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100HE 一種新型高焓高速等離子噴涂系統

熱噴涂技術

100HE 一種新型高焓高速等離子噴涂系統

分類:
涂層技術的最新發展
作者:
發布時間:
2008/03/03 00:00
高心海,教授級高級工程師,先進機械設備有限公司涂層技術總監

  摘要:本文系統地介紹了100HE等離子噴涂系統的技術特點。100HE等離子噴槍采用了全新的槍體構造,選擇了高電壓、低電流的工作模式。由于使用大比例的雙原子氣體作工作氣體,噴槍具有高速、高焓和大功率特征。因而100HE系統不但具有寬闊的工藝窗口,而且還有極好的量產能力,在規?;a高質量的金屬、陶瓷和金屬陶瓷涂層時,具有無可超越的優勢。

1

100HE 是一把真正意義上的超音速等離子噴槍

  熱噴涂技術的不斷進步,高品質涂層產品的市場需求不斷擴大,制造商追求高端涂層的制造技術和裝備的興趣也在不斷地提升。在持續不斷的發展過程中,Progressive Technologies 公司的引起了越來越多的涂層工作者和涂層產品制造商的關注。
 
 
  高端涂層的可靠性極高,不但在功能上能滿足要求,而且在涂層的使用壽命上有大幅提高。100HE等離子噴涂設備就是這類制造高端涂層的高端裝備。100HE是新型的計算機集成的熱噴涂(Computer Integrated Thermal Spray –CITS)系統,它大大提高了等離子噴涂的生產率和可控性。100HE噴槍采用了全新的槍體結構設計,成功地實現了等離子噴槍在高電壓、低電流下運行的理想模式,大幅度地提高了易損件的服役壽命,槍上功率高達100 kW,更為重要的是噴槍能生成超音速的等離子焰流,一連串明亮的馬赫節和長長的集束噴涂粒子流成為100HE噴槍最顯著的標志性特征。由于CITS對系統功率、工作氣體(氬、氮、氦、氫)及送粉氣體實施了閉環控制,100HE噴槍能在產量很高時仍能噴涂出高質量的涂層。CITS不論是在技術先進性上還是在工藝適應性上均已成為行業中的全球領先者。
 
 
創新的槍體構造—集約式等離子發生器,高電壓、低電流、大功率的理想模式
 
 
  100HE是一把大功率、高熱焓、超音速的等離子噴槍,引人注目的是100HE還是目前國際市場上唯一一把能量為100kW的商用高電壓低電流等離子噴槍(原普萊克斯的PLAZJET 250千瓦等離子噴槍目前已停產)。它采用創新的噴槍結構,成功地實現了人們“加大噴槍功率、降低電弧電流”的科技設想。高電壓低電流對等離子噴槍的益處是極為明顯的。

  主要優點:
 
 
  1、在相同功率下,電弧電壓提高了則電弧電流就可減小。從而可大大減少低壓直流電流在輸送過程中的壓降和功率損失。
  2、加大氣體的電離度,提高噴槍熱焓。由于氣體在通過電弧弧柱時更易被電弧電離,而電弧電壓越高電弧弧柱就越長,氣體與電弧的接觸就越多,電離就越充分,從而使等離子焰流的熱焓值也大大提高。
  3、極高的焰流速度。等離子焰流的高焓值帶來焰流的高速度,100HE噴槍是一把超音速等離子噴槍,一連串明亮的馬赫節和長長的集束噴涂粒子流成為其最顯著的外觀特征。
  4、超長的零件工作壽命。由于噴槍在高電壓下運行,在大功率下噴槍的電流也較小,如槍上功率為90kW時電流僅為380安。作為單陰極噴槍其電流密度甚至能低于多陰極噴槍。所以耗材壽命大為延長。陽極的使用壽命可高達1000小時以上。
高電壓小電流電弧等離子體雖然對等離子噴槍極為有利,但是在工程上實現卻有極高的難度。
 
 
  技術優勢:
 
