高速燃气-电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪技术

本发明专利技术公开了一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪。热喷涂方法包括步骤：借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层。基于本发明专利技术热喷涂方法，引弧熔化的丝材在压缩空气助燃煤油形成的低氧气含量的超音速燃气作用下，可对待喷涂部件表面可实现高效喷涂，所得的喷涂层质量良好。

【技术实现步骤摘要】
高速燃气-电弧复合热喷涂方法及其使用的喷枪
本专利技术涉及一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，以及该热喷涂方法所使用到的喷枪，属于热喷涂

技术介绍
目前因热喷涂可以制备出种类繁多的金属基和陶瓷基涂层材料，故其被广泛用来实现各种基体零件的尺寸恢复和表面改性，其中的高速燃气喷涂是利用燃料在燃烧室内剧烈燃烧产生高速燃气加速、加热喷涂材料的一种重要的热喷涂技术。按助燃剂种类来分，高速燃气喷涂技术通常包括以氧气助燃的高速氧气火焰(HVOF)喷涂和以空气助燃的高速空气火焰(HVAF)喷涂，按燃料种类来分，高速燃气喷涂技术可分为气体燃料、液体燃料的喷涂技术。HVOF喷涂技术适宜的燃料众多，例如以丙烷、甲烷、丙烯、天然气、氢气等为代表的气体燃料和以煤油为代表的液体燃料。燃料和氧气在燃烧室完成快速的燃烧反应后，产生的燃气迅速膨胀，经特殊设计的缩扩型喷嘴加速后以超音速的速度推动喷涂粒子高速沉积，同时HVOF喷涂产生的火焰温度很高，例如丙烷和氧气的理论燃烧温度可达2800℃，因此可以加热熔化绝大多数包含金属和陶瓷在内的高熔点材料。HVOF喷涂装置最初由JamesA.Browning在1982年专利技术，请参见美国专利号为4342551和4343605的专利中的相关描述。后来为了改善其喷涂性能，增大其喷涂粒子的飞行速度，又出现了许多对HVOF喷涂装置(喷枪)进行改进的技术，请参见美国专利号为4370538、4416421、4540121、4568019、4634611、4836447、5019686、5206059、5535590以及中国专利号为01128773.X的专利中的描述，这些改进技术从既无燃烧室也无加速喷嘴的开放式结构逐步完善成为现今的封闭式喷枪结构，燃烧室和加速喷嘴的共同作用使得其可以使用更大流量的氧气和燃料，焰流速度也大大提高，喷涂粒子的飞行速度也达到2倍以上音速的水平。目前国际市场上先后出现了以Jet-kote、Top-Gun、DJ-2700、JP-5000、θ-Gun、Aerospray等为代表的HVOF喷涂设备产品。HVOF喷涂技术通常需要消耗大流量的氧气和燃料，工业应用成本也较高，对于气体燃料在运输、储存和使用过程中还存在爆炸的风险。为了摆脱对高成本氧气的依赖，以空气助燃的HVAF喷涂技术应运而生(请参见美国专利号为5120582、5405085、5520334的专利)。HVAF喷涂技术主要发展模式是以煤油和空气的燃烧方式，煤油通过高效雾化的喷嘴雾化成液滴，同时和压缩空气掺混后着火燃烧，为喷涂提供高温高速的燃气能量。这种HVAF喷涂技术和煤油为燃料的HVOF喷涂技术在原理上存在相似处，但是在具体的技术实现方法上却存在很大的不同，这主要是因为煤油和空气的高速燃烧要比煤油和氧气之间的燃烧困难得多，具体包括：1)HVAF喷涂技术要求煤油具备更高质量的雾化效果；2)在高速状态下实现煤油和空气的点火非常困难，例如煤油燃料的HVOF喷涂技术使用火花塞就可点燃，而用在HVAF喷涂技术上基本是很难实现的；3)煤油和空气混合物着火后极易熄灭，需要专门的稳焰措施；4)空气和煤油的混合比波动范围比较小，使得喷涂工艺参数的调节范围小。针对这些困难，已出现了很多尝试克服的办法，也因此派生出了一些新工艺，例如专门设计的煤油-空气雾化喷嘴及燃烧室，并先通过气体燃料点燃火焰产生的热量引燃空气和煤油的混合物，但此种外加小火焰的方法需增配气体燃料供应装置，一定程度上增加了设备的复杂程度；又例如出现的活性燃烧HVAF喷涂方法及设备，其拓展了HVAF喷涂技术的研究和应用，但该方法对活性燃烧核心装置(附着催化剂的多孔陶瓷材料)的性能要求较高。在热喷涂技术中，还包括一种重要的喷涂工艺就是电弧(Arc)喷涂，它曾是工业应用中继高速燃气喷涂和等离子喷涂之后的第三大热喷涂技术。电弧喷涂是通过两根金属丝得电起弧，电弧产生的高热量迅速熔化丝材，并通过高速空气或其它气体雾化熔滴的一种喷涂工艺，与HVOF和HVAF喷涂技术相比，电弧喷涂最大的优势就是生产效率高、设备投资和运行成本低，例如使用碳钢丝作为喷涂材料的电弧喷涂效率可达6-8kg/h，是常规粉末HVOF和HVAF喷涂技术的4倍以上，空气雾化的电弧喷涂主要使用电能，其运行成本通常不到HVOF喷涂技术的1/10。但是，电弧喷涂技术的最大瓶颈就是粒子沉积速度和涂层结合强度低、使用空气雾化时金属氧化严重，这些问题严重制约了该技术的进一步发展。鉴于此，Kosikowskia等人曾经研究出了HVOF-Arc复合喷涂方法，它是使用丙烯和氧气产生的高速燃气将两根或四根金属丝材经电弧熔化后加速雾化喷射，喷涂的粒子速度可达300m/s以上。另外，V.Baranovski等人在美国专利(美国专利号为6245390B1)中还介绍了一种运用丙烷燃料和空气的活性燃烧气与电弧复合的喷涂方法及喷枪设备。这两种高速燃气与电弧喷涂复合喷涂方法都是利用气体燃料与氧气或空气燃烧产生的高速燃气加速雾化金属丝材，因此，气体燃料在运输、储存和使用时同样存在着诸多不便，氧气作为助燃剂时运行成本较高。由此可见，设计出一种将高速燃气与电弧高效结合使用并可避免出现上述不足的热喷涂技术方案，是目前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，以及该热喷涂方法所使用的喷枪，经由该热喷涂方法，引弧熔化的丝材在压缩空气助燃煤油形成的低氧气含量的超音速燃气作用下，可对待喷涂部件表面实现高效喷涂，所得的喷涂层质量良好。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层。一种所述的高速燃气-电弧复合热喷涂方法使用的喷枪，其特征在于：它包括超音速燃气形成室，该超音速燃气形成室包括缩扩型喷嘴、燃烧室，该燃烧室的出口端设有该缩扩型喷嘴，该超音速燃气形成室的外壁装配有外枪体，该外枪体的内壁与该燃烧室的外壁之间形成环型密闭冷却水流动腔，该冷却水流动腔与设于该外枪体上的冷却水输入接口、冷却水输出接口连通，该外枪体的内壁与该缩扩型喷嘴的外壁之间形成环型密封压缩空气输送腔，该压缩空气输送腔与设于该外枪体上的压缩空气输入接口连通，该缩扩型喷嘴的输出口与至少两个导丝器的出口相对应设置，该燃烧室的入口端安装有头盖，该头盖的中心腔内安装有等离子点火器，该等离子点火器的喷射口与该燃烧室的燃烧腔相通，该等离子点火器的外壁与该头盖的中心腔内壁之间形成有用于实现煤油与压缩空气掺混得到环状高速喷射油气混合流的环型腔流道，该环型腔流道的一端口与外部隔离且与该等离子点火器的输气孔连通以及经由该头盖上开设的输气通道、该燃烧室壁面上开设的贯穿孔与该压缩空气输送腔连通，该环型腔流道的另一端口与该燃烧室的该燃烧腔相连通，该环型腔流道上位于该环型腔流道的两端口之间的部位经由输油通道与设于该头盖上的煤油输入接口连通。本专利技术的优点是：1、本专利技术一方面提出了压缩空气助燃煤油的燃烧设计方案，充分利用了煤油及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速燃气‑电弧复合热喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层。

