一種等離子噴嘴、噴槍以及噴涂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子噴涂技術(shù)，特別涉及一種等離子噴嘴、噴槍以及噴涂方法。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子噴涂是一種熱噴涂技術(shù)，以高溫等離子體射流作為熱源，將金屬或陶瓷粉末材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并高速撞擊基板后迅速冷卻固化，形成一定厚度具有特殊物性的致密涂層。熱等離子體通常通過電弧放電的方式產(chǎn)生。最常使用的直流電弧等離子體有熱陰極等離子體和冷陰極或管弧等離子體。在納米顆粒等離子噴涂技術(shù)中，通常采用的是熱陰極等離子體。該技術(shù)用難熔的鎢或其他難熔金屬制成陰極，正常工作情況下，弧電流的主要載體一一電子以熱電子發(fā)射的形式離開陰極，經(jīng)過弧柱區(qū)進入陽極。而陽極則采用銅等高熱導率金屬，通過水冷的方式保證其不被高溫破壞。在等離子噴涂技術(shù)中，原料顆粒借助于高溫的等離子體射流，經(jīng)過加熱并熔化，以熔融狀態(tài)沖擊在基板或工件上，形成所需要的耐高溫、耐磨損或耐腐蝕的涂層。
[0003]傳統(tǒng)的熱噴涂方法，一般采用微米級粉末材料，噴涂后的涂層結(jié)構(gòu)也屬于微米結(jié)構(gòu)。與納米結(jié)構(gòu)的涂層相比，存在涂層孔隙率大、結(jié)構(gòu)強度不高的問題，因此使用壽命短，易發(fā)生貫穿性裂紋，導致涂層早期失效。為解決這類問題，形成納米結(jié)構(gòu)的涂層，則需要首先在噴涂時采用納米級的粉末材料。鑒于納米粒子的特殊性質(zhì)，它只能以霧化懸浮液(suspens1n，或稱為前驅(qū)物precursor)的形式送入等離子體射流中進行恪化。主要原因是納米顆粒直徑小，接近分子尺度，因此表面作用強，在載粉通道中流動性差，顆粒聚并現(xiàn)象使管道堵塞，中斷噴涂過程。因此必須先將納米粉體與有機溶劑混合、靜置，形成穩(wěn)定的懸浮溶液，再采用霧化的方法將懸浮液注入等離子體射流中進行高溫處理。在懸浮液注入等離子體射流中，懸浮液的入流方式將在很大程度上決定噴涂后納米結(jié)構(gòu)的涂層孔隙率、物理性能和使用壽命。在以往的熱等離子噴涂中，其結(jié)構(gòu)往往僅考慮類似微米粒子的入流方式，懸浮液通過狹小的通道注入到等離子體中。通常為了結(jié)構(gòu)緊湊，狹小的通道(下稱注射口)加工在等離子體噴嘴的陽極之上。注射口流出的懸浮液被等離子體沖擊后，將分散為當量直徑在50?1000微米的液滴，液滴大小很大程度上取決于注射口的大小。包含納米粒子的液滴在等離子體中飛行、加熱、蒸發(fā)、消失，最后被液滴釋放的納米粒子則斷續(xù)被加熱直至熔化。納米粒子在沖擊涂層之前的熔化和加熱程度決定了涂層的質(zhì)量。
[0004]但是由于加工能力及注射流量的要求，注射口不能做得太小，這使得液滴的直徑較大；較大的液滴直徑意味首液滴的蒸發(fā)過程較長，不利于納米粒子的釋放和熔化；另外，較大直徑的液滴在等離子體射流中沖擊和撕裂，形成的液滴群大小差異較大，使納米粒子在沖擊涂層之前的熔化和加熱程度差異也較大，這直接影響了工藝控制，最終影響涂層的質(zhì)量；另一種方式是簡單地將納米懸浮液的入流放置在等離子噴槍的前端，這同樣使霧化過程不徹底，導致納米涂層的質(zhì)量達不到要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種等離子噴嘴，有效減小注入等離子體的液滴的尺寸、提高液滴的均勻性，從而提高等離子噴涂的納米涂層的質(zhì)量。
