專利名稱：空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及主要用于機械與電器制造領域的一種等離子噴涂槍的結構，特別涉及一種空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍。
傳統(tǒng)等離子涂槍均采用槍外送粉方式(簡稱外送粉方式)或通過陽極噴嘴送入的槍內(nèi)送粉方式(簡稱內(nèi)送粉方式)，由于粉末粒子在等離子射流中的運動軌跡受到送粉氣流量、粉末粒度分布和粉末材料的密度以及等離子射流的溫度梯度和速度梯度的共同影響，粒子運動軌跡發(fā)散，難以全部進入等離子射流的高溫區(qū)域，而粒子運動軌跡的分散性使粒子以不同的狀態(tài)碰撞基體，增加了涂層組織結構和性能的不均勻性，尤其當噴涂材料為兩種或兩種以上密度不同的混合粉末時，粒子狀態(tài)參數(shù)分散的問題更加嚴重，將導致涂層性能出現(xiàn)較嚴重的不均勻性，傳統(tǒng)等離子噴槍很難有效地解決這一問題。
比較常見的方法是通過增加電弧功率來彌補粒子的加熱加速不均的問題，但等離子電弧功率的增加也帶來了其他問題，例如電弧的加熱效率降低(用于加熱粉末的熱量只占到電弧熱量的3％～5％)，噴涂尺寸較小的零件時，等離子射流沉積束斑直徑較大導致粉末沉積效率降低等。
為了提高粉末的加熱效率，改善涂層性能的均勻性，90年代出現(xiàn)了軸向送粉方式的大功率等離子噴槍，其結構多采用多電極結構，例如三陰極結構噴槍和多對電極結構的噴槍，在該結構下，可以實現(xiàn)粉末從噴槍軸線送進，其結果是粒子的加熱加速的均勻性和粉末沉積效率提高，但是噴槍結構復雜，設備成本高。而采用在實體陰極中心加工送粉孔道的方法存在下述問題首先，噴涂過程中陰極一直處于高溫狀態(tài)，粉末容易在靠近陰極端部的位置熔化而堵塞送粉孔道，尤其對于低熔點的金屬粉末，因此無法實現(xiàn)連續(xù)噴涂，其次，中心孔的送粉氣流直接進入電弧，對電弧產(chǎn)生擾動，導致電弧電壓波動，穩(wěn)定性較差，難以滿足噴涂的要求。
本發(fā)明的其它一些特點是所述陽極噴嘴的腔室截面為矩形或梯形結構，梯形結構中的底或腰可以是直線或曲線。
所述陰極桿可以調(diào)節(jié)相對于陽極噴嘴的前后位置，調(diào)節(jié)位置可以起到控制粉末熔化狀態(tài)，從而避免粉末粘結在陽極噴嘴的現(xiàn)象。
所述陰極桿為一個組裝而成的整體部件，至少包括內(nèi)側管、外側鎢管和與上述兩者共同連接的陰極空心支撐體。在陰極空心支撐體的一端還設置一個帶通孔的內(nèi)側管和外側鎢管，內(nèi)側管設置在與陰極空心支撐體的通孔上，外側鎢管設置在陰極空心支撐體的一端的外表面上，內(nèi)側管與外側鎢管之間具有一定的間隙。
所述支撐體為導熱與導電性良好的銅或銅合金材料，所述外側鎢管的材料為放電性能良好且熔點高的鎢或鎢合金，鎢合金如鈰鎢合金、釷鎢合金。
所述內(nèi)側管材料為金屬或合金或陶瓷或金屬陶瓷，其中的金屬可以包括鎢、鉬、鐵、銅、鎳、鈦、釩、鉻、鈷、釔、錳、鋯、鈮、鉬、銀、鉭，合金可以包括上述一種或多種元素的合金，陶瓷可以包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物陶瓷，金屬陶瓷可以包括上述金屬或合金與陶瓷組成的復合體。
所述內(nèi)側管材料與支撐桿相同心，內(nèi)側管與陰極空心支撐體可以合二為一，為一個整體結構。
所述外側鎢管的端面比內(nèi)側管的端面高，內(nèi)側管端面的內(nèi)縮量保證電極工作時，電弧穩(wěn)定地燃燒在外側鎢管端面。
所述內(nèi)側管的內(nèi)孔直徑可為1～3mm，壁厚可為1～2mm；外側鎢管的內(nèi)徑可為3～6mm，壁厚可為3～5mm。
所述支撐體上可以附加一些裝置或形狀用以固定或連接其它零部件，比如加工螺紋、打孔，用于陰極的位置固定、調(diào)節(jié)、連接送粉裝置，還可將例如送粉接頭的裝置安裝在支撐體上。
所述內(nèi)側管不作為放電部分，而作為送粉部分。
所述陽極噴嘴上可以附加制作一個送粉孔，由此以內(nèi)送粉的方式實現(xiàn)另外一種粉末的送進，噴槍可以實現(xiàn)同時噴涂兩種粉末，同理可以擴展到三種或三種以上粉末的同時噴涂。
所述噴槍的前槍體上可以附加安裝一個送粉嘴，由此以外送粉的方式實現(xiàn)另外一種粉末的送進，噴槍可以實現(xiàn)同時噴涂兩種粉末，同理可以擴展到三種或三種以上粉末的同時噴涂。
本發(fā)明有下述優(yōu)點1)采用切向進氣方式，渦旋氣流提高了電弧的穩(wěn)定性。