【技术特征摘要】
1.一种高速燃气-电弧复合热喷涂方法，其特征在于，它包括步骤：借由空气等离子体点火方式引燃煤油与压缩空气掺混得到的环状高速喷射油气混合流；使油气混合流持续充分燃烧并加速，形成超音速燃气后向丝材喷射；丝材通电起弧熔化，并在超音速燃气射流作用下被雾化和加速，沉积在待喷涂部件表面上形成涂层；其中：对燃烧的油气混合流使用水与压缩空气联合冷却的方式降温。2.一种权利要求1所述的高速燃气-电弧复合热喷涂方法使用的喷枪，其特征在于：它包括超音速燃气形成室，该超音速燃气形成室包括缩扩型喷嘴、燃烧室，该燃烧室的出口端设有该缩扩型喷嘴，该超音速燃气形成室的外壁装配有外枪体，该外枪体的内壁与该燃烧室的外壁之间形成环型密闭冷却水流动腔，该冷却水流动腔与设于该外枪体上的冷却水输入接口、冷却水输出接口连通，该外枪体的内壁与该缩扩型喷嘴的外壁之间形成环型密封压缩空气输送腔，该压缩空气输送腔与设于该外枪体上的压缩空气输入接口连通，该缩扩型喷嘴的输出口与至少两个导丝器的出口相对应设置，该燃烧室的入口端安装有头盖，该头盖的中心腔内安装有等离子点火器，该等离子点火器的喷射口与该燃烧室的燃烧腔相通，该等离子点火器的外壁与该头盖的中心腔内壁之间形成有用于实现煤油与压缩空气掺混得到环状高速喷射油气混合流的环型腔流道，该环型腔流道的一端口与外部隔离且与该等离子点火器的输气孔连通以及经由该头盖上开设的输气通道、该燃烧室壁面上开设的贯穿孔与该压缩空气输送腔连通，该环型腔流道的另一端口与该燃烧室的该燃烧腔相连通，该环型腔流道上位于该环型腔流道的两端口之间的部位经由输油通道与设于该头盖上的煤油输入接口连通。3.如权利要求2所述的喷枪，其特征在于：所述两个导丝器相对于喷射方向倾斜，所述两个导丝器之间的夹角呈锐角且该锐角朝向所述缩扩型喷嘴的输出口，所述导丝器包括固定安装在所述外枪体上的陶瓷导丝管，该陶瓷导丝管上伸出所述外枪体的一端口与所述缩扩型喷嘴的输出口相对应设置，该陶瓷导丝管上伸出所述外枪体的另一端口设有导电嘴，该导电嘴的外壁套设有导电接头，该导电接头与所述外枪体之间经由绝缘套相互电隔离。4.如权利要求2所述的喷枪，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永雄，梁秀兵，徐滨士，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：北京;11