熱噴涂技術
產品介紹：100HE型高焓高速等離子噴涂系統
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發布時間：
2008-03-03 00:00
客戶公司對我司提供的100HE計算機閉環控制等離子噴涂系統進行現場噴涂沉積效率測試，具體測試結果如下：
送粉量 ：100克/分
噴涂功率：92千瓦
噴涂粉末：CRO-179氧化鉻粉末
沉積效率：58.8%
涂層顯微硬度：HV1350
涂層孔隙率：2.5%
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。
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。
主要優點：
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。
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。
結構特征：
1、100HE噴槍的槍體內部的結構簡圖如下。
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。
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
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。
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等離子噴槍：
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100HE
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噴涂系統：
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CITS, Closed Loop
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噴嘴：
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841121
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等離子氣體：
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氬氣+氮氣+氫氣
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等離子氣體流量：
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氬氣 100～180 scfh
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氮氣 80～120 scfh
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氫氣 60 ～90 scfh
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噴槍電流：
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380 安
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噴槍電壓：
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237 伏
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噴槍功率：
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90 kW
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噴涂距離：
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4.5″
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送粉方式：
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槍內
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涂層材料：
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氧化鉻，Praxair214
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送粉速率：
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100 g/min
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粒子溫度：
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2550 0C
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沉積效率：
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65 %
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涂層硬度：
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平均1350
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孔隙率：
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平均1.76%
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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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參數
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設定值
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平均值
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標準偏差
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氬Ar/SCFH
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240
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240
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0.01
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氮N2/SCFH
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100
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100
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0.01
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氫H2/SCFH
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60
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60.7
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0.110
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易損件
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使用壽命
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陽極
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1000小時
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陰極
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200小時
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電弧壓縮器
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200-400小時
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噴嘴
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1000小時
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氣體種類
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SCFH（立方英尺/小時）
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SLPM（升/分）
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Ar
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180～400
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85～188
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N2
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90～120
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42～56
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H2
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50～150
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24～70
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噴槍電壓/V
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220～275
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噴槍電流/A
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375～600
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槍上功率/kW
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20～100
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* 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
* 噴槍功率：90kW；
* 送粉速率：80g/min。
可以獲得的結果是：
* 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。
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。
* 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％。
* 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。
*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。
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。
圖3：100HE噴涂的Cr2O3涂層的顯微結構圖片。
完成日期：2008-02-26