 
  1、由于電弧的電壓與電弧的弧柱長度成正比,電弧電流也與弧柱的斷面大小成正比。低電壓大電流的電弧粗而短,較易穩定,而高電壓小電流的電弧則細而長,電弧的生成、自持和控制均不易。
  2、為了獲得足夠高的電弧電壓,噴槍陰、陽極間的距離高達70mm。在這樣長的距離間和高速運動的氣流中維持一小電流電弧并保持穩定有著較高的難度。
  3、用于噴涂的電弧必須是一剛性電弧,因此這一電弧等離子同樣亦需經受機械壓縮、電磁壓縮和冷壓縮,以期獲得理想的焰流速度。陰、陽極間的電弧通道中氣體的流動特性、器壁的冷卻狀態以及幾何尺寸和表面情況的細微變化都會對電弧的穩定產生影響。
 
 
  100HE采用了創新的噴槍結構和精確的電氣控制,在高電壓低電流等離子噴槍上首先取得了成功。本文就100HE噴槍的結構作一簡要介紹。

  結構特征:
       1、100HE噴槍的槍體內部的結構簡圖如下。
 
 
1
圖1. 100HE噴槍結構簡圖
 
   圖中左邊為陰極體,中間部分為絕緣體和等離子發生器,右端是噴嘴。
   2、組合式氣流分配環。陰極體前端伸出部分的端部為鎢質陰極頭,伸出部分的側面開有特殊形線的凹槽。當與等離子發生器中的絕緣體上的陶瓷環組合起來后,就形成了一個氣流分配環,能使工作氣體按設定的方式流動。與其他噴槍專設的氣流分配環相比,其對中性好,定位更準確,而且不易損壞。
  3、組裝精度高。絕緣體和等離子體發生器是同軸安裝,精度高。等離子發生器為組合式,其結構獨特。它內部由管狀電弧壓縮器,隔離器(分隔器),鎢質3環并列式環狀陽極等零件組成。
  4、陰/陽極的單一結構。當以上這兩部分組合起來后,噴槍內就可形成電弧,并產生電弧等離子焰流用于噴涂。100HE的這種結構適用于所有的工作模式,不必作任何改變。也就是說100HE不象一些傳統的噴槍那樣具有許多種繁雜的陰/陽極配置,其槍內只有這一種陰/陽極硬件組合,從而簡化了噴槍結構,提高了噴槍的工藝適應性。
  5、分立式噴嘴。常規的市售等離子噴槍均把陽極和噴嘴合為一體。這種噴嘴/陽極的分立式結構是100HE又一個創新。分立式結構的優點之一是送粉的氣流不干擾電弧等離子過程,粉末束流也不對陽極產生沖刷。而且獨立后的噴嘴可以適應更多的粉末注入方式。
  6、多種送粉方式。有不同孔徑的槍外送粉噴嘴,有槍內徑向送粉噴嘴及槍內軸向送粉噴嘴等多種送粉模式組合,能適應各種不同的需要。
 
 
  100HE采用傳統的單一陽極和單一陰極結構,噴槍的結構清晰、簡潔,使維護和保養較為容易。槍內設置了有專利技術的集約式等離子發生器,采用了特有的長電弧穩定技術,在真正意義上實現了高電壓、低電流的等離子噴槍。等離子噴槍的高電壓、長電弧技術是電弧等離子技術的重大突破。
 
 
卓越的技術性能:超長的電弧,大比例的雙原子氣體,高速、高焓的等離子焰流
 
 
  高電壓低電流電弧等離子的成功實施,大大提高了等離子噴槍的技術性能。超長直流電弧使得大比例雙原子氣體的應用成為可能,從而大大提高了等離子焰流的能量等級。100HE的超長電弧和大比例雙原子氣體的應用,使其成為高熱焓,超音速的等離子噴槍。100HE噴槍的主要特點介紹如下。
 
 
  槍上功率大
 
  1、 由于在噴槍上成功地實施了高電壓低電流技術,因而在小電流(低于400安)下亦可獲得很大的槍上功率,最大功率可達100kW。這就有利于噴涂難熔材料和提高噴涂生產率,特別適用于大型輥類工件的噴涂生產。
  2、 典型的100HE的工藝參數見表1。
 
 
表1:100HE典型噴涂參數(噴涂氧化鉻材料)
 
等離子噴槍:
100HE
噴涂系統:
CITS, Closed Loop
噴嘴:
841121
等離子氣體:
氬氣+氮氣+氫氣
等離子氣體流量:
氬氣 100~180 scfh
 
