專利名稱：一種陶瓷粉末的噴涂裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種粉末噴涂裝置，特別是指一種可將高熔點(diǎn)陶瓷粉末噴涂在基體上的裝置。
背景技術(shù)：
熱噴涂技術(shù)即利用噴涂方法在工件表面制備一定厚度的涂層材料，從而獲得基材不具備而又期望具有的性能與功能，它可顯著提高材料表面的耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐磨性能，從而顯著提高部件的使用壽命。
磨損、斷裂和腐蝕是材料破壞的三種主要形式。由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。在工業(yè)國(guó)家每年磨損帶來(lái)的損失占到國(guó)民生產(chǎn)總值的2～8％，其中僅磨粒磨損造成的損失占到國(guó)民生產(chǎn)總值的1～4％，根據(jù)有關(guān)研究，設(shè)備的維護(hù)和修理的費(fèi)用占到機(jī)器費(fèi)用的30～50％。目前表面涂層技術(shù)的工藝過(guò)程根據(jù)沉積相的狀態(tài)分為四類氣相沉積，液相沉積，熔融相沉積，固相沉積，這些常規(guī)的表面涂層技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，制作的涂層的性能相差很大。提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，在提高材料的磨損性方面，有著重要的意義。
傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)如等離子噴涂和HVOF高速火焰噴涂等技術(shù)是目前成熟的技術(shù)，已在工程中得到廣泛應(yīng)用。但這些技術(shù)也有一些局限性，具體如下(1)難以制備一些高熔點(diǎn)(2800-3830℃)的陶瓷涂層(或涂層性能不高)，如HfC、NbC、TaC、ZrC、ZrB、TiC、TiB2、B4C等(這些高熔點(diǎn)涂層對(duì)于延長(zhǎng)一些在800-1500℃高溫、腐蝕環(huán)境下工作的部件壽命具有十分重要的意義)。(2)涂層與基體主要為機(jī)械結(jié)合，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低；例如用等離子噴涂B4C涂層(用于核反應(yīng)堆第一壁材料的涂層)，其結(jié)合強(qiáng)度為10-20MPa，且孔隙率較高，難以滿足工程需要。另有就是利用電爆炸技術(shù)將金屬或合金絲在大電流的作用下的電爆炸，使金屬粉末與基體碰撞而形成涂層，該方法無(wú)法使非金屬材料作為涂覆材料，因此如何能將非金屬材料與基體達(dá)成良好的結(jié)合涂覆是目前的一個(gè)技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于公開一種可在基體材料表面制備高結(jié)合強(qiáng)度的耐磨、耐腐蝕及抗氧化的高熔點(diǎn)陶瓷涂層或陶瓷-金屬?gòu)?fù)合涂層的裝置。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的發(fā)明目的的技術(shù)解決方案如下包括大電流發(fā)生裝置和控制大電流發(fā)生裝置觸發(fā)放電的控制電路，關(guān)鍵是大電流發(fā)生裝置接噴槍通孔一端的放電電極，噴槍的近封閉端設(shè)有一送料裝置，噴槍的另一端為開口狀。
本實(shí)用新型利用送粉裝置將待噴涂材料粉送入噴槍通孔內(nèi)接近放電極的適當(dāng)位置，控制電路觸發(fā)大電流發(fā)生裝置，在放電電極的兩極上施加一個(gè)高電壓，將電極間的空氣介質(zhì)擊穿形成短路狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)瞬時(shí)的大電流，在電極間形成瞬間的放電，產(chǎn)生一個(gè)高溫高壓的等離子區(qū)域，該高溫高壓的等離子體對(duì)預(yù)置在噴槍內(nèi)的陶瓷粉末進(jìn)行加熱，并推動(dòng)粉末向前運(yùn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在噴槍內(nèi)有相當(dāng)程度的陶瓷粉末達(dá)到熔點(diǎn)以上的溫度，并根據(jù)理論推算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，陶瓷粉末在噴槍出口端的出口速度可達(dá)1000～2000m/s。