專利名稱：一種陶瓷粉末的噴涂裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種粉末噴涂裝置，特別是指一種可將高熔點陶瓷粉末噴涂在基體上的裝置。
背景技術：
熱噴涂技術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)濟損失也是巨大的。在工業(yè)國家每年磨損帶來的損失占到國民生產(chǎn)總值的2～8％，其中僅磨粒磨損造成的損失占到國民生產(chǎn)總值的1～4％，根據(jù)有關研究，設備的維護和修理的費用占到機器費用的30～50％。目前表面涂層技術的工藝過程根據(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)的表面涂層技術都有各自的優(yōu)勢和局限性，制作的涂層的性能相差很大。提高涂層與基體的結合強度，在提高材料的磨損性方面，有著重要的意義。
傳統(tǒng)的熱噴涂技術如等離子噴涂和HVOF高速火焰噴涂等技術是目前成熟的技術，已在工程中得到廣泛應用。但這些技術也有一些局限性，具體如下(1)難以制備一些高熔點(2800-3830℃)的陶瓷涂層(或涂層性能不高)，如HfC、NbC、TaC、ZrC、ZrB、TiC、TiB2、B4C等(這些高熔點涂層對于延長一些在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械結合，涂層與基體的結合強度較低；例如用等離子噴涂B4C涂層(用于核反應堆第一壁材料的涂層)，其結合強度為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成良好的結合涂覆是目前的一個技術難題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的發(fā)明目的在于公開一種可在基體材料表面制備高結合強度的耐磨、耐腐蝕及抗氧化的高熔點陶瓷涂層或陶瓷-金屬復合涂層的裝置。
實現(xiàn)本實用新型的發(fā)明目的的技術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，噴槍的近封閉端設有一送料裝置，噴槍的另一端為開口狀。
本實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高電壓，將電極間的空氣介質(zhì)擊穿形成短路狀態(tài)，通過一個瞬時的大電流，在電極間形成瞬間的放電，產(chǎn)生一個高溫高壓的等離子區(qū)域，該高溫高壓的等離子體對預置在噴槍內(nèi)的陶瓷粉末進行加熱，并推動粉末向前運動，根據(jù)實驗結果，在噴槍內(nèi)有相當程度的陶瓷粉末達到熔點以上的溫度，并根據(jù)理論推算和實驗測量，陶瓷粉末在噴槍出口端的出口速度可達1000～2000m/s。大電流發(fā)生裝置在目前是成熟的現(xiàn)有技術，本實用新型的結構相當簡單，產(chǎn)生的高速運動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)生幾萬以上大氣壓的壓力。該壓力已遠遠超過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，導致基體材料與微粒材料形成冶金結合，結合強度大為提高，特別是能對陶瓷類非金屬材料進行高強度的涂覆。


圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為圖1的A-A剖面結構示意圖。
圖3為圖1的B-B剖面結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1～圖3，實現(xiàn)本實用新型的具體實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，有成熟的電路可供選擇，關鍵是大電流發(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的適當位置，實質(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閉該孔的機構，在粉末9置入噴槍5后，關閉該送料孔，噴槍5的另一端為開口狀；實際使用時，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在電極的正負極產(chǎn)生高壓，并使電極的正負極之間擊穿呈短路狀，并有大電流通過正負極，這實質(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)動電極前的粉末向前運動，同時對粉末進行加熱，根據(jù)理論計算和實驗測定，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度的冶金結合。
上述的放電電極的結構是具兩相對延伸的負極板3中間位置為正極4，正負極之間為絕緣材料，正負極端具尖端，由于正負極之間呈對稱狀，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，可保讓對粉末的推動為一近似平面的驅(qū)動，使噴槍5端部的電爆炸可認為滿足一維的活塞運動模型，則經(jīng)計算可得粉末的平均速度為2000m/s左右。
上述的噴槍5為非導電材料，中心為通孔，一端與放電電極的負極板3為可拆式固定連接；因為放電電極在經(jīng)過若干次高壓大電流放電后會產(chǎn)生一定程度的燒蝕，會使涂層的精度產(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現(xiàn)完全是現(xiàn)有技術，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三極開關與放電電極的一個電極連接，低壓端直接與放電電極的另一電極連接。