氮氣 80~120 scfh
 
氫氣 60 ~90 scfh
噴槍電流:
380 安
噴槍電壓:
237 伏
噴槍功率:
90 kW
噴涂距離:
4.5″
送粉方式:
槍內
涂層材料:
氧化鉻,Praxair214
送粉速率:
100 g/min
粒子溫度:
2550 0C
沉積效率:
65 %
涂層硬度:
平均1350
孔隙率:
平均1.76%
 
 
  從表中可以看出,雙原子氣體的含量已近60%,當電流為380安培時,槍上功率就已達到了90 kW。
 
  等離子噴槍的高熱焓
  噴槍可使用氬-氮-氦及氬-氮-氫做工作氣體。 由于突破了長電弧穩定技術,100HE在工作中能使用高比率的雙原子氣體,工作氣體中雙原子氣體的比例可高達60%以上。1個雙原子氣體分子在電弧作用下首先會離解成2個原子,因而雙原子氣體電離后不但含有原子電離后的電離能,還含有大量的分子離解后的離解能。因此大比例雙原子氣體生成的等離子焰流帶有很高的熱焓和巨大的能量。在噴涂高熔點材料時不但沉積效率高,而且生產能力強。
  等離子焰流的高速度
  100HE等離子噴槍的大功率和高熱焓,使噴槍焰流獲得高速度。選擇恰當的噴嘴組合,噴槍可以得到超音速焰流,此時在噴槍出口的焰流中可清晰地看到有多個明亮的馬赫節存在,有時可多達7個,這是超音速火焰才具有的特征。焰流的高速度導致了粒子的高速度,粒子的高速度才有可能生成低應力乃至壓應力等離子涂層。100 HE的粒子速度可與某些HVOF設備產生的粒子速度相近,但100HE的噴涂速率(生產能力)和沉積效率卻要高出這些HVOF設備2至3倍,這是因為等離子焰流的焓值高,溫度也高。
 
  工作狀態非常平穩
  100HE等離子系統采用Progressive Technologies公司獨創的CITS閉環控制系統,等離子噴槍的工作狀態極其平穩。
  噴槍的電壓和電流的極其穩定。圖2是100HE等離子噴槍工作16小時內的實測值。
 
 
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圖2:16小時內100HE噴槍的電壓和電流變化情況
 
 
  從圖中可以看出電流的均值為370.5 A,電流實測最大偏差小于0.94% 電壓的215.7 V,電壓實測最大偏差小于0.09%
 
 
  100HE系統的氣體流量采用質量流量控制,因而各種氣體的流量同樣極其穩定,參見表2。
 
表2. 16小時內100HE噴槍的各種氣體的流量
參數
設定值
平均值
標準偏差
氬Ar/SCFH
240
240
0.01
氮N2/SCFH
100
100
0.01
氫H2/SCFH
60
60.7
0.110
 
 
  零件使用壽命長
 
 
  由于是采用高電壓低電流方式運行,最顯著的好處是噴槍中易損件的使用壽命特別長,因為小電流對陰、陽極的燒損極小。表3是噴槍易損件使用壽命。
 
 
表3:100 HE的易損部件使用壽命
易損件
使用壽命
陽極
1000小時 
陰極
200小時
電弧壓縮器
200-400小時
噴嘴
1000小時
 
 
  100HE是一把創新結構的等離子噴槍,噴槍功率大,高熱焓,高速度。采用的CITS系統具有.超群的控制功能,噴槍的工作極其穩定。噴槍采用的工作氣體種類多,流量變化范圍大,因而工藝適應性無可比擬,無論是工業生產還是研究開發,100HE是最為理想的等離子噴涂系統。
 
 
寬闊的工藝窗口,優越的工藝適應性,無與倫比的涂層性能
 
 
  高電壓、低電流噴槍的固有特性是工作范圍大,工藝參數可以在很大的范圍內變化調節。這是因為長電弧具有高的電壓,只要維持電弧的最小電流足夠小,則變化范圍就有足夠大。再加上工作氣體種類又多,流量調節范圍大,又有多種送粉方式,因而100HE就具有了極其寬闊的工藝窗口。表4是100HE噴槍的氣體流量的應用范圍,表5是100HE噴槍電參數及功率的變動范圍。
 
