專利名稱：多功能超音速火焰噴涂方法及智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多功能超音速火焰噴涂方法及智能控制系統(tǒng)。
超音速火焰噴涂(HVOF)是80年代發(fā)展起來(lái)的一種熱噴涂方法，該噴涂方法自開(kāi)發(fā)以來(lái)，由于其優(yōu)異的涂層性能，在工業(yè)中得到了廣泛地應(yīng)用，特別是在航空、航天以及其它一些對(duì)涂層性能要求較高的領(lǐng)域。近年來(lái)，超音速火焰噴涂發(fā)展迅速，成為熱噴涂中最有活力的噴涂方法之一。在本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術(shù)中，有多種超音速火焰噴涂方法，并經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一代的HVOF噴涂方法以“Jet-Kote”為代表，采用丙烷、丙烯或氫氣作為燃?xì)?，氧氣作為助燃劑，手柄式燃燒室燃燒，軸向送粉，噴涂效率2Kg/h左右，燃燒室和槍筒都采用水冷，粉末粒子的速度和溫度可達(dá)到450m/s和2000℃左右。第二代超音速火焰噴涂方法以1989年出現(xiàn)的Dimaond Jet、Top-Gun和CDS為代表，使用燃?xì)馀c氧氣，噴涂效率3Kg/h左右，有的采用喉管式燃燒，有的采用燃燒室式燃燒，獲得粒子速度約為500m/s左右，溫度2500℃左右。第三代超音速火焰噴涂方法以JP-5000噴涂系統(tǒng)為代表，這些系統(tǒng)大多有高的燃燒室壓力，可產(chǎn)生比第二代HVOF噴槍更高的粒子速度，粒子的速度可達(dá)600～650m/s，有的超過(guò)1000m/s，噴涂速率達(dá)到6～8Kg/h。同時(shí)，由于高的粒子速度可使涂層中產(chǎn)生壓應(yīng)力，可制備較厚的涂層。
現(xiàn)有的三代HVOF噴涂方法中，第一、二代的功率偏小，送粉量受到限制，約為3Kg/h，導(dǎo)致涂層的沉積速率低；粒子速度較低，只有400～500m/s左右，導(dǎo)致涂層的整體性能偏低，結(jié)合強(qiáng)度偏低，孔隙率偏高，限制了它們的應(yīng)用。第三代在設(shè)計(jì)上有很大的改進(jìn)，粒子速度高，涂層質(zhì)量?jī)?yōu)越，結(jié)合強(qiáng)度高，可達(dá)90Mpa以上，孔隙率低，約為1％左右，涂層硬度高，可達(dá)HV1490。但是第三代噴涂方法在制備HVOF最具應(yīng)用價(jià)值的WC金屬陶瓷涂層時(shí)，噴涂粒子處于高溫焰流中，很難避免WC的分解，易導(dǎo)致過(guò)分脫碳，降低涂層的性能，而且，制備一些金屬和合金粉末時(shí)，涂層質(zhì)量并不是很優(yōu)越，噴涂某些氧化物粉末時(shí)，涂層質(zhì)量不高。此外，本發(fā)明以前的控制系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)質(zhì)上只是一個(gè)帶監(jiān)控的燃燒裝置。而本發(fā)明需要的是一個(gè)與超音速火焰噴涂方法相對(duì)應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)控制對(duì)象多，除燃料、氧氣、空氣、粉末外，還有送粉器用的載氣，噴槍所用的冷卻水；其控制過(guò)程復(fù)雜，包括燃料與助燃劑的輸送調(diào)整、送粉過(guò)程、冷卻過(guò)程；其監(jiān)控的工藝參數(shù)多，包括煤油的流量、壓力，煤油油箱的液位，氧氣與壓縮空氣的流量、壓力，冷卻水的入槍與出槍水溫，噴槍燃燒室的壓力等。因此，對(duì)于控制對(duì)象多，過(guò)程復(fù)雜，監(jiān)控參數(shù)多的本發(fā)明方法，現(xiàn)有技術(shù)的燃燒器控制系統(tǒng)不可能完成。
針對(duì)上述超音速火焰噴涂方法及現(xiàn)有技術(shù)狀況和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種新的多功能超音速火焰噴涂方法，使之既具備第三代HVOF噴涂系統(tǒng)涂層質(zhì)量高，結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，涂層硬度高，噴涂效率高等優(yōu)點(diǎn)，又克服噴涂WC金屬陶瓷粉末時(shí)的分解脫碳難題，使噴涂金屬、合金和氧化物陶瓷時(shí)具備良好的涂層性能。同時(shí)，開(kāi)發(fā)一種與之配套的多功能超音速火焰噴涂智能控制系統(tǒng)，要求該控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，靈敏度高，監(jiān)控有效，處理措施得當(dāng)。能夠自動(dòng)完成噴涂系統(tǒng)的各種控制功能。