大電流發(fā)生裝置在目前是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的高速運(yùn)動(dòng)的陶瓷粉末與待涂覆的基體表面碰撞，在微粒與基體的碰撞界面產(chǎn)生幾萬(wàn)以上大氣壓的壓力。該壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何材料的屈服極限，基體材料和微粒材料在上述壓力下，均可視為高速流體，導(dǎo)致基體材料與微粒材料形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度大為提高，特別是能對(duì)陶瓷類非金屬材料進(jìn)行高強(qiáng)度的涂覆。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1～圖3，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例如下包括大電流發(fā)生裝置1和控制大電流發(fā)生裝置放電的控制電路，這一部分為現(xiàn)有技術(shù)，有成熟的電路可供選擇，關(guān)鍵是大電流發(fā)生裝置1接噴槍5通孔一端的放電電極，噴槍5的近封閉端有一送料裝置2，該送料裝置2可使待噴涂的陶瓷粉末9置入噴槍5的適當(dāng)位置，實(shí)質(zhì)上該送料裝置2就是在噴槍5壁上有一送料孔和一可開啟或關(guān)閉該孔的機(jī)構(gòu)，在粉末9置入噴槍5后，關(guān)閉該送料孔，噴槍5的另一端為開口狀；實(shí)際使用時(shí)，先將陶瓷粉末9置入噴槍5通孔內(nèi)，觸發(fā)電路使大電流發(fā)生裝置1在電極的正負(fù)極產(chǎn)生高壓，并使電極的正負(fù)極之間擊穿呈短路狀，并有大電流通過(guò)正負(fù)極，這實(shí)質(zhì)就是產(chǎn)生大的電弧，亦可稱為電爆炸，則在噴槍5的封閉端產(chǎn)生高溫高速膨脹的等離子體，驅(qū)動(dòng)電極前的粉末向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)粉末進(jìn)行加熱，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定，粉末可加速至1000～2000m/s，高溫高速的粉末直接碰撞置于噴槍開口端的基體表面，高速碰撞又產(chǎn)生高溫高壓，使粉末與基體表面形成高強(qiáng)度的冶金結(jié)合。
上述的放電電極的結(jié)構(gòu)是具兩相對(duì)延伸的負(fù)極板3中間位置為正極4，正負(fù)極之間為絕緣材料，正負(fù)極端具尖端，由于正負(fù)極之間呈對(duì)稱狀，并且中間的正極4基本處于噴槍通孔的軸心位置，則產(chǎn)生的電爆炸基本為均勻?qū)ΨQ，可保讓對(duì)粉末的推動(dòng)為一近似平面的驅(qū)動(dòng)，使噴槍5端部的電爆炸可認(rèn)為滿足一維的活塞運(yùn)動(dòng)模型，則經(jīng)計(jì)算可得粉末的平均速度為2000m/s左右。
上述的噴槍5為非導(dǎo)電材料，中心為通孔，一端與放電電極的負(fù)極板3為可拆式固定連接；因?yàn)榉烹婋姌O在經(jīng)過(guò)若干次高壓大電流放電后會(huì)產(chǎn)生一定程度的燒蝕，會(huì)使涂層的精度產(chǎn)生一定的變化，電極與噴槍之間之可拆卸，則可根據(jù)燒蝕情況更換放電電極，這種可拆式連接的實(shí)現(xiàn)完全是現(xiàn)有技術(shù)，例如卡扣連接式或是螺紋連接式均可，則可保證多次涂覆的精度。
上述的大電流發(fā)生裝置1的電容器組的高壓端通過(guò)三極開關(guān)與放電電極的一個(gè)電極連接，低壓端直接與放電電極的另一電極連接。
上述的噴槍5的開口端連接二級(jí)噴槍6，該二級(jí)噴槍6的結(jié)構(gòu)為兩平板狀的電極夾持兩塊中間有一間距的非導(dǎo)電材料7(如三氧化二鋁)，中間形成一條狀的通孔10，兩平板電極接另一獨(dú)立的大電流發(fā)生裝置8，大電流發(fā)生裝置8接觸發(fā)控制電路；大電流發(fā)生裝置8的電容器組的高壓端通過(guò)三電極開關(guān)與二級(jí)噴槍6的一個(gè)電極接觸，低壓端直接與二級(jí)噴槍另一電極連接；當(dāng)在噴槍5中被加熱的粉末運(yùn)動(dòng)至噴槍5與二級(jí)噴槍6的連接處時(shí)，控制電路觸發(fā)大電流發(fā)生裝置8對(duì)二級(jí)噴槍6的兩電極施加高電壓并擊穿和通過(guò)一個(gè)大電流，形成包含部分陶瓷粉末的等離子導(dǎo)電通道(亦稱等離子體電樞)向前運(yùn)動(dòng)。上下電極和等離子電樞分別受到電動(dòng)力和Lorentz力的作用，在電磁力的作用下，等離子電樞向前加速運(yùn)動(dòng)。高溫高壓狀的等離子體在向前高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，快速加熱其中的陶瓷粉末并推動(dòng)其沿著二級(jí)噴槍6內(nèi)的條狀通道(即通孔10)高速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)理論計(jì)算，可使陶瓷粉末在二級(jí)噴槍6出口處的速度達(dá)到3000m/s以上。