2)噴涂粉末通過內(nèi)側管從中心軸向送入等離子射流，粉末從內(nèi)側管的中心孔送出后，直接進入等離子射流的中心區(qū)域，而旋轉的渦旋氣流在中心區(qū)域的切向速度分量很小，粉末顆粒的運動軌跡集中。
3)噴槍的陰極采用由同心的內(nèi)側管與外側鎢管制成空心陰極，由于采用嵌套結構，內(nèi)側管與外側鎢管之間存在直徑差和高度差，因此電弧僅在陰極的外側鎢管端面與陽極孔道壁面產(chǎn)生，送粉氣流和粉末對電弧的干擾較弱，電弧穩(wěn)定燃燒在陽極孔道內(nèi)，因此電弧穩(wěn)定性好。
4)內(nèi)側管與外側鎢管端面之間的高度差，以及送粉氣流的冷卻作用，使內(nèi)側管溫度相對較低，可以避免粉末對內(nèi)側管的沖蝕磨損，并可以避免粉末在內(nèi)側管孔道內(nèi)熔化粘結。
5)陽極噴嘴腔室截面為梯形結構，粉末從內(nèi)側管送出后，直接進入陽極噴嘴孔道，這樣由于粒子在腔室內(nèi)的飛行距離短、運動軌跡集中而避免了粉末顆粒因過早熔化而在噴嘴壁面粘結。
6)陰極桿是可移動的，外側鎢管端部和陽極之間的距離可以靈活調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)對粒子熔化狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
7)陽極噴嘴采用梯形結構，因此腔室壓縮角對氣流壓縮作用的影響降低，本發(fā)明中壓縮角為20°～40°之間。
圖2是本發(fā)明涉及的一種典型的空心陰極結構的示意圖。
圖3是本發(fā)明涉及的內(nèi)側管21與陰極空心支撐體可以合二為一的空心陰極結構的示意圖。
圖4是本發(fā)明涉及的內(nèi)側管21與陰極空心支撐體可以合二為一的空心陰極結構的一種更為簡單的結構的示意圖。
圖5是以本發(fā)明實施獲得的微束等離子噴槍噴涂制備的氧化鋁陶瓷涂層斷面顯微組織結構照片。
圖6是傳統(tǒng)的大功率等離子噴涂制備的氧化鋁陶瓷涂層斷面顯微組織結構照片。
圖7是本發(fā)明涉及的帶有側向內(nèi)送粉孔的陽極噴嘴的結構示意圖。
前槍體、后槍體、絕緣體和密封圈通過機械式連接；在前槍體4的一端通過機械方式通過壓蓋1依次安裝密封圈3、陽極噴嘴2。
陰極桿17靠近陽極噴嘴2的一端，同心設置有內(nèi)側管21和外側鎢管20構成雙鎢管空心陰極，陰極桿17的另一端與送粉管接頭15連接；等離子電弧在陰極的外側鎢管20端面與陽極孔道壁面產(chǎn)生，噴涂粉末通過陰極的內(nèi)側管21的中心軸向送入等離子射流。
陽極噴嘴2的腔室截面為梯形結構。
陰極桿17是可移動式的，雙鎢管空心陰極的內(nèi)側管21和外側鎢管20間的距離可以調(diào)節(jié)。內(nèi)側管21不作為放電部分，而作為送粉部分。
本發(fā)明的噴槍可以制備三氧化二鋁、氧化鋯、碳化物等高熔點材料。采用該噴槍進行噴涂，試驗結果表明在1kW～3kW的小功率下所制備的涂層性能與傳統(tǒng)的等離子噴槍在20kW～80kW條件下制備的涂層相當。圖5是以本發(fā)明制造的微束等離子噴槍噴涂制備的氧化鋁陶瓷涂層斷面顯微組織結構照片，作為對比，圖6是傳統(tǒng)的大功率等離子噴涂制備的氧化鋁涂層。從兩幅圖中可以發(fā)現(xiàn)，氧化鋁顆粒已經(jīng)發(fā)生了熔化并形成了扁平較好的扁平粒子。當本發(fā)明涉及的噴涂功率為3kW而傳統(tǒng)等離子噴涂功率為40kW時，制備典型的Cu、Ni60、Mo與Al2O3涂層的性能與傳統(tǒng)等離子噴涂相當。
該噴槍的射流熱焓為0.7～1.6kJ·g-1，約為傳統(tǒng)等離子噴槍的1/20～1/4。采用熱輻射粒子溫度/速度測量系統(tǒng)分別測量了中心軸向送粉方式噴涂Al2O3與Mo粉末，Al2O3粒子的平均速度在220m·s-1～300m·s-1范圍內(nèi)變化，Mo粒子的平均速度在110m·s-1～150m·s-1范圍內(nèi)變化，與傳統(tǒng)大功率等離子噴涂的粒子速度相當。微束等離子噴涂在功率為3kW的工藝參數(shù)下與傳統(tǒng)等離子噴涂在功率為40kW下制備涂層的性能的比較表明(見下表)，涂層的磨粒磨損失重和顯微硬度相當，表明涂層性能基本接近。
微束等離子噴涂層與傳統(tǒng)等離子噴涂層性能的比較材料 涂層性能 微束等離子噴涂 傳統(tǒng)等離子噴涂W/mg25.2 24.0Al2O3Hv0.21060 1274W/mg185.4 165.5MoHv0.251658權利要求