 
表4:100HE噴槍工作氣體的流量范圍
氣體種類
SCFH(立方英尺/小時)
SLPM(升/分)
Ar
180~400
85~188
N2
90~120
42~56
H2
50~150
24~70
 
 
表5:100HE 噴槍的電參數變動范圍
噴槍電壓/V
220~275
噴槍電流/A
375~600
槍上功率/kW
20~100
 
 
  工藝窗口寬闊的最主要優點就是對每一種噴涂材料均有最佳的工藝參數配置。噴涂材料千變萬化,涂層的技術要求也千差萬別,只有象100HE這樣的噴槍才具有這種寬闊的工藝調節范圍,也只有100HE才能滿足涂層工藝的各種要求。因此100HE噴涂出的涂層具有非常優越的性能。
 
  金屬涂層
 
  316不銹鋼是一種含鉬不銹鋼,在高溫條件下具有良好的耐腐蝕性能,耐氯化物的侵蝕,耐海洋和侵蝕性工業大氣的侵蝕。在化工和造紙的工業生產過程中具有廣泛的應用,尤其在各類閥門中更為突出。蝶閥閥門的密封面噴涂316不銹鋼,可大幅度提高閥門的耐蝕性和密封性。
 
  這類涂層若選用常規等離子噴涂則要達到較低氣孔率會比較困難,如選用常規HVOF方法噴涂則材料的沉積效率會較低,而且二者的量產能力均較差。用100HE系統噴涂時,采用超音速配置和槍外送粉方式??梢垣@得的結果是:

  * 涂層結合強度大于8000psi, 氣孔率小于1.5%;
  * 送粉率高達100g/min;
  * 噴涂材料的沉積效率高于90%;
  * 生產能力相當于2臺常規的HVOF裝置;
  * 低應力或壓應力涂層,涂層的可靠性高。

  可以看出,涂層的結合強度、氣孔率等技術指標均符合要求,而且沉積效率高達90%,完全能滿足高標準涂層量產的各種要求。
碳化鎢涂層噴涂
 
  由于碳化鎢材料在噴涂時易于失碳,從而導致涂層硬度下降。因此,常常采用超音速火焰(HVOF)方法進行噴涂。但是與等離子噴涂相比,HVOF的沉積效率又太低了。100HE系統則既有HVOF的高速度和涂層致密性,又有等離子的高沉積效率,是碳化鎢-鈷材料噴涂最有競爭力的選擇。
 
 對于WC-12Co材料,100HE噴槍參數配置為:
 
  * 氣體及流量:氬氣142 L/min,氮氣56.6L/min,氫氣23.6 L/min;
  * 噴槍功率:90kW;
  * 送粉速率:80g/min。

  可以獲得的結果是:
 
  * 粒子速度可達到430~527m/s,粒子溫度為1882~2100℃,涂層沉積效率高達81%,是普通HVOF設備的2倍多。
  * 涂層平均氣孔率0.58%,平均顯微硬度為1141Hv0.3。涂層顯微結構見圖2。
 
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圖2:100HE噴涂的WC-12Co涂層的金相照片(200×)。
 
  可以看出碳化鎢涂層的致密度、硬度等指標與HVOF涂層相當,而沉積效率高達81%,顯示了100HE系統獨特的優點。
 
 
  氧化鋯陶瓷熱障涂層(TBC)
 
  氧化鋯陶瓷熱障涂層在航空發動機中有著極為廣泛的應用。氧化鋯陶瓷材料熔點高、導熱率低,噴涂難度較高,另外,TBC涂層在航空發動機中的有多個應用部位,各自的技術要求也不同。有的部位要求氣孔率稍高一點,有的位置要求涂層致密,有的更是要求氧化鋯涂層中含有定量且均布的縱向微裂紋,以增加陶瓷涂層的韌性。由于100 HE系統具有寬闊的工藝窗口,因而可根據TBC陶瓷熱障涂層的實際技術要求,噴涂出滿足要求的陶瓷涂層。
 
  對于ZrO2+7%Y2O3,采用以下噴槍參數配置噴涂:
 
  * 氣體及流量:氬氣85L/min,氮氣56.6L/min,氫氣66 L/min;
  * 噴槍功率:95kW;
  * 送粉速率:80g/min。
  可以獲得氣孔率為10%的TBC涂層,涂層的沉積效率可達70%。
 