現(xiàn)將本發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下本發(fā)明利用煤油為燃料，氧氣和壓縮空氣為助燃劑，其特征在于用本發(fā)明智能控制系統(tǒng)將煤油和氧氣(壓縮空氣，或氧氣與壓縮空氣的混合氣)以一定的流量，經(jīng)高性能霧化噴咀霧化混合成可燃混合氣后噴入噴槍燃燒室；混合氣經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒后形成高溫高壓的燃?xì)?，通過(guò)噴槍中的拉伐爾噴咀將其加速到超音速；送粉系統(tǒng)將噴涂粉末從噴槍中拉伐爾噴咀的負(fù)壓區(qū)送入超音速射流，經(jīng)射流加溫加速后從噴口噴出，高速噴向工件表面沉積形成涂層。本發(fā)明的關(guān)鍵是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入噴槍的煤油、助燃劑(氧氣與壓縮空氣的混合氣體)的流量來(lái)調(diào)節(jié)焰流的速度和溫度，從而控制噴涂粉末的加熱和加速，避免WC金屬陶瓷粉末的分解脫碳，制備高性能的金屬涂層，合金涂層和氧化物陶瓷涂層。
本發(fā)明方法的方式和技術(shù)參數(shù)為燃料與助燃劑煤油與氧氣(狀態(tài)1)、煤油與壓縮空氣(狀態(tài)2)燃燒方式高壓燃燒室霧化方式高性能射流霧化噴嘴點(diǎn)火方式火花塞點(diǎn)火送粉方式拉伐爾噴嘴后端負(fù)壓區(qū)徑向送粉送粉載氣氮?dú)饫鋮s方式制冷系統(tǒng)水冷燃燒室壓力0.7～1.0Mpa(狀態(tài)1)，0.4～0.8Mpa(狀態(tài)2)氧氣壓力1.2～1.6Mpa氧氣流量22～24g/s壓縮空氣壓力0.6～1.0Mpa壓縮空氣流量22～24g/s煤油壓力1.3～1.7Mpa煤油流量1～3g/s。
根據(jù)上述多功能超音速火焰噴涂方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)了相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的作用是按照一定的程序完成燃料與助燃劑的輸送調(diào)節(jié)、冷卻、點(diǎn)火、噴涂、監(jiān)控、報(bào)警等各種控制功能，對(duì)整個(gè)噴涂過(guò)程進(jìn)行有效的智能監(jiān)控，并能采取相應(yīng)的處理措施。要求該控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，靈敏度高，監(jiān)控有效，處理措施得當(dāng)。本發(fā)明控制系統(tǒng)，具有控制電路和控制管路，控制管路上裝有各類壓力表、電磁閥和泵機(jī)構(gòu)，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)包括煤油供給，氧氣—空氣供給，點(diǎn)火、水冷、送粉五個(gè)子系統(tǒng)；煤油供給子系統(tǒng)由油箱、液位計(jì)、泵、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥組成，液位計(jì)將油箱的液位轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，壓力表和流量計(jì)分別顯示煤油的壓力與流量，由本發(fā)明智能控制系統(tǒng)的控制電路和管路流量調(diào)節(jié)閥實(shí)施流量調(diào)節(jié)，以完成所需煤油的輸送；氧氣—空氣供給子系由氧氣源、空氣源、電磁閥、氧氣調(diào)壓閥、空氣調(diào)壓閥組成，壓力表顯示氣源壓力，流量調(diào)節(jié)閥完成流量調(diào)節(jié)，混合器完成氧氣與壓縮空氣的混合，以完成氧氣、空氣的輸送和混合氣的形成。水冷子系統(tǒng)由制冷機(jī)組、泵、閥組成，制冷機(jī)組將噴槍流回的高溫水降溫成冷凍水，泵將冷凍水高壓送至噴槍，壓力表和流量調(diào)節(jié)閥分別顯示水壓和調(diào)節(jié)水量，以完成噴槍的冷卻和進(jìn)出噴槍水溫的監(jiān)控。送粉子系統(tǒng)的核心部件是送粉器，它以氮?dú)鉃檩d氣，將噴涂粉末與載氣混合成流態(tài)，以一定的壓力和流量送至噴槍的負(fù)壓區(qū)，送粉率可調(diào)，以滿足噴涂工藝的需要。點(diǎn)火子系統(tǒng)由變壓器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、火花塞組成，點(diǎn)火系統(tǒng)工作時(shí)，點(diǎn)火線圈的次級(jí)感應(yīng)出高壓電，在火花塞的兩個(gè)電極間跳火，點(diǎn)燃可燃混合氣，以完成噴槍噴涂開(kāi)始階段的點(diǎn)火，點(diǎn)火要求可靠。