[发明专利]等离子导线转移弧热喷涂装置

说明书

技术领域

本发明总体上涉及等离子导线转移弧(Plasma Transferred Wire Arc，PTWA)热喷涂系统和对材料进行热喷涂的方法，更为具体地，涉及带有启动过程简单快速的喷枪的热喷涂装置。

背景技术

热喷涂为对较为不抗磨损的材料涂覆高性能、抗磨损的涂层提供了完善而经济的技术方案。将进给粉末或进给导线所产生的金属颗粒进行热喷涂是对金属表面进行涂层的常见过程。这样可在对某应用而言特性较差的材料基层上覆盖硬度较高并具有其它对该应用而言较好特性的等离子喷涂层，并可用于替代完全由特性很好的材料所构成的部件。这样，其还能够组合基层材料的较佳特性(例如重量轻等)和施加的涂层材料(其可能具有高比重)的硬度。

这种热喷涂应用的典型示例(尽管并未限制于这种用途)为对轻金属发动机汽缸体进行涂层，在汽缸孔的壁上涂覆低摩擦的导热涂层。

最近已经开发出了不同的替代流程。

特别有用的高压等离子涂层流程为等离子导线转移弧(Plasma Transferred Wire Arc，PTWA)流程。PTWA流程能够产生高质量金属涂层用于多种应用，例如发动机汽缸孔涂层。在PTWA流程中，在等离子焰矩出口处的较小空间区域中产生高压等离子体。向该区域内持续进给金属导线，在该处导线被熔融及雾化，而小颗粒被等离子体带走。从等离子焰矩排出的高速气体朝向要进行涂层的表面引导熔融金属。PTWA系统为高压等离子系统。具体地，PTWA热喷涂流程通过使用压缩等离子弧(constricted plasma arc)来熔化导线或杆的末端、并以来自狭窄孔口的部分电离的等离子气体的高速射流去除熔融材料来熔化给料金属(通常为金属导线或金属杆的形式)。电离的气体也称为等离子体并因此命名该流程。等离子弧通常在10000-14000℃的温度下运转。等离子弧为已被电弧加热至至少部分电离状况使其能够传导电流的气体。

所有电弧中均存在等离子体，但在本申请中，术语等离子弧与利用压缩弧(constricted arc)的等离子体发生器相关。区分该等离子弧装置和其它类型的弧发生器的一个特征为对于给定的电流和等离子气体流速，压缩弧装置中的弧电压高得多。另外，压缩弧装置为使得所有带有其添加的能量的气体流被引导穿过狭窄孔口导致非常高的出口气体速度(通常为超音速范围)的装置。压缩等离子焰矩有两个运转模式：非转移模式和转移模式。非转移等离子焰矩具有第二电极和喷嘴形式的第一电极。总体上，实践中的考量使得需要使等离子弧在喷嘴内壁上终止而保持等离子弧处于喷嘴内。然而，在某些工况下，可能使得等离子弧延伸出喷嘴孔之外并随后折回，在第一电极狭窄喷嘴的外表面上形成等离子弧的终止点。在转移弧模式中，等离子弧束从第二电极延伸穿过狭窄喷嘴。等离子弧延伸出焰矩之外并在供应的材料的第一电极(其与等离子焰矩总成电隔离并绝缘)处终止。

在等离子导线转移弧热喷涂流程中，通过使等离子弧穿过第二电极下游的孔口来压缩等离子弧。当等离子气体穿过等离子弧时，其被加热至非常高的温度、膨胀、并在其穿过狭窄孔口时被加速，通常在朝向导线末端离开孔口时达到超音速。通常，用于等离子导线转移弧热喷涂流程的等离子气体为空气、氮、惰性气体，有时为与其它气体的混合物，例如氩和氢的混合物。在该混合物中，较轻的氢分子负责热传导，而氩分子为熔融材料提供了较好的传输能力。等离子体的密度和速度由数个变量确定，包括气体类型、气体原子/气体分子的比重、其压力、流动方式、电流、孔口的尺寸和形状、以及第二电极与导线的距离。现有技术等离子导线转移弧流程以来自恒流型电源的直流电运转。

第二电极(通常由铜或钨制成)通过高频发生器(其用于在第二电极和狭窄喷嘴之间发起第一电弧(引导弧))连接至电源的负极。在现有技术中，通过允许直流电从电源的正极流至狭窄喷嘴流至电源负极同时使用具有高百分比轻质导热分子(例如氢)的混合气体产生等离子体来实现高频等离子弧发生电路。该行为加热流动穿过孔口的等离子气体。孔口朝向连接至电源正极的导线的末端引导来自第二电极的加热的等离子流。等离子弧连接至或“转移至”导线末端并因此被称为转移弧。为了稳定供应涂层材料，例如通过由马达驱动的导线进给辊(wire feed rolls)向前推进导线。