本发明专利技术提供了一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置及超高速等离子熔覆方法，包括从中心轴向外依次组装的中心筒、水冷内隔套、粉末导向隔套、保护气隔套和水冷外隔套。中心筒的入口处轴向与等离子熔覆系统的熔覆枪的阳极相连；锥形送粉装置将粉末高速、均匀地送至等离子射流中，在粉末导向空间的出口斜锥面的机械约束下，形成具有预先设计角度的锥形粉末流体，并最终聚焦于中心轴上，从而获得高浓度、高速、均匀分布、发散性小的粉末射流，在等离子熔覆系统与工件的相对运动速度10‑200米/分以上的超高速等离子熔覆条件下，获得厚度薄、化学成分均匀、表面粗糙度低、稀释率低、微观结构致密的熔覆层。
【技术实现步骤摘要】
一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置及超高速等离子熔覆方法
本专利技术涉及等离子熔覆、等离子喷涂、再制造和修复领域，具体涉及一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置及超高速等离子熔覆方法，通过将粉末材料聚焦于中心轴上，有利于提高等离子熔覆、等离子喷涂、再制造和修复过程中粉末加热、加速的均匀性和稳定性，合理分配用于加热粉末与加热工件基体之间的能量比例，从而在超高速等离子熔覆条件下获得厚度薄、化学成分均匀、表面粗糙度低、稀释率低、微观结构致密的熔覆层。
技术介绍
等离子熔覆技术是采用高能量密度等离子射流将送入的粉末或丝材熔化至工件表面上的一种表面处理技术。该技术的等离子熔覆枪的阴极和阳极电极分别与等离子电源设备的负、正极相连，采用高频火花起弧后等离子气体被加热到很高的温度(约10000K以上)，在磁压缩、热压缩和机械压缩的综合作用下从喷嘴射出温度高、速度快的等离子射流，粉末或丝材进入等离子射流后被加热、加速，喷射到待加工的工件表面，在工件表面上发生熔化、混合、凝固等物理化学变化，最终形成熔覆层，并与工件表面发生冶金牢固结合。现有的等离子熔覆技术中，如图1所示，通常采用单根送粉管、或对称的两根送粉管将粉末(熔覆材料)从等离子射流的侧向送入等离子射流中，等离子射流的能量大部分用于加热熔化基体工件表面，小部分用于加热粉末，粉末从侧向送入熔池中后发生熔化，然后凝固形成熔覆层。传统的等离子熔覆技术虽然具有熔覆层与工件基体结合强度高，在制备厚熔覆层方面生产效率较高的优点，但是也具有如下显著缺点：(a)为了获得质量可靠的熔覆层，等离子熔覆系统与工件的相对运动速度不能太快，一般为0.1-2米/分，无法满足当今市场对高速、高效率制备熔覆层的需求。(b)熔覆层的厚度一般为2000-3000微米以上，在替代电镀等传统技术制备厚度为数十至数百微米的薄涂层方面显得过厚，不仅降低了生产效率而且增加了粉末用量。(c)熔覆层的表面粗糙度与电镀、热喷涂技术等制备的涂层相比，表面粗糙度高，造成熔覆后工件表面的后续加工量大，不仅大大增加了后续加工费用，而且降低了生产效率。(d)由于采用单根送粉管、或对称的两根送粉管将粉末(熔覆材料)从等离子射流的侧向送入等离子射流中，导致粉末束流过度集中于等离子射流的一、两个位置，送粉管出来的粉末向边缘、四周发散，使各个粉末颗粒的运动轨迹各不相同，导致各个粉末颗粒的温度和运动速度千差万别，均匀性差。(e)等离子弧的大部能量用来加热熔化工件基体的表面，而不是粉末，从而导致基体熔化过度、热影响区宽、熔覆层的稀释率高，大大降低了涂层的综合性能，弱化了基体的力学性能。(f)由于粉末的发散性，粉末在等离子弧中加热均匀性差，部分粉末偏离等离子射流区域而无法得到加热、加速；部分粉末加热过度，导致元素蒸发、烧损过度，熔覆层发生偏析，化学成分与原始粉末相差大，不仅造成粉末利用率低，而且污染加工环境，影响操作工人的身体健康。