各子系統(tǒng)所用的零部件和它們之間的連接關(guān)系表明了本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)行的是分別控制、集中安裝于控制臺(tái)的實(shí)施方案。控制臺(tái)集電、油、氣、水控制于一身，保證各個(gè)子系統(tǒng)按一定的時(shí)序正常工作，并顯示監(jiān)控噴涂系統(tǒng)工作時(shí)的工作參數(shù)?？刂婆_(tái)電路中設(shè)計(jì)了安全報(bào)警電路，在系統(tǒng)工作超出正常工藝參數(shù)范圍時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并作出相應(yīng)的處理，保證系統(tǒng)正常工作。
現(xiàn)將本發(fā)明方法及控制系統(tǒng)結(jié)合最佳實(shí)施例附圖作進(jìn)一步說(shuō)明

圖1本發(fā)明工作原理2；本發(fā)明流體管路系統(tǒng)控制原理3本發(fā)明電路系統(tǒng)控制原理4本發(fā)明控制臺(tái)面板示意圖上述圖1、2、3、4是本發(fā)明最佳實(shí)施例附1中，各子系統(tǒng)所用的零部件和它們之間的連接關(guān)系表明了本發(fā)明方法的實(shí)施方案，同時(shí)也表明了本發(fā)明控制系統(tǒng)實(shí)行的是各子系統(tǒng)分別控制、集中安裝的實(shí)施方案。
圖2中，1DT是吹槍電磁閥，2DT是氧氣電磁閥，3DT是空氣電磁閥，4DT是回油電磁閥，5DT是供油電磁閥，t為溫度傳感器，h為液位傳感器，p為燃燒室壓力傳感器。各子系統(tǒng)通過(guò)各流體管路中的壓力表、電磁閥、調(diào)壓閥、高壓減壓器、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)在控制電路的控制下對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。
圖3中，控制系統(tǒng)電原理圖包括各種開(kāi)關(guān)、智能儀表、電磁閥及其它元器件之間的連接關(guān)系。圖中的燃燒室壓力P、入槍水溫T1、出槍水溫T2、煤油液位H均為智能儀表，它們對(duì)所顯示的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行分析判斷后，作出處理，當(dāng)噴涂系統(tǒng)的工況超出正常工作范圍時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，提示系統(tǒng)的故障原因，并停止噴涂，直到故障排除后，重新啟動(dòng)系統(tǒng)。圖中QS為電源總開(kāi)關(guān)、K0為電源開(kāi)關(guān)、KM0為電源交流接觸器、KM(油)為油泵電機(jī)交流接觸器、K2為氣路檢查、K3為油路檢查、K4為供水、K5為供氣、K6為點(diǎn)火、K7為供油、K8為噴涂、K9為吹槍、ET為急停、t1、t2為水溫報(bào)警、h為液位報(bào)警，P氣為氣壓報(bào)警、P水為水壓報(bào)警、(1-5)DT為各電磁閥、JS為各繼電器。
圖4中，控制臺(tái)上安裝了壓力儀表和流量調(diào)節(jié)閥，對(duì)系統(tǒng)各控制對(duì)象進(jìn)行顯示和調(diào)節(jié)；安裝了智能監(jiān)控儀表，對(duì)系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控并作出處理；系統(tǒng)的操作包括噴涂前的系統(tǒng)檢查，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種操作方式，此外，系統(tǒng)還有報(bào)警和緊急停止開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的工作程序是這樣的噴前檢查根據(jù)控制臺(tái)上的噴前檢查模塊，按下相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行油路檢查，氣路檢查和水路檢查，檢查各路工作是否正常。噴涂噴涂有兩種操作方式，分別是手動(dòng)和自動(dòng)，手動(dòng)噴涂時(shí)，按供水、供氣、供油、點(diǎn)火、噴涂的順序操作，自動(dòng)噴涂時(shí)，按點(diǎn)火、噴涂的順序操作。噴涂停止時(shí)，按與噴涂相反的順序操作。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1.粒子飛行速度高，沖擊動(dòng)能高，粒子結(