新型超音速电弧喷枪、喷涂装置及制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法

摘要

本发明公开了一种新型超音速电弧喷枪，该喷枪包括高压空气输入管和两根导丝管，还包括安装基座、燃烧室壳体、保护壳体、点火装置及催化陶瓷片，通过陶瓷片将燃料与压缩空气进行充分的混合，并经过雾化喷嘴的加速，实现了超音速的燃气射流，对熔融电弧丝进行超细雾化，可将金属粒子加速到800m/s以上，可大幅度提高涂层的性能。本发明还公开了包含上述新型超音速电弧喷枪的喷涂装置及采用该装置制备Fe-Cr-Ni复合涂层的制备工艺。基于本发明提供的装置及工艺，可以有效提高电弧喷涂的粒子速度，获得高结合强度、高硬度、低孔隙率、低氧化率等高性能Fe-Cr-Ni复合涂层，可以被应用于如闸门、锅炉管壁、活塞杆等工件表面。

说明书

技术领域：

本发明涉及表面强化及再制造领域，涉及一种电弧喷枪、喷涂装置及制备Fe-Cr-Ni复合 涂层的方法，尤其涉及一种新型超音速电弧喷枪、包含该喷枪的喷涂装置及采用该喷涂装置 制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法。

背景技术：

热喷涂被广泛应用于工业生产的各个领域，如水轮机叶片、阀门，闸门、活塞杆、钢结 构桥梁等，能有效提高设备表面耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等性能，起到提高使用性能、延长使 用寿命等作用。按照热源分类，热喷涂主要分为：超音速火焰热喷涂、等离子热喷涂以及电 弧热喷涂。其中超音速火焰热喷涂主要采用丙烷、天然气、丙烯、氢气以及煤油等为燃料， 以氧气助燃，在燃烧室内快速燃烧，经过特殊设计的拉瓦尔喷管加速后形成超音速的焰流， 推动喷涂粒子以半熔融的状态高速沉积到工件表面。由于加速后的粒子以高达1000m/s的速 度冲击到工件表面，使得沉积的涂层获得致密的结构并实现70MPa以上的高结合强度，能满 足耐磨、防腐等的高性能要求，因此超音速火焰热喷涂技术被广泛应用。但是由于超音速火 焰热喷涂采用的是燃料加氧气的方式，存在成本较高，不适用于现场作业等局限性。

电弧喷涂，由于操作便捷、适用于现场作业、成本低、效率高、使用寿命长等特点，特 别适用于材料表面的防腐蚀施工，如桥梁、铁塔、锅炉、闸门等大型的钢结构件，可以很好 的替代传统的油漆、树脂刷涂以及电镀等。但是，传统的电弧喷涂技术存在粒子速度低、涂 层孔隙率较高(10～20％)、结合强度不足(5～25MPa)、氧化严重等问题，制约了该技术的发 展。

因此，新的电弧喷涂装置及方法被广泛研究，以提高电弧喷涂的粒子速度，如超音速电 弧喷枪(201120241285.X)介绍了一种高速电弧喷枪，金属熔粒流的飞行速度可达330m/s左 右。这些新的电弧喷涂装置较传统电弧有了一定的提高，但也仅仅小幅度提高了喷涂的粒子 速度，未能实现真正的超音速电弧喷涂。

随着现代工业的发展，对产品使用性能以及使用寿命的要求在不断提高，对于众多钢结 构件，既需要良好的耐腐蚀性能又增加了耐磨的要求。仅仅提高电弧喷涂的粒子速度将无法 满足要求，并且传统的电弧喷涂铝、锌、镁、铜等合金的方式，由于硬度低(200HV_0.2左右)， 耐磨性能差，无法满足要求，需要选用更加先进的喷涂装置、喷涂方法以及新的合金丝材， 如Fe-Cr-Ni合金等。目前的电弧喷涂装置无法很好的完成这一类硬质合金丝材的喷涂。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新型超音速电弧喷枪、包括该喷枪 的喷涂装置及采用该装置制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法，该种电弧喷枪喷射的金属粒子速度 可达到800m/s以上，采用包含该喷枪的喷涂装置制备的Fe-Cr-Ni复合涂层具有高致密度、高 结合强度的特点，其优异的耐腐蚀、耐磨损、低氧化等性能更能满足实际应用的要求。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种新型超音速电弧喷枪，包括两根高压空气输入管和两根导丝管，还包括安装基座、 燃烧室壳体、保护壳体和点火装置，安装基座上开有冷却空气管和用于通入燃料和压缩空气 的混合气体管，燃烧室壳体一端开有若干进气孔，另一端开有喇叭口状的雾化喷嘴，燃烧室 壳体与安装基座固连，二者之间形成燃烧腔体，燃烧腔体内安置布有若干通孔的环状催化陶 瓷片，催化陶瓷片上部分通孔与进气孔一端相联通，进气孔另一端连接混合气体管，保护壳 体套置于燃烧室壳体外，并开有喷枪出口，保护壳体与燃烧室壳体之间形成冷却空气流动腔， 该腔体与冷却空气管联通，采用单一的空气冷却方式，冷却空气从冷却空气管进入冷却空气 流动腔中，从喷枪出口喷出，实现对燃烧室的冷却。导丝管及高压空气输入管穿过安装基座 插入催化陶瓷片的中心孔处，使得电弧丝熔融点位于雾化喷嘴处，且高压空气的喷射方向为 射向雾化喷嘴的出口方向，点火装置穿置于催化陶瓷片上，使得点火点位于催化陶瓷片表面。