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置及超高速等离子熔覆方法，通过协同、优化控制等离子弧与粉末之间的相互作用，合理分配用于加热粉末与加热工件基体之间的能量比例，从而在等离子熔覆系统与工件的相对运动速度10-200米/分的超高速等离子熔覆条件下，获得厚度薄、化学成分均匀、表面粗糙度低、稀释率低、微观结构致密的熔覆层。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足之处，本专利技术提供一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置及超高速等离子熔覆方法，采用本专利技术的锥形送粉装置，与等离子系统的熔覆枪的阳极同轴安装，将粉末从四周环向高速、均匀地送至等离子射流中，形成锥形粉末射流并最终聚焦于中心轴上，该装置和方法具有如下显著特点：(a)锥形送粉装置的送粉速率高，等离子熔覆系统与工件的相对运动速度可达10-200米/分以上，可以大幅度提高等离子熔覆的生产效率，满足当今市场对高速、高效率制备熔覆层的需求。(b)可以制备熔覆层的厚度为数十至数百微米的薄涂层，不仅增加了生产效率而且大幅度降低了单位面积工件表面熔覆粉末的材料用量。(c)超高速等离子熔覆方法制备的熔覆层的表面粗糙度低，可达到电镀、热喷涂技术制备涂层的表面粗糙度水平，熔覆后工件的表面后续加工量大大降低，节省后续加工费用，提高了生产效率。(d)锥形送粉装置从四周环形送粉，并聚焦于中心轴上的某一点，与现有的单送粉管或双送粉管相比，单位时间内送粉量可以大大提高，从而获得高浓度的锥形粉末射流；同时不同粒度粉末加热、加速更加均匀，避免了粉末合金元素的蒸发和烧损，从而有利于获得均匀、致密的熔覆层。(e)特别地，利用高浓度粉末射流挡住等离子射流对工件基体的辐射加热，可降低等离子弧对工件基体的热作用从而降低稀释率和热影响区宽度，大幅度缓解了工件基体由于受热引起的力学性能降低，也提高了等离子熔覆技术的热效率。(f)粉末在等离子弧中加热均匀性好，熔覆层的化学成分与原始粉末近似一致，等离子熔覆过程中，不向环境中释放有害的金属蒸气，有利于保护操作工人的身体健康和满足环保要求。本专利技术的用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置可以用于大气等离子熔覆系统、真空等离子熔覆系统、超音速等离子熔覆系统、微束等离子熔覆系统、大气等离子喷涂系统、超音速等离子喷涂系统、真空等离子喷涂系统等的粉末送入。本专利技术的技术方案如下：一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置，包括从中心轴向外依次组装的中心筒、水冷内隔套、粉末导向隔套、保护气隔套、水冷外隔套。所述的中心筒的入口处轴向与等离子熔覆系统的熔覆枪的阳极相连。所述的中心筒自行围合形成喷管。所述的中心筒与水冷内隔套共同围合形成密闭的喷管冷却空间，并与冷却水内循环出入口相通。所述的水冷内隔套与粉末导向隔套共同围合形成粉末单向流通空间，并与粉末输入口相通。所述的粉末导向隔套与保护气隔套共同围合形成保护气单向流通空间，并与保护气入口相通。所述的保护气隔套与水冷外隔套共同围合形成密闭的锥形送粉装置冷却空间，并与冷却水外循环出入口相通。所述的中心筒的入口内径与等离子熔覆系统的熔覆枪的阳极外周面进行尺寸配合，通过螺纹与熔覆枪的阳极外周面固定相连，并采用密封圈进行密封。所述的喷管沿出口方向上其直径保持不变，或沿出口方向上其直径呈现扩张形式，或沿出口方向上其直径呈现收缩形式，或沿出口方向上其直径呈现先收缩后扩张形式，或是上述形式的组合方式。