[0006]一種等離子噴嘴，包括與陰極配合產(chǎn)生等離子體射流的陽極，所述陽極內(nèi)設有用于流通等離子體射流的噴射通道以及用于向噴射通道注入懸浮液的供料通道，所述陽極內(nèi)還設有通入霧化氣體的氣體輸入通道，通入的霧化氣體使所述氣體輸入通道內(nèi)的壓力高于供料通道內(nèi)的壓力，所述氣體輸入通道與供料通道之間設有使霧化氣體注入供料通道泡狀霧化懸浮液的連通通道。
[0007]本發(fā)明的噴嘴采用直流電弧等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，采用熱陰極方案。陰極采用耐高溫金屬制成，陽極用高熱導率金屬制造并帶有水冷結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明的等離子噴嘴用于噴涂納米粒子時，霧化氣體由于壓差通過連通通道注入供料通道的懸浮液中，使納米粒子懸浮液實現(xiàn)泡狀霧化，泡狀霧化后的氣液固三相流從供料通道出口注入流通等離子體射流的噴射通道，泡狀霧化后的懸浮液液滴直徑可以達到0.1?100微米，提高了納米材料的噴涂效果。
[0009]同時由于將霧化氣體先注入懸浮液，納米粒子懸浮液在噴入等離子體射流之前已經(jīng)實現(xiàn)了充分的霧化郊果，因此懸浮液的通道出口直徑不再是影響懸浮液霧化后大小的關(guān)鍵因素，此時，可以將供料通道的出口(即注射口)做得較大而不會影響霧化效果，使供料通道出口在使用過程中不至于堵塞。
[0010]在選擇霧化氣體時，要求霧化氣體不與懸浮液反應，同時在直流電弧等離子體的作用下容易電離。因此可以采用氬氣、氦氣等惰性氣體作為霧化氣體，從價格上考慮，優(yōu)先選用氬氣。
[0011]上述結(jié)構(gòu)中，為了方便加工以及布置納米粒子懸浮液的輸入管，與其相連接的陽極上的供料通道，用于懸浮液泡狀霧化的霧化氣體輸入管和與其相連接的陽極上的氣體輸入通道，優(yōu)選的，所述供料通道與氣體輸入通道沿長度方向平行。當氣體輸入通道內(nèi)的壓力高于供料通道，霧化氣體的氣流將通過連通通道進入懸浮液中，接著霧化氣體的氣流又從供料通道的出口進入等離子體射流中，這一過程，懸浮液形成泡狀結(jié)構(gòu)，并在供料通道的出口附近發(fā)生泡狀液膜破裂完成液膜破裂成液滴的過程，使懸浮液液滴直徑變小、變均勻。
[0012]為了提高泡狀霧化效果，優(yōu)選的，所述連通通道的出口設置在供料通道靠近噴射通道的位置。當氣體輸入通道內(nèi)的壓力高于供料通道，霧化氣體的氣流將通過連通通道進入懸浮液中，由于連通通道的出口設置在供料通道靠近噴射通道的位置，因此，霧化氣體的氣流快速從供料通道的出口進入等離子體射流中，這一過程，迅速使懸浮液形成泡狀結(jié)構(gòu)，并在供料通道的出口附近發(fā)生泡狀液膜破裂完成液膜破裂成液滴的過程，使懸浮液液滴直徑更小、更均勻。
[0013]為了便于加工，優(yōu)選的，所述連通通道為圓柱型通道，直徑為0.1?3mm。圓柱型通道便于加工，而當連通通道直徑小于0.1mm時，連通通道變得非常難以加工，相反當連通通道直徑大小3_時，泡狀霧化的效果會變差，因為較大的孔徑導致懸浮液的泡狀霧化效果降低。
[0014]所述連通通道可以設置一條或者多條，可以根據(jù)需要進行設計。