所述的燃料为丙烷、天然气或者二者任意比混合的混合气体，燃料与压缩空气进行燃烧， 不需要氧气。

所述的催化陶瓷片上通孔个数为200-400个，环形分布于催化陶瓷片上。

所述的进气孔个数为6-8个，呈环形分布于燃烧室壳体端部。

一种新型超音速电弧喷涂装置，该装置包括上述的新型超音速电弧喷枪。

应用上述的喷涂装置制备的Fe-Cr-Ni复合涂层。

应用上述的喷涂装置制备Fe-Cr-Ni复合涂层的方法，以质量百分比计，喷涂丝材的主要 成分为Fe60～81％、Cr15～30％、Ni4～10％，丝材的直径为1.6mm或2.0mm，混合气体管输 入的燃料的压力为0.45～0.6MPa；高压空气输入管通入的压缩空气的压力为0.5～0.65MPa；喷 涂电压为30～38V；喷涂电流为250～350A；送丝速率为2-4m/min；喷涂距离为100～250mm。

本发明的有益效果在于：

(1)与传统的电弧喷涂技术相比，本发明的超音速电弧枪通过压缩空气与燃料气体在燃 烧室中的充分燃烧并经过雾化喷嘴的加速，实现了超音速的燃气射流，燃气射流的速度可达 到900-1300m/s，形成2-4个马赫锥，金属粒子速度高达800m/s，大幅度提高了涂层的性能。

(2)本发明的电弧喷枪采用多孔状的催化陶瓷片，可以大幅提高燃料与压缩空气的燃烧 效率，并且可以在高温的燃烧环境中保持稳定的状态。通过该催化陶瓷片，实现了燃料气体 与压缩空气的充分混合，以及激发了其燃烧活性，实现稳定、充分的燃烧。一方面燃料气体 可以对丝材粒子起到保护的作用，另一方面充分的燃烧使得燃气射流中的含氧量降低，减少 了粒子的氧化。

(3)采用高压空气对雾化燃气射流起到进一步的加速作用，同时保证雾化射流从雾化喷 嘴中喷出，而不会倒流。

(4)与传统电弧喷涂涂层相比，本发明获得的涂层的结合强度提高了2倍以上 (30～45MPa)，可以有效避免涂层发生剥落，涂层的孔隙率降低到2％以下，可以获得致密的 涂层结构，有效防止腐蚀介质从孔隙进入并腐蚀基体，提高涂层的耐腐蚀性能；该涂层使用 时无需封孔处理，减少了工序和成本(传统电弧喷涂获得的涂层孔隙率高，大约10％左右， 使用时必须要封孔处理)。此外，涂层的平均显微硬度高于400HV_0.2(400～550HV_0.2)，可以 大幅提高涂层的耐磨性能；涂层的氧化率降低30％，可以保持良好的粉末性能。

(5)通过本发明超音速电弧技术制备的Fe-Cr-Ni复合涂层，具有传统电弧喷涂涂层所无 法实现的高致密性及耐磨性能等，可以被广泛应用于如闸门、锅炉管壁、活塞杆等工件表面。

附图说明：

图1为超音速电弧喷枪的结构示意图；

图2是图1的A-A方向剖面图；

图3为本发明制备的Fe-Cr-Ni复合涂层的截面扫描电镜照片。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。

