[发明专利]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

说明书

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，包括阳极前部、阳极中部和阳极后部。阳极前部设计有粉末输送通道和保护气体输送通道。将微孔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，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，粉末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。

技术领域

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CN 108165923 A，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CN 101954324B，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)。