[0015]影響泡狀霧化效果的重要因素為供料通道與氣體輸入通道之間的壓差，在常見的設計中有高壓和低壓兩種設計。采用高壓設計時，霧化氣體通入供料通道具有較高的氣流速度，其優(yōu)點是提高了霧化的效果，其缺點是霧化氣體的使用量較大，不僅影響等離子體射流的穩(wěn)定性，還影響經(jīng)濟性。實驗表明，當供料通道中的懸浮液粘度不高時，采用較低的壓差即可達到良好的霧化效果，且經(jīng)濟實用，低壓壓差為0.3?0.SMPao在低壓設計中，氣體輸入通道中的霧化氣體以略高于懸浮液壓力的方式，通過連通通道注入到供料通道中，形成穩(wěn)定的氣泡流動，霧化氣體的介入首先加強了供料通道出口處懸浮液的流速，然后氣泡會對懸浮液產(chǎn)生擠壓和剪切作用，使懸浮液以包含微小氣泡的液絲或液線的形式噴出。同時，氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化，會促使氣泡急劇膨脹直至破裂，從而將包裹的液膜進一步破碎，成為更細微的液霧顆粒。
[0016]經(jīng)實驗表明，連通通道與供料通道與泡狀霧化效果關(guān)系不明顯。從方便加工的角度，優(yōu)選的，連通通道與供料通道成90度角，最為經(jīng)濟實用。
[0017]優(yōu)選的，所述供料通道設有至少兩條，所述供料通道噴射的懸浮液噴射流軸線相對噴射通道內(nèi)的等離子體射流軸線中心對稱布置。上述布置使供料通道的注射口分布有利實現(xiàn)流場的對稱性，以及等離子體射流的穩(wěn)定性。霧化懸浮液注入等離子體射流時，與等離子體射流有強烈的動能和熱能的交換，不對稱的分布，或僅有單股懸浮液注入時，會破壞射流的流動方向。
[0018]優(yōu)選的，所述供料通道噴射的懸浮液噴射流軸線與噴射通道內(nèi)的等離子體射流軸線的夾角為15?60°，上述結(jié)構(gòu)使懸浮液噴射流軸線(噴射方向)與等離子體射流軸線(噴射方向)的夾角為15?60°。該夾角的設置是為了在保證霧化效果的同時，提高等離子體射流的穩(wěn)定性。試驗表明，當角度小于15度時，等離子體射流對懸浮液的二次霧化的效果將大幅降低；當角度大于60度時，等離子體射流擠壓、加速、剪切懸浮液產(chǎn)生二次霧化效果雖然很好，但懸浮液噴射流注入時會影響等離子體射流的穩(wěn)定性。
[0019]優(yōu)選的，所述供料通道噴射的懸浮液噴射流軸線與噴射通道內(nèi)的等離子體射流軸線不相交，由于懸浮液噴射流軸線與等離子體射流軸線不相交的結(jié)構(gòu)，使懸浮液噴射流高速涌出至等離子體射流時，將建立起一個旋轉(zhuǎn)流動場，使得攜帶懸浮液的等離子體射流將獲得一定的旋轉(zhuǎn)速度，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是進一步提高了攜帶懸浮液的等離子體射流的穩(wěn)定性，加強了懸浮液和等離子體射流的相互作用，從而提高了二次霧化的效果，進一步提高噴涂涂層的質(zhì)量。
[0020]本發(fā)明還提供了一種等離子噴槍，安裝有上述的等離子噴嘴，具有良好的納米材料噴涂效果。
[0021]一種等離子噴槍，包括陰極以及上述的等離子噴嘴。
[0022]本發(fā)明還公開了一種等離子噴涂方法，霧化注入等離子體的液滴，減小液滴尺寸、提尚液滴均勾性，從而提尚等尚子喂'涂的納米涂層的質(zhì)量。
[0023]一種等離子噴涂方法，使用上述的等離子噴槍，包括以下步驟:
[0024](I)噴槍通電，使陰極與陽極之間產(chǎn)生直流電?。?br>[0025](2)將工作氣體通入陰極與陽極之間，在陽極的噴射通道內(nèi)產(chǎn)生等離子體射流；
[0026](3)通過供料通道向噴射通道注入懸浮液，同時所述氣體輸入通道內(nèi)通入霧化氣體使氣體輸