[发明专利]一种内送粉超音速等离子喷枪

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷涂设备，具体涉及一种内送粉超音速等离子喷枪。

背景技术

超音速等离子喷涂（SAPS）是指在传统非转移型等离子弧基础上，通过对高压、高速等离子气体进一步强力压缩和加速而获得的高能量密度、加长的扩展等离子弧，可获得数倍于音速的超音速等离子体射流来进行喷涂的方法。与普通等离子喷涂（喷涂粒子速度约200～400m/s）相比，超音速等离子射流的高能量密度能够瞬间熔化高熔点喷涂材料，并能迅速加速熔融粒子突破声障至450～900m/s的超音速水平。研究表明，用超音速等离子喷涂制备出的细密柱晶新型结构热障涂层在热震性能、隔热性能和高温氧化等方面均有所提高。

喷嘴是喷枪的关键部件，也是易损件，喷嘴的设计在于确定压缩孔道参数和几何形状。喷嘴几何形状的设计重点是围绕提高喷枪功率，解决喷枪烧损问题以及在强制冷却上应采取的措施。圆孔型喷嘴、收敛-扩张型喷嘴和钟型喷嘴都是传统喷嘴，虽然加工简单，可是各自的问题很多。圆孔型喷嘴内的温度过高，使用寿命较短；收敛-扩张型喷嘴的射流在出口平面含有不平行于喷嘴轴线的动态分量，这些发散的流动分量会诱导粉末的轨迹发散，使一些粉末在喷涂过程中飞出射流或者降低了速度；钟型喷嘴有堵粉倾向，不适合于内送粉等等。拉法尔(Laval)喷嘴设计理论来自Laval原理，喷涂效果最好，现有的超音速等离子喷枪则采用此喷嘴。虽然SAPS体现出很大的优势，但现有的超音速等离子喷枪在实际应用过程中仍然存在喷枪热效率低，喷嘴、电极使用寿命低，喷嘴阻塞问题严重，射流状况不稳定、制备高质量涂层组织结构难以控制、重复性低、涂层质量批次稳定性差等问题。利用工艺实验来优化喷枪结构这种传统的先设计加工、后实验优化的方法也存在一定的盲目性，而且效率低、成本高，已经很难满足现在等离子喷枪的开发周期。而且难以用实验方法检测喷枪内部的流场特性，从物理性能上对喷枪结构参数与涂层微观结构关系的影响不清楚，所以已很难通过实验手段来准确评价喷枪结构性能的好坏。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种喷枪内等离子体射流具有高的能量密度和速度，且提高喷枪的热效率，同时保证电弧电压的稳定性，使得喷枪工作效率高，喷嘴、电极使用寿命长，喷嘴阻塞率低，射流稳定，涂层质量批次稳定性好的内送粉超音速等离子喷枪。

为达到上述目的，本发明采用的技术解决方案是：包括枪体以及安装在枪体内的阴极，所述的阴极包括圆柱状主体和锥形结构的前端部，还包括一端插入枪体内与阴极前端部锥形结构相配合的阳极，所述的阳极内开设有收敛-扩张型的主气流道，且压缩扩张段为拉法尔曲面，阳极的外壁上还开设有与主气流道相连通的送粉气流道，枪体内分布有冷却水流道和气流通道，在气流通道内安装有气体分配环，气体分配环上开设有与主气流道相连通的进气孔。

所述的阴极前端部圆锥形的头部尖点采用圆台形结构。

所述的阴极端部的直径为d₁为8-10mm，圆柱状主体的直径d₂为5-7.5mm。

所述的主气流道沿气流方向的孔径分别为r1、r2、r3，其中，r1为5-5.5mm、r2为3.5-4.5mm、r3为5.5-6.0mm。

所述的送粉气流道中心线与主气流道中心线的夹角α为85°，送粉气流道的入口距喷枪出口为15mm、孔径为2.2mm。

所述的气体分配环沿周向均匀分布有3个直径为2.0mm的进气孔。

所述的阴极和阳极材料分别为钨和紫铜。

本发明采用参数化结构设计方法，并结合数值模拟技术完成喷枪设计。主要包括阴极、阳极、送粉气流道以及阴阳电极配合而成的主气流道。通过改变阳极喷嘴内部压缩段与扩张段各孔道参数来调节喷嘴的机械压缩效果，使得喷枪内等离子体射流具有高的能量密度和速度，同时保证电弧电压的稳定性。改变内送粉角度至最佳位置，有利于喷涂粉体材料的加热与加速。以上喷枪尺寸的选择都是基于计算机模拟技术，结果表明新的喷枪结构具有比原结构更好的流场特性。大大缩短了喷枪开发周期，降低了设计成本，更能满足涂层性能对喷枪结构的要求。

本发明在较低等离子电流（<500A）和功率(<70KW)下，能够得到高的等离子体射流速度和温度；喷枪工作效率高，喷嘴、电极使用寿命长，喷嘴阻塞率低，射流稳定，涂层质量批次稳定性好；喷枪开发周期短，成本低。

附图说明

图1为本发明喷枪总体结构示意图；

图2为喷枪关键参数标注示意图；

图3为本发明喷枪与现有喷枪的速度对比图；