1.一種空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，包括1)等離子噴涂槍的前槍體4；2)與前槍體4連接的陽極噴嘴2；3)后槍體9；4)與后槍體9連接的陰極桿17；5)連接前槍體4與后槍體9的絕緣體7；6)其他與等離子噴涂槍的連接部件；前槍體4、后槍體9和絕緣體7通過機械連接方式連接；其特征在于陰極桿17是一種雙管空心陰極結構；陰極桿17包括同心設置的內(nèi)側管21和外側鎢管20，由外側鎢管20與陽極噴嘴2之間產(chǎn)生電弧的放電，陰極桿17的另一端和送粉管接頭15連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述陽極噴嘴2的腔室截面為矩形或梯形結構，梯形結構中的底或腰可以是直線或曲線。
3.根據(jù)權利要求1所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述陰極桿17可以調(diào)節(jié)相對于陽極噴嘴2的前后位置。
4.根據(jù)權利要求1所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述陰極桿17為一個組裝而成的整體部件，至少包括內(nèi)側管21、外側鎢管20和與上述兩者共同連接的陰極空心支撐體；在陰極空心支撐體的一端還設置一個帶通孔的內(nèi)側管21和外側鎢管20，內(nèi)側管21設置在與陰極空心支撐體的通孔上，外側鎢管20設置在陰極空心支撐體的一端的外表面上，內(nèi)側管與外側鎢管之間具有一定的間隙。
5.根據(jù)權利要求4所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述支撐體為導熱與導電性良好的銅或銅合金材料，所述外側鎢管20的材料為放電性能良好且熔點高的鎢或鎢合金，鎢合金如鈰鎢合金、釷鎢合金。
6.根據(jù)權利要求1或4所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述內(nèi)側管21材料為金屬或合金或陶瓷或金屬陶瓷，其中的金屬可以包括鎢、鉬、鐵、銅、鎳、鈦、釩、鉻、鈷、釔、錳、鋯、鈮、鉬、銀、鉭，合金可以包括上述一種或多種元素的合金，陶瓷可以包括氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硅化物陶瓷，金屬陶瓷可以包括上述金屬或合金與陶瓷組成的復合體。
7.根據(jù)權利要求1或4所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述內(nèi)側管21材料與支撐桿相同時，內(nèi)側管21與陰極空心支撐體可以合二為一，為一個整體結構。
8.根據(jù)權利要求1或4所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述外側鎢管20的端面比內(nèi)側管21的端面高，內(nèi)側管21端面的內(nèi)縮量保證電極工作時，電弧穩(wěn)定地燃燒在外側鎢管20端面。
9.根據(jù)權利要求1或4所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述內(nèi)側管21的內(nèi)孔直徑可為1～3mm，壁厚可為1～2mm；外側鎢管20的內(nèi)徑可為3～6mm，壁厚可為3～5mm。
10.根據(jù)權利要求1、或2或3所述的空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，其特征在于，所述陽極噴嘴2上可以附加制作一個送粉孔，所述噴槍的前槍體4上可以附加安裝一個送粉嘴，由此以內(nèi)送粉和外送粉的方式實現(xiàn)另外一種粉末的送進，噴槍可以實現(xiàn)同時噴涂兩種粉末，同理可以擴展到三種或三種以上粉末的同時噴涂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空心陰極中心軸向送粉等離子噴涂槍，陰極采用由同心的內(nèi)側管與外側鎢管制成的空心陰極，陽極噴嘴腔室截面為梯形結構。采用該結構的等離子噴涂槍可以有效控制粉末在等離子射流中的飛行軌跡，能將粉末有效地送入等離子射流中心部位，實現(xiàn)噴涂粒子的有效地加熱與加速，并且電弧燃燒穩(wěn)定、粉末不易粘結、電極使用壽命長。
文檔編號B23K10/00GK1448223SQ0311469
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月28日 優(yōu)先權日2003年4月28日
發(fā)明者李長久, 孫波, 王豫躍, 楊冠軍 申請人:西安交通大學