上述的噴槍5的開口端連接二級噴槍6，該二級噴槍6的結構為兩平板狀的電極夾持兩塊中間有一間距的非導電材料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三電極開關與二級噴槍6的一個電極接觸，低壓端直接與二級噴槍另一電極連接；當在噴槍5中被加熱的粉末運動至噴槍5與二級噴槍6的連接處時，控制電路觸發(fā)大電流發(fā)生裝置8對二級噴槍6的兩電極施加高電壓并擊穿和通過一個大電流，形成包含部分陶瓷粉末的等離子導電通道(亦稱等離子體電樞)向前運動。上下電極和等離子電樞分別受到電動力和Lorentz力的作用，在電磁力的作用下，等離子電樞向前加速運動。高溫高壓狀的等離子體在向前高速運動的同時，快速加熱其中的陶瓷粉末并推動其沿著二級噴槍6內(nèi)的條狀通道(即通孔10)高速運動，根據(jù)理論計算，可使陶瓷粉末在二級噴槍6出口處的速度達到3000m/s以上。
雖然粉末在一級噴槍5內(nèi)可獲得較高的速度，但由于粉末在一級噴槍加熱的時間較短，在一級噴槍5內(nèi)，僅有少于50％的粉末達到熔融狀態(tài)。因此，粉末還需進入二級噴槍6內(nèi)，繼續(xù)被加熱和加速。
二級噴槍6可按等離子電樞運動模型來分析等離子體的移動速度，設回路的電流方程為I(t)＝I0e-βtsinωt經(jīng)計算，最后得推動粒子運動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]]>計算實例取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，取x＝0.001m時，t＝5.55×10-4s，此時噴槍出口速度為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為單位長度的等離子弧的質(zhì)量或單位長度的被噴涂粉末的質(zhì)量；t為等離子弧到達噴槍出口所需的時間；x為等離子弧上任一點與一側電極板的距離；s為噴槍的長度；C3=μ4πbx(b-x)=10-7×0.02(0.02-x)]]>通過上述計算，粉末在二級噴槍6的出口速度達3000m/s～4000m/s，在本實施例中，與噴槍5連接的電流發(fā)生裝置1的電壓為5～6KV，電容器的儲能值為15KJ，與二級噴槍6連接的電流發(fā)生裝置8的電壓為5～6KV，電容器的儲能值為20KJ。
本發(fā)明的涂覆機理是電爆炸產(chǎn)生的高溫等離子體加熱高熔點陶瓷粉末、電磁力和高壓氣體推動粉末高速運動原理和高速碰撞沖擊力學原理，高速飛行的涂層材料微粒碰撞基體的瞬時，在微粒與基體的碰撞界面產(chǎn)生幾萬至十幾萬大氣壓的壓力，上述壓力已遠遠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，其力學性能已是流體性能，在質(zhì)量擴散和沖擊波后粒子的向前運動的作用下，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，從而形成具有超細晶組織的陶瓷涂層。
本實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)的近封閉端設有一送料裝置(2)，噴槍(5)的另一端為開口狀。
2.按權利要求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構是具兩相對延伸端的負極板(3)中間位置為正極(4)，正負極之間為絕緣材料，正負極端部具尖端狀。
3.按權利要求2所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的噴槍(5)為非導電材料，其中心為通孔，一端與放電電極的負極板(3)活動連接。
4.按權利要求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三電極開關與放電電極的一個電極連接，低壓端直接與噴槍的另一電極連接。
5.按權利要求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)的開口端連接二級噴槍(6)。
6.按權利要求5所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的二級噴槍(6)的結構為兩平板狀電極夾持兩塊中間有一間距的非導電材料(7)，中間形成一條狀通道，兩平板狀電極接另一獨立的大電流發(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三電極開關與二級噴槍(6)的一個電極連接，低壓端直接與二級噴槍的另一電極連接。
8.按權利要求7所述的陶瓷粉末的噴涂裝置，其特征在于所述的二級噴槍(6)的電極表面為平面狀或曲面狀或尖端狀。
9.按權利要求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，電容器組的儲能為15KJ。
10.按權利要求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，電容器組的儲能為20KJ。
專利摘要本實用新型公開了一種可在基體材料表面制備高結合強度的耐磨、耐腐蝕及抗氧化的高熔點陶瓷涂層或陶瓷－金屬復合涂層的裝置。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，噴槍的近封閉端設有一送料裝置，噴槍的另一端為開口狀。本實用新型的結構相當簡單，產(chǎn)生的高速運動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)生幾萬以上大氣壓的壓力。該壓力已遠遠超過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，導致基體材料與微粒材料形成冶金結合，結合強度大為提高，特別是能對陶瓷類非金屬材料進行高強度的涂覆。
文檔編號C23C4/12GK2801808SQ200520110409
公開日2006年8月2日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權日2005年6月23日
發(fā)明者劉宗德 申請人:華北電力大學(北京)