图1所示为本发明新型超音速电弧喷枪的一种实施案例，包括两根高压空气输入管13和 两根导丝管7，还包括安装基座14、燃烧室壳体2、保护壳体1和点火装置12，安装基座14 上开有冷却空气管8和用于通入燃料及压缩空气的混合气体管6，燃烧室壳体2一端开有6 个呈环状均布的进气孔5，另一端开有喇叭状的雾化喷嘴9，燃烧室壳体2与安装基座14固 连，二者之间形成燃烧腔体3，燃烧腔体3内安置布有若干通孔的环状催化陶瓷片4，催化陶 瓷片4上部分通孔与进气孔5一端相联通，进气孔5另一端连接混合气体管6，保护壳体1 套置于燃烧室壳体2外，并开有喷枪出口，保护壳体与燃烧室壳体之间形成冷却空气流动腔 11，该腔体与冷却空气管8联通，导丝管7及高压空气输入管13穿过安装基座14插入催化 陶瓷片4的中心孔处，使得电弧丝熔融点10位于雾化喷嘴处，点火装置12穿置于催化陶瓷 片上，使得点火点位于催化陶瓷片4表面。

如图2所示，催化陶瓷片4呈多孔结构，开有200-400个通孔，呈环形分布于催化陶瓷 片上，催化陶瓷片与燃烧室壳体2紧密连接，使部分通孔与进气孔联通，燃料及压缩空气的 混合气体通过混合气体输入管6以及进气孔5进入催化陶瓷片4的孔中，在穿过这些孔时， 获得充分的混合及催化，进入燃烧腔体3中，进行充分、稳定的燃烧。

燃烧室壳体2、燃烧腔体3、催化陶瓷片4、进气孔5及雾化喷嘴9构成燃烧室雾化器， 雾化喷嘴为喇叭形结构，位于燃烧室的出口端。燃烧产生的高速焰流通过雾化喷嘴加速后喷 出形成高速燃气射流，高压空气通过高压空气输入管13喷向雾化喷嘴方向对高速燃气射流进 行进一步加速，最终形成雾化射流的速度为900-1300m/s，形成2-4个马赫锥。

两根导丝管7及两根高压空气输入管13末端分别对称地置于催化陶瓷片4的中心孔处， 正负极电弧丝的熔融点位于燃烧室雾化器的雾化喷嘴9内，电弧丝通过导丝管7进入该位置 后接触形成高温电弧区，形成熔融的金属粒子。

燃烧室雾化器中产生的高速焰流以及高压空气形成超音速雾化射流，对熔融的电弧丝进 行雾化，获得超细的雾化粒子，并将粒子加速到800m/s以上，沉积到工件表面形成涂层。

保护壳体1内壁和燃烧室壳体2外壁之间形成冷却空气流动腔11，冷却空气进入该腔体 对燃烧室雾化器进行冷却后从喷枪出口端喷出，不需要其他如水循环冷却等冷却方式。

图3所示为采用超音速电弧喷涂的Fe-Cr-Ni复合涂层，其一种制备方法具体如下：

1、预处理

对基体(如45钢、Q235等常用钢材)表面进行去离子水清洗，丙酮、酒精除油清洗， 烘干，喷砂毛化处理(选用20-35目的白刚玉或棕刚玉砂，喷砂压力0.4～0.6MPa)，处理后表 面达到St3的洁净度要求。

2、对基体进行预热，预热后基体表面温度为150-200℃。

3、采用本发明的超音速电弧喷涂装置进行超音速电弧喷涂Fe-Cr-Ni复合涂层，喷枪与基 体表面夹角75～90°，喷涂距离为100～250mm，喷枪移动速度为500～800mm/s，送丝速率为 2-4m/min。喷涂丝材的主要成分为Fe60～81％、Cr15～30％、Ni4～10％(质量百分比)，丝材 的直径为1.6mm或2.0mm，

4、主要工艺参数为：丙烷及压缩空气的压力0.45～0.6MPa；高压空气的压力为 0.5～0.65MPa；电压30～38V；喷涂电流为250～350A。

5、喷涂5～7层，涂层最终厚度150～200μm。

6、涂层性能测试分析：涂层的孔隙率小于2％，结合强度为35～45MPa，显微硬度为 400～550HV0.2，300h盐雾试验等级为Rp10，涂层的摩擦磨损测试性能较基体提高4倍以上， 具有良好的耐腐蚀性能及耐磨性能。