电极间模块的一端邻近所述阴极模块，所述电极间模块的第二端邻近所述阳极模块，且在邻近所述阴极处设有引导插件；

22、至少一个中性电极间插件；

23、所述等离子体喷枪还包括两个通道，用于以总量为g输送等离子体气体；

24、所述等离子体喷枪在高于150v的电压（u）和低于500a的电流（i）的条件下工作，功率w=u×i；

25、其中，所述等离子体气体包括体积分数大于50%的分子气体；

26、其中，w/g的范围为16kj/g-38kj/g；

27、其中，用于输送等离子体气体的其中一个所述通道包括第一等离子体气体通道，所述第一等离子体气体通道位于所述阴极与所述引导插件之间，所述第一等离子体气体通道用于输送量为g1的等离子体气体，所述等离子体气体被引导通过多个孔口，所述多个孔口的表面积为s1，其中，形成旋流强度为vort1=g1/s1的旋流；

28、其中，用于输送等离子体气体的其中一个所述通道包括第二等离子体气体通道，所述第二等离子体气体通道位于所述电极间模块与阳极的圆柱形部分之间，所述第二等离子体气体通道用于输送量为g2的等离子体气体，

29、其中，所述等离子体气体被引导通过多个孔口，所述多个孔口的表面积为s2，其中，形成旋流的强度为vort2=g2/s2的旋流；以及

30、其中，g2的流量大于25l/min；且

31、其中，所述vort2大于0.4g/(s·mm²)。