雖然粉末在一級(jí)噴槍5內(nèi)可獲得較高的速度，但由于粉末在一級(jí)噴槍加熱的時(shí)間較短，在一級(jí)噴槍5內(nèi)，僅有少于50％的粉末達(dá)到熔融狀態(tài)。因此，粉末還需進(jìn)入二級(jí)噴槍6內(nèi)，繼續(xù)被加熱和加速。
二級(jí)噴槍6可按等離子電樞運(yùn)動(dòng)模型來(lái)分析等離子體的移動(dòng)速度，設(shè)回路的電流方程為I(t)＝I0e-βtsinωt經(jīng)計(jì)算，最后得推動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)的等離子弧速度公式如下v=C24C1β(1-e-2βt)-C2β4C1(β2+ω2)[1-(cos2ωt-ωβsin2ωt)e-2βt]]]>其極限速度v*=C24C1β=4.69×103m/s]]>計(jì)算實(shí)例取d0＝2cm＝0.02m，b＝2cm＝0.02m；I(t)=8.3e-1.47×103t,]]>
則C1=mb=0.1×10-30.02=5×103]]>C2=μI024πbx(b-x)=10-7×(8.3×104)20.02x(0.02-x)=13.78x(0.02-x)]]>ω=2π400×10-6=1.57×104]]>若s＝0.36時(shí)，取x＝0.001m時(shí)，t＝5.55×10-4s，此時(shí)噴槍出口速度為v＝3.77×104m/s，其極限速度v*=C24C1β=4.69×103m/s]]>其中d0為等離子弧的直徑；m為等離子弧的質(zhì)量或被噴涂粉末的質(zhì)量；b為兩電極板間距；c1為單位長(zhǎng)度的等離子弧的質(zhì)量或單位長(zhǎng)度的被噴涂粉末的質(zhì)量；t為等離子弧到達(dá)噴槍出口所需的時(shí)間；x為等離子弧上任一點(diǎn)與一側(cè)電極板的距離；s為噴槍的長(zhǎng)度；C3=μ4πbx(b-x)=10-7×0.02(0.02-x)]]>通過(guò)上述計(jì)算，粉末在二級(jí)噴槍6的出口速度達(dá)3000m/s～4000m/s，在本實(shí)施例中，與噴槍5連接的電流發(fā)生裝置1的電壓為5～6KV，電容器的儲(chǔ)能值為15KJ，與二級(jí)噴槍6連接的電流發(fā)生裝置8的電壓為5～6KV，電容器的儲(chǔ)能值為20KJ。
本發(fā)明的涂覆機(jī)理是電爆炸產(chǎn)生的高溫等離子體加熱高熔點(diǎn)陶瓷粉末、電磁力和高壓氣體推動(dòng)粉末高速運(yùn)動(dòng)原理和高速碰撞沖擊力學(xué)原理，高速飛行的涂層材料微粒碰撞基體的瞬時(shí)，在微粒與基體的碰撞界面產(chǎn)生幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)大氣壓的壓力，上述壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何材料的屈服極限，基體材料和微粒材料在上述壓力下，均可視為高速流體，其力學(xué)性能已是流體性能，在質(zhì)量擴(kuò)散和沖擊波后粒子的向前運(yùn)動(dòng)的作用下，可使基體表層數(shù)微米厚度的材料熔化，部分氣化的噴涂材料以離子注入的方式擴(kuò)散到基體表層約5～20微米深度的范圍內(nèi)。熔融陶瓷顆粒在基體表面沉積，由于基體的自激冷作用，基體表面的熔融顆粒以極高的速度快速冷卻，從而形成具有超細(xì)晶組織的陶瓷涂層。
本實(shí)用新型每次噴涂的面積約2～3cm2，在同一噴涂表面可多次噴涂以增加涂層厚度，本實(shí)用新型可用于制備耐高溫耐磨損涂層、熱障涂層、耐高溫氧化腐蝕涂層，可用于作為涂覆的粉末材料主要有(1)導(dǎo)電陶瓷粉末或合金粉末，如TiC、WC-Co、ZrC、TaC、B4C、TiB2、TiN、HfC、VC、Cr3C2、等；(2)其他不導(dǎo)電氧化物或碳化物陶瓷粉末，如ZrO2、TiO2、Al2O3、CBN、Si3N4等；(3)陶瓷-合金復(fù)合粉末，如NiCr-Cr2C3、NiAl-TiC、ZrO2-NiAl等；(4)難熔金屬粉末，如W、Mo、Ta、Nb、Zr等。
