一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置的制作方法

1.本发明属于等离子喷涂物理气相沉积技术领域，具体涉及一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置。


背景技术：

2.与传统大气等离子喷涂制备的由熔融和半熔融粉末堆叠而成的层状结构热障涂层相比，等离子喷涂物理气相沉积可以制备出气相含量较高的柱状结构热障涂层，该涂层具有更优异的抗热震性能和更高的服役寿命。更为重要的是，由于射流中气化的粉末质量较轻，因而可以包裹在射流中实现绕镀，可以在外形复杂的工件表面实现非视线沉积涂层，该技术已经成为国际热喷涂和热障涂层领域的研究热点和发展方向。
3.目前通过等离子喷涂物理气相沉积技术制备气相含量较高的柱状结构热障涂层需要满足几个条件：1）采用大电流和大功率（2000-3000a，100-180kw）的等离子喷枪来提高射流的温度和焓值，同时配合阳极内部送粉来提高射流对粉末的加热能力；2）采用特殊的由纳米级原始粉末团聚成的团聚粉来降低粉末的气化难度；3）在超低压环境下（50-200pa）进行喷涂，通过超低压气氛使喷枪出口外射流的长度和宽度急剧膨胀。另外，通过大幅增加喷涂距离，一般为1-2 m，来将射流中未完全气化的粉末依靠重力分离出射流，而质量较小的气相粉末则可以跟随射流喷射到很远的距离，并且可以跟随射流绕流到工件的侧面和背面，因而最终沉积到工件表面的涂层具有较高的气相成分。
4.但目前等离子喷涂物理气相沉积技术和装备面临着以下几个问题：1）喷涂需要在超低压真空罐室内进行，运行成本昂贵，且大型零部件的喷涂难以实现；2）大电流大功率的要求使喷枪的电极快速烧蚀，更换成本昂贵；3）喷枪能量和粉末利用率很低，粉末气化利用的能量实际只占喷枪总功率的1%-5%，射流的绝大部分热量被耗散在外界；另外，特殊粉末造价昂贵，且粉末沉积效率不到粉末输入总量的一半；4）喷涂工艺复杂，涂层质量很难保障，即使使用更大功率的喷枪也很难保证输入粉末的全部气化，因此涂层中经常混杂着熔融、半熔融和未熔融的粉末粒子，降低了涂层的质量和可重复性，使制备纯气相结构的热障涂层很难实现。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足之处，本发明提供了一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置，该装置通过上部石墨喷管来大幅延长粉末在射流高温压缩区域的停留和加热时间，使粉末充分的熔化和气化。通过将射流出口与喷枪、喷管主轴线成一定的夹角设计，使射流中质量较小的气相粉末成分与液相、固相粉末相分离，并对收集在坩埚底部的液相、固相粉末进行持续的加热和气化。因此，该装置具有结构简单，能量和粉末利用率高，对粉末、喷涂枪和喷涂环境的要求较低，经济效益好，即使在大气环境和较低功率喷枪条件下也可以制备出纯气相结构的热障涂层。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
7.本发明公开了一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置，包括上部石墨喷管1，下部石墨坩埚2，出口石墨短喷管3，外部套筒4，送粉管5，冷却气进气管6，冷却气出气管7。所述上部石墨喷管1、下部石墨坩埚2与等离子喷枪13同轴连接，并竖直布置，使坩埚2处于喷管装置的底部；所述上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2的内部设有与喷枪13同轴布置的中心流道15，中心流道的上端与喷枪出口14同轴连通，下端底部闭合，形成类似坩埚的腔体，使射流中高速飞行的质量较大的液相和固相粉末撞击并收集在坩埚底部，坩埚的高度相对较低，以便利用射流尾端的热量进行持续地加热和消耗，又不堵塞射流出口；所述下部石墨坩埚2的上端侧面开有斜向出口12，斜向出口的一端与中心流道15连通，另一端与出口石墨短喷管3同轴连通，石墨短喷管3通过管螺纹与石墨坩埚2密封连接。
8.所述上部石墨喷管1的上端侧面开有送粉孔8，送粉孔与喷枪出口14的距离l1为1-5mm，与上部石墨喷管1出口的距离l2为20-70mm。l1相对较短，如此设计，可以保证送粉孔的位置尽可能靠近喷枪出口，使粉末送入到喷管内射流温度最高的区域；l2相对较长，如此设计，可以大幅延长粉末在喷管中高温压缩射流区域的加热和停留时间，提高射流能量的利用率。通过以上方式的组合，使绝大部分粉末在到达上部石墨喷管1出口之前处于熔化和气化状态，最大程度地降低射流中固体颗粒的含量，有利于防止低粘度的固体粉末粒子跟随射流从底部坩埚中逃逸。