所述的喷管或者完全替代等离子熔覆系统的熔覆枪的阳极，其内通道形状和尺寸与等离子熔覆系统的熔覆枪的阳极相同，实现阳极的功能，从而使得等离子熔覆系统的熔覆枪与锥形送粉装置更加紧凑和简洁。所述的水冷内隔套的下部呈圆锥形。水冷内隔套与中心筒通过螺纹同轴固定在一起，共同围合形成密闭的喷管冷却空间，二者之间采用密封圈进行密封，并与冷却水内循环出入口相通，冷却水内循环出入口的数量有2-6个，在圆周方向均匀分布。利用冷却循环水对喷管进行冷却，避免喷管在工作过程中发生烧蚀、甚至局部熔化从而产生失效。所述的粉末导向隔套的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置，其特征在于：包括从中心轴向外依次组装的中心筒(1)、水冷内隔套(2)、粉末导向隔套(3)、保护气隔套(4)和水冷外隔套(5)；所述的中心筒(1)的入口处轴向与等离子熔覆系统(6)的熔覆枪的阳极相连；所述的中心筒(1)自行围合形成喷管(7)；所述的中心筒(1)与水冷内隔套(2)共同围合形成密闭的喷管冷却空间(8)，并与冷却水内循环出入口(9)相通；所述的水冷内隔套(2)与粉末导向隔套(3)共同围合形成粉末单向流通空间(10)，并与粉末输入口(11)相通；所述的粉末导向隔套(3)与保护气隔套(4)共同围合形成保护气单向流通空间(12)，并与保护气入口(13)相通；所述的保护气隔套(4)与水冷外隔套(5)共同围合形成密闭的锥形送粉装置冷却空间(14)，并与冷却水外循环出入口(15)相通。/n
【技术特征摘要】
1.一种用于超高速等离子熔覆的锥形送粉装置，其特征在于：包括从中心轴向外依次组装的中心筒(1)、水冷内隔套(2)、粉末导向隔套(3)、保护气隔套(4)和水冷外隔套(5)；所述的中心筒(1)的入口处轴向与等离子熔覆系统(6)的熔覆枪的阳极相连；所述的中心筒(1)自行围合形成喷管(7)；所述的中心筒(1)与水冷内隔套(2)共同围合形成密闭的喷管冷却空间(8)，并与冷却水内循环出入口(9)相通；所述的水冷内隔套(2)与粉末导向隔套(3)共同围合形成粉末单向流通空间(10)，并与粉末输入口(11)相通；所述的粉末导向隔套(3)与保护气隔套(4)共同围合形成保护气单向流通空间(12)，并与保护气入口(13)相通；所述的保护气隔套(4)与水冷外隔套(5)共同围合形成密闭的锥形送粉装置冷却空间(14)，并与冷却水外循环出入口(15)相通。
2.如权利要求1所述的锥形送粉装置，其特征在于：所述的喷管(7)沿出口方向上直径保持不变；或沿出口方向上其直径呈现扩张形式；或沿出口方向上其直径呈现收缩形式；或沿出口方向上其直径呈现先收缩后扩张形式；或是上述形式的组合方式。
3.如权利要求1所述的锥形送粉装置，其特征在于：所述的喷管(7)或者完全替代等离子熔覆系统(6)的熔覆枪的阳极，喷管(7)的内通道形状和尺寸与熔覆枪的阳极相同。
4.如权利要求1所述的锥形送粉装置，其特征在于：所述的水冷内隔套(2)的下部呈圆锥形，水冷内隔套(2)与中心筒(1)通过螺纹同轴固定在一起，二者之间采用密封圈进行密封，并与冷却水内循环出入口(9)相通；冷却水内循环出入口(9)的数量为2-6个，在圆周方向均匀分布。
5.如权利要求1所述的锥形送粉装置，其特征在于：所述的粉末导向隔套(3)的下部呈圆锥形，粉末导向隔套(3)与水冷内隔套(2)通过螺纹同轴固定在一起，二者之间采用密封圈进行密封，并与粉末输入口(11)相通；粉末输入口(11)的数量为2-6个，在圆周方向均匀分布。
6.如权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶福兴，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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