  若改變噴槍參數配置為:

  * 氣體及流量:氬氣85L/min,氮氣56.6L/min,氫氣56.6 L/min;
  * 噴槍功率:95kW;
  * 送粉速率:50g/min。
 
  則可以得到較為致密的涂層,經一定的熱處理后可以獲具有均布的縱向微裂紋的涂層,裂紋密度(條/mm)可控,涂層的沉積效率可提高到80%。
 
  通過工藝控制,獲得了垂直于涂層厚度方向的縱向微裂紋,從而可利用“微裂紋增韌”機理大大提高TBC熱障涂層的韌性和可靠性。
 
  陶瓷網紋輥的氧化鉻涂層:
 
  網紋輥是給印刷滾筒供墨的輥子。陶瓷網紋輥是表面制備有等離子噴涂的氧化鉻陶瓷涂層,且涂層上用激光雕刻了微孔。輥子表面能攜帶一層薄薄的均勻的油墨膜,并將其沉積在印刷版上。
 
  根據陶瓷網紋輥的制造工藝和使用工況,對氧化鉻涂層的要求是:
  
  *涂層應致密、結合好,并可進行精拋和激光雕刻。
  *涂層應有極好的一致性和化學純度,以確保拋光表面的高質量,確保雕刻微孔成形良好且尺寸一致。
  *涂層還應足夠強度和韌性,使其在雕刻中不會發生開裂和破碎。
  
  從涂層的要求可推知對噴涂設備的要求應是:
  *設備能長時間穩定地工作,而且量產能力(生產能力和沉積效率)強。輥子一旦開始噴涂,一般要求在噴涂過程中不能中途停頓,尤其是大型輥子的生產。
  *激光雕刻要求涂層的一致性要好,因此涂層中的任何金屬夾雜物都會嚴重地影響雕刻質量。應避免陽極噴嘴的燒損的銅沫和陰極的鎢微粒在涂層中的沉積。
 
  分析可知,100HE系統完全能滿足這些要求,因為目前商用等離子噴涂設備中,100HE在量產能力上處于領先,更為關鍵的系統是高電壓、小電流的運行模式,不會產生陽極噴嘴的銅沫子飛出和陰極的鎢顆粒的飛濺。因此100HE是陶瓷網紋輥生產的首選裝備。

  100HE系統噴涂Cr2O3的噴槍參數配置為:
  *0.45″的噴嘴,
  *氣體及流量:氬氣85L/min,氮氣47L/min,氫氣47 L/min;
  * 噴槍功率:95kW;
  * 送粉速率:100g/min。

  獲得的結果是:熔融粒子速度為245 m/s,粒子溫度這2673℃,顯微硬度為Hv1125,沉積效率DE為65.5%,涂層氣孔率小于1.3%。涂層的微觀結構見圖3。
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圖3:100HE噴涂的Cr2O3涂層的顯微結構圖片。
 
 
  由此可見,100HE是一個適用于噴涂高致密性陶瓷涂層的設備,其量產能力大,工作極其穩定,特別適用于陶瓷網紋輥的大規模工業化生產的應用。
 
 
結 語
 
 
  100HE以其創新的槍體構造獲得了卓越的技術性能,100HE的等離子噴槍采用超長的等離子體電弧和大比例的雙原子氣體,噴槍能生成高速、高焓的等離子焰流,槍上功率大,粒子速度高。CITS系統超強的控制功能使系統可長時間穩定地工作。100HE噴涂系統特別適合于工廠進行大型工件的工業化生產。
 
 
  100HE采用先進的高電壓、低電流運行模式,大大減輕了噴嘴/陰極的燒損,從而使易損件壽命得以大幅度的得高。
 
 
  100HE創新的噴槍結構,超強的CITS控制功能,多變的送粉方式,使噴涂系統具備了超寬的工藝窗口,從而使100HE具有了超乎尋常的優越的工藝適應性,可以對每一種噴涂材料尋找出最適合的工藝配置。因而,100HE又特別適合于科研部門和大專院校的研究、開發活動,用來開發熱噴涂新材料,研究各種材料的等離子噴涂新工藝,以及各種參數下涂層結合的新機理和涂層材料發生的新變化。
 
 

  完成日期:2008-02-26

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