9.所述下部石墨坩埚2的内部腔体为圆锥台状或圆柱状，或是上述形式的组合方式，其高度l3为25-50mm。如此形状和高度设计，可以使坩埚内部有一定的空间来容纳未完全气化的粉末，并使射流的末端可以延伸到坩埚底部，从而利用射流的高温对坩埚内熔融和半熔融的粉末进行持续的加热和气化，气化的粉末又可以被射流从斜向出口不断带出，防止粉末的堆积和堵塞，并方便喷涂后坩埚内残余粉末的清理。
10.所述下部石墨坩埚2的斜向出口12与中心流道15的中心线夹角α为30-120度。通过射流出口与射流主轴线夹角的设计可以实现射流流动方向的改变，另外，由于射流中液相和固相粉末的质量相对较大，当射流流动方向突然发生改变时，射流中的液相和固相粉末由于惯性和重力将继续沿原来的方向运动，直至碰撞或沉积到坩埚壁面。质量较小的气相粉末则可以跟随射流自由流动和喷出，从而实现气相粉末和液相、固相粉末的分离。另外，夹角α的大小将影响射流出口处的阻力和分离效果，当α较小时，射流更容易从出口流出，但部分质量较轻的液相和固相粉末也可能从出口逃逸；当α较大时，射流流动方向发生较大变化，射流出口处的阻力也随之增大，对喷枪的内部压力提出了一定的要求，但气相粉末的分离效果将会更加显著，有利于制备更加纯净的纯气相结构涂层。
11.所述上部石墨喷管1、下部石墨坩埚2、等离子喷枪13通过外部套筒4上的螺栓9紧固连接。外部套筒的底部内圆周面上设有斜向台阶，并与坩埚下端面上的台阶压紧贴合，通过螺栓的压紧作用将石墨坩埚、上部石墨喷管和等离子喷枪法兰盘紧固连接。
12.所述外部套筒4的上端面上和上部石墨喷管1的下端面上分别开有环形密封槽10、11，并通过石墨垫密封。上部石墨喷管1与喷枪出口14通过石墨喷管1上端面上的环形台阶压紧密封。
13.所述上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2的外部开有冷却槽，并通过压缩氮气、氩气等惰性气体冷却。惰性冷却气体从压缩气瓶中输出，经过质量流量控制器后从冷却气进气管6进入喷管和外部套筒的夹层，依次流经上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2外圆周面上的
冷却槽后从冷却气出气管7流出。使用惰性气体冷却，一方面可以对石墨喷管装置进行定量的冷却，使石墨喷管的内壁温度始终保持在2000-3000℃较高的温度范围，如此设计，可以防止射流中的熔融粉末在喷管内壁上的冷却、凝结，堵塞喷管；另一方面，可以对石墨喷管的外部进行气氛保护，防止石墨喷管在高温下与空气中的氧气发生反应而快速氧化消耗。
14.所述等离子喷枪13为大气等离子喷枪或真空等离子喷枪，等离子喷枪的等离子弧为非转移型等离子弧，或为转移型等离子弧。
15.本发明的一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置，通过将射流出口与喷枪、喷管主轴线成一定的夹角设计，使射流中的气相粉末成分从气、液、固混合的等离子射流中分离，制备出纯气相结构的热障涂层。与之前的等离子喷涂物理气相沉积设备相比，该装置具有结构简单，能量和粉末利用率高，对粉末、喷涂枪和喷涂环境的要求较低，经济效益好，即使在大气环境和较低功率等离子喷枪条件下也可以制备出纯气相结构的热障涂层，为制备高质量、高气相含量的热障涂层提供了一种经济可行的新结构。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明提供的一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置与等离子喷枪安装示意图。
18.图2为本发明提供的一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置剖面结构示意图。
19.附图标记说明：1、上部石墨喷管；2、下部石墨坩埚；3、出口石墨短喷管；4、外部套筒；5、送粉管；6、冷却气进气管；7、冷却气出气管；8、送粉孔；9、螺栓；10-11、环形密封槽；12、斜向出口；13、等离子喷枪；14、喷枪出口。
具体实施方式
20.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。
21.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。
22.如图1所示，本发明公开了一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置，包括上部石墨喷管1，下部石墨坩埚2，出口石墨短喷管3，外部套筒4，送粉管5，冷却气进气管6，冷却气出气管7。所述上部石墨喷管1、下部石墨坩埚2与等离子喷枪13同轴连接，并竖直布置，使坩埚2处于喷管装置的底部；所述上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2的内部设有与喷枪13同轴布置的中心流道15，中心流道的上端与喷枪出口14同轴连通，下端底部闭合，形成类似坩埚的腔体，使射流中高速飞行的质量较大的液相和固相粉末撞击并收集在
