[发明专利]离心雾化等离子喷涂机及其喷涂工艺

说明书

一、技术领域

本发明属于金属表面处理和热喷涂技术领域，涉及一种在零部件内孔表面沉积涂层的新型热喷涂技术，特别适合于在小直径内孔表面喷涂涂层。

二、背景技术

磨损与腐蚀是影响零部件使用寿命和可靠性的重要原因，采用热喷涂技术在零部件表面沉积耐磨或防腐涂层是解决零部件磨损或腐蚀的有效技术手段之一。但是，对直径较小的零部件内孔来说，传统的各种热喷涂技术由于受喷涂空间的限制很难在内表面喷涂有效的涂层，这是因为：1)传统的热喷涂技术喷枪尺寸较大，不易置入内孔工作；2)对于靠焰流或雾化气流对熔融液滴进行雾化和加速的热喷涂技术来说，必须有足够的喷涂距离(200mm左右)以保证粒子得到充分雾化和加速。这使得对于直径小于400mm的零部件内孔，采用传统的热喷涂技术很难使粒子得到良好的雾化和加速，因此，涂层孔隙率高、结合强度低，难以满足使用要求。

国外在90年代初开始研究内孔热喷涂技术，主要应用领域之一就是在发动机缸套内壁喷涂耐磨涂层。瑞士Sulzer-Metco公司研制开发了旋转等离子(RotatePlasma)喷涂技术，但该技术仍然以等离子焰流对熔融液滴进行雾化和加速。美国的Martin和Kramer等人在1992年获得了一项在铝基气缸套内壁沉积铝青铜涂层的专利技术，专利号为：(US)5080056，该技术的工作原理为：用氧-丙烯作为加热铝青铜丝材的热源，使铝青铜丝端部连续被加热到熔化状态，借助压缩空气将熔化金属雾化成微粒，喷射到经过预处理的基体表面形成涂层，在喷涂中火焰喷枪需通过特殊的旋转装置绕固定轴线连续转动以完成整个工件的喷涂。美国的Alfred等人在1993年获得一项在气缸套内壁沉积耐磨涂层的专利技术，专利号为：(US)5245153，该技术以电弧为热源，喷涂时作为阳极的丝材通过送丝轮连续地送入喷枪内，作为阴极的钨电极与雾化气体绕轴线旋转，当丝材端部与钨极接近时因高频电压引燃电弧，使丝材端部瞬间熔化并通过压缩空气把熔化的金属雾化加速、喷射到工件表面形成喷涂层。以上几种内孔热喷涂技术仍属于以等离子焰流、火焰或压缩空气作为雾化加速气流的热喷涂技术，仍然受到粒子加速距离短的限制。另外，这些技术由于需要使喷枪在狭小的内孔空间转动，因此机构复杂，设备造价高。

三、发明内容

本发明的目的是针对传统热喷涂技术在进行零部件内孔喷涂时存在的不足，解决如下几个关键技术问题：

1、在保证熔融粒子得到充分的雾化和加速的前提下，尽可能减小粒子的加速距离。

2、避免使用火焰或压缩空气等雾化加速气流。

3、尽可能减小喷枪在粒子喷射方向的尺寸。

针对以上问题和关键技术问题，本发明提供了一种基于离心雾化加速原理的新型热喷涂设备和工艺。采用该设备和工艺可以在直径较小的零部件内孔表面沉积有效的热喷涂涂层，并避免了使用火焰或压缩空气等雾化加速气流。所采用的技术方案如下。

1、热源

以等离子割炬产生的转移弧等离子焰流对高速旋转的圆柱型可消耗电极(喷涂材料棒材)端部进行熔化，避免采用电弧作为热源可能造成固定电极与高速旋转电极的接触，或采用氧-乙炔火焰热源时能量密度低、燃气供给系统复杂等问题。设计了收敛-膨胀型喷嘴，以产生锥形等离子束流，保证棒材端部均匀融化，避免直管型等离子割炬喷嘴产生的束流过于集中，易造成偏心熔化的问题。

2、雾化加速方案

以高速电机驱动可消耗电极高速转动产生熔融液滴雾化和加速所需的离心力。

3、可消耗电极夹持方案

为了对可消耗电极进行可靠夹持，同时减小振动，设计了可夹持大直径棒材的专用双锥式弹簧夹头及压帽，以实现可消耗电极与高速电机的可靠联接。这种连接定心精度高，联接刚性高，体积小，转动惯量低，可有效减小振动。

4、电源阳极接入方案

为产生转移型等离子弧，需将电源阳极接在可消耗电极上，为此，设计了高速轴承导电机构。与电刷连接相比，该机构设计简单、电路工作稳定可靠、无电火花和磨损。

5、进给机构及其自动控制

该系统设计有两种进给机构，一是保证等离子喷嘴与可消耗电极端面之间恰当距离的等离子炬进给机构，二是实现被喷涂工件沿轴线方向往复运动的进给机构。这两种进给机构分别采用步进电机和直流无刷电机以及涡轮丝杠升降器实现。为了实现对步进电机和直流无刷电机的转向、转速和行程控制，设计了单片机控制系统，以实现自动控制。

6、冷却系统