權(quán)利要求1.一種陶瓷粉末的噴涂裝置，包括大電流發(fā)生裝置(1)和控制大電流發(fā)生裝置觸發(fā)放電的控制電路，其特征在于大電流發(fā)生裝置(1)接封閉噴槍(5)通孔一端的放電電極，噴槍(5)的近封閉端設(shè)有一送料裝置(2)，噴槍(5)的另一端為開口狀。
2.按權(quán)利要求1所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的放電電極的結(jié)構(gòu)是具兩相對(duì)延伸端的負(fù)極板(3)中間位置為正極(4)，正負(fù)極之間為絕緣材料，正負(fù)極端部具尖端狀。
3.按權(quán)利要求2所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的噴槍(5)為非導(dǎo)電材料，其中心為通孔，一端與放電電極的負(fù)極板(3)活動(dòng)連接。
4.按權(quán)利要求3所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的大電流發(fā)生裝置(1)的電容器組的高壓端通過(guò)三電極開關(guān)與放電電極的一個(gè)電極連接，低壓端直接與噴槍的另一電極連接。
5.按權(quán)利要求1或2或3或4所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的噴槍(5)的開口端連接二級(jí)噴槍(6)。
6.按權(quán)利要求5所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的二級(jí)噴槍(6)的結(jié)構(gòu)為兩平板狀電極夾持兩塊中間有一間距的非導(dǎo)電材料(7)，中間形成一條狀通道，兩平板狀電極接另一獨(dú)立的大電流發(fā)生裝置(8)，大電流發(fā)生裝置(8)接觸發(fā)控制電路。
7.按權(quán)利要求6所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的大電流發(fā)生裝置(8)的電容器組的高壓端通過(guò)三電極開關(guān)與二級(jí)噴槍(6)的一個(gè)電極連接，低壓端直接與二級(jí)噴槍的另一電極連接。
8.按權(quán)利要求7所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的二級(jí)噴槍(6)的電極表面為平面狀或曲面狀或尖端狀。
9.按權(quán)利要求4所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的大電流發(fā)生裝置(1)的電壓為5～6KV，電容器組的儲(chǔ)能為15KJ。
10.按權(quán)利要求6或7或8所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述二級(jí)噴槍(6)連接的大電流發(fā)生裝置(8)的電壓為5～6KV，電容器組的儲(chǔ)能為20KJ。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種可在基體材料表面制備高結(jié)合強(qiáng)度的耐磨、耐腐蝕及抗氧化的高熔點(diǎn)陶瓷涂層或陶瓷－金屬?gòu)?fù)合涂層的裝置。包括大電流發(fā)生裝置和控制大電流發(fā)生裝置觸發(fā)放電的控制電路，關(guān)鍵是大電流發(fā)生裝置接噴槍通孔一端的放電電極，噴槍的近封閉端設(shè)有一送料裝置，噴槍的另一端為開口狀。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的高速運(yùn)動(dòng)的陶瓷粉末與待涂覆的基體表面碰撞，在微粒與基體的碰撞界面產(chǎn)生幾萬(wàn)以上大氣壓的壓力。該壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何材料的屈服極限，基體材料和微粒材料在上述壓力下，均可視為高速流體，導(dǎo)致基體材料與微粒材料形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度大為提高，特別是能對(duì)陶瓷類非金屬材料進(jìn)行高強(qiáng)度的涂覆。
文檔編號(hào)C23C4/12GK2801808SQ200520110409
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者劉宗德 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(北京)