坩埚底部，坩埚的高度相对较低，以便利用射流尾端的热量进行持续地加热和消耗，又不堵塞射流出口；所述下部石墨坩埚2的上端侧面开有斜向出口12，斜向出口的一端与中心流道15连通，另一端与出口石墨短喷管3同轴连通，石墨短喷管3通过管螺纹与石墨坩埚2密封连接。
23.优选的，如图2所示，所述上部石墨喷管1的上端侧面开有送粉孔8，送粉孔与喷枪出口14的距离l1为1-5mm，与上部石墨喷管1出口的距离l2为20-70mm。l1相对较短，如此设计，可以保证送粉孔的位置尽可能靠近喷枪出口，使粉末送入到喷管内射流温度最高的区域；l2相对较长，如此设计，可以大幅延长粉末在喷管中高温压缩射流区域的加热和停留时间，提高射流能量的利用率。通过以上方式的组合，使绝大部分粉末在到达上部石墨喷管1出口之前处于熔化和气化状态，最大程度地降低射流中固体颗粒的含量，有利于防止低粘度的固体粉末粒子跟随射流从底部坩埚中逃逸。
24.优选的，如图2所示，所述下部石墨坩埚2的内部腔体为圆锥台状或圆柱状，或是上述形式的组合方式，其高度l3为25-50mm。如此形状和高度设计，可以使坩埚内部有一定的空间来容纳未完全气化的粉末，并使射流的末端可以延伸到坩埚底部，从而利用射流的高温对坩埚内熔融和半熔融的粉末进行持续的加热和气化，气化的粉末又可以被射流从斜向出口不断带出，防止粉末的堆积和堵塞，并方便喷涂后坩埚内残余粉末的清理。
25.优选的，如图2所示，所述下部石墨坩埚2的斜向出口12与中心流道15的中心线夹角α为30-120度。通过射流出口与射流主轴线夹角的设计可以实现射流流动方向的改变，另外，由于射流中液相和固相粉末的质量相对较大，当射流流动方向突然发生改变时，射流中的液相和固相粉末由于惯性和重力将继续沿原来的方向运动，直至碰撞或沉积到坩埚壁面。质量较小的气相粉末则可以跟随射流自由流动和喷出，从而实现气相粉末和液相、固相粉末的分离。另外，夹角α的大小将影响射流出口处的阻力和分离效果，当α较小时，射流更容易从出口流出，但部分质量较轻的液相和固相粉末也可能从出口逃逸；当α较大时，射流流动方向发生较大变化，射流出口处的阻力也随之增大，对喷枪的内部压力提出了一定的要求，但气相粉末的分离效果将会更加显著，有利于制备更加纯净的纯气相结构涂层。
26.优选的，如图1所示，所述上部石墨喷管1、下部石墨坩埚2、等离子喷枪13通过外部套筒4上的螺栓9紧固连接。外部套筒的底部内圆周面上设有斜向台阶，并与坩埚下端面上的台阶压紧贴合，通过螺栓的压紧作用将石墨坩埚、上部石墨喷管和等离子喷枪法兰盘紧固连接。
27.优选的，如图1和图2所示，所述外部套筒4的上端面上和上部石墨喷管1的下端面上分别开有环形密封槽10、11，并通过石墨垫密封。上部石墨喷管1与喷枪出口14通过石墨喷管1上端面上的环形台阶压紧密封。
28.优选的，如图1和图2所示，所述上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2的外部开有冷却槽，并通过压缩氮气、氩气等惰性气体冷却。惰性冷却气体从压缩气瓶中输出，经过质量流量控制器后从冷却气进气管6进入喷管和外部套筒的夹层，依次流经上部石墨喷管1和下部石墨坩埚2外圆周面上的冷却槽后从冷却气出气管7流出。使用惰性气体冷却，一方面可以对石墨喷管装置进行定量的冷却，使石墨喷管的内壁温度始终保持在2000-3000℃较高的温度范围，如此设计，可以防止射流中的熔融粉末在喷管内壁上的冷却、凝结，堵塞喷管；另一方面，可以对石墨喷管的外部进行气氛保护，防止石墨喷管在高温下与空气中的氧气发
生反应而快速氧化消耗。
29.优选的，如图1所示，所述等离子喷枪13为大气等离子喷枪或真空等离子喷枪，等离子喷枪的等离子弧为非转移型等离子弧，或为转移型等离子弧。
30.本发明的一种用于等离子喷涂物理气相沉积的气液相分离喷管装置，通过将射流出口与喷枪、喷管主轴线成一定的夹角设计，使射流中的气相粉末成分从气、液、固混合的等离子射流中分离，制备纯气相结构的热障涂层。与之前的等离子喷涂物理气相沉积装置相比，该装置具有结构简单，能量和粉末利用率高，对粉末、喷涂枪和喷涂环境的要求较低，经济效益好，即使在大气环境和较低功率等离子喷枪条件下也可以制备出纯气相结构的热障涂层，为制备高质量、高气相含量的热障涂层提供了一种经济可行的新结构。
31.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。
32.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。