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大气等离子喷涂的原理与构成

更新时间  2018-12-20 15:21:41 阅读

等离子喷涂是采用非转移型等离子弧为热源,喷涂材料为粉末的热喷涂方法。近十几年来等离子喷涂技术发展很快,目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂等喷涂技术,等离子喷涂已成为热喷涂技术中最重要的一项工艺方法。


大气等离子喷涂原理大气等离子喷涂简称等离子喷涂。等离子喷涂通过等离子喷枪来实现,喷枪的喷嘴(阳极)和电极(阴极)分别接电源的正、负极,喷嘴和电极之间通入工作气体,借助高频火花引燃电弧。电弧将气体加热并使之电离,产生等离子弧,气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流。送粉气将粉末从喷嘴内(内送粉)或外(外送粉)送入等离子射流中,被加热到熔融或半熔融状态,并被等离子射流加速,以一定速度喷射到经预处理的基体表面形成涂层。常用的等离子气体有氩气、氢气、氦气、氮气或它们的混合物。

大气等离子喷涂的原理与构成

大气等离子喷涂设备构成


(1)喷枪等离子喷枪是集水、电、气、粉于一体的等离子电弧发生器,是整套系统的关键,喷枪的设计和加工质量直接影响喷涂系统能否正常工作和喷涂涂层质量的优劣。喷枪主要由喷嘴、电极、电极杆、绝缘体、水道头等组成。喷嘴是喷枪的关键部件,也是易损件,材料为纯铜。9M喷枪常用的喷嘴有四种型号,其中氮气两种:G和GE;氩气两种:GH和CP。G和GH是低速喷嘴,开口角度和孔径都较大,焰流束粗,适于超音速喷涂高熔点材料,如ZrO2、Al203、Cr203、W等。GE和GP是高速喷嘴,开口角度和孔径都较小,焰流束细,适于喷涂较低熔点材料。


等离子喷涂设备构成示意图2)电极。电极也是喷枪的关键部件和易损件,头部材料为钨-钍或钨-铈合金,基座材料为纯铜。使用过程中,电极头部温度高达20000K以上,局部热负荷相当高,容易烧损。为提高电极寿命,必须加强冷却水对电极的冷却效果。


(3)绝缘体。一方面在喷嘴和电极之间起绝缘作用,另一方面也起着气路和水路通道的作用。材料选用耐热性好的工程塑料,如聚砜和聚甲醛等,绝缘体端部气体分配环材料为聚酰亚胺。


(4)水道头。既是喷枪水路的导通体,又是喷嘴、电极和绝缘体的安装定位套。材料为黄铜或青铜。内孔加工精度高,其加工质量的好坏直接影响喷嘴、电极的同心度和冷却效果。


等离子喷涂电源的性能要求和技术参数


(1)整流电源喷涂用的整流电源是向喷枪提供电能的装置,其外特性和动特性及供电参数都应满足喷枪产生等离子弧的要求。目前电源多采用晶闸管整流,电源主要由变压器、电抗器、整流器、接触器等组成。

大气等离子喷涂的原理与构成



(2)控制系统控制系统是整套设备的控制中心,一般是由三部分组成:电气控制系统、气路控制系统和工作状态监视系统(或称为安全报警系统)。控制系统与水电转接箱联合作用实现对整个喷涂过程的动作程序和工艺参数的控制、调节及监视(故障显示)。电气控制系统包括:操作动作程序控制电路、电源电流触发控制电路、信号显示电路等。操作动作程序控制电路是将各输入的条件信号经过逻辑组合(编程),输出控制信号来控制执行机构(电气元件),使其按工艺要求的顺序动作,并具有在非正常的工作状态时自行停机的保护功能。目前国产设备程序控制电路的形式有三种:1)固定程序继电器控制电路。是通过继电器接点的串并联来实现程序控制。目前部分国产设备仍采用这种方式。2)可编程序控制器PLC程序控制电路。利用可编程序控制器组成程序控制电路。目前部分国产和进口设备采用此方式。3)计算机控制系统。采用微型计算机对整个喷涂系统的操作程序和工艺参数自动控制和数据存储,通过显示器来显示工作状态和工艺参数。部分进口设备采用此方式。


(3)送粉器送粉器是在陶瓷喷涂过程中定量向喷枪提供粉末的装置,一般要求:可送粉末粒度范围为5~200μm;送粉量连续可调:5~150g/min;送粉精度:±1%。目前常用的有流化床式送粉器和容积式送粉器。该送粉器工作时的参数变量是载气流量和粉筒工作压力(简称反压)以及送粉拾取轴的型号,一般固定拾取轴和载气两个变量,通过调节反压来改变送粉量的大小。某种粉末单位时间内的送粉量需要进行标定才能确定,标定工作不是一劳永逸的,粉末粒度差异、气体压力波动、拾取轴的磨损等都会带来送粉量的变化,所以要根据实际情况决定是否重新标定。一般情况下,造成送粉器出现故障的原因是“气密性”问题。载气管路老化、接头O形圈破损等都可能导致“气密性”问题。


流化床式送粉器工作原理图

(1)热交换系统热交换系统有两种类型,一是水泵式制冷,另一种是氟利昂制冷即制冷机组。水泵制冷式换热器。此种形式换热器的结构,热交换过程分内外两路循环。内循环的流体是蒸馏水,其循环路径是:储水罐→水泵→喷枪→换热器→贮水罐。外循环的流体是蓄水池水,其循环路径是:蓄水池水→水泵→换热器→蓄水池水。其基本原理是:用蒸馏水冷却喷枪,再用蓄水池水冷却蒸馏水。此种形式的热交换系统主要用于我国北方地区,因北方夏季蓄水池水经冷却水塔散热降温后水温可在25℃以下,而南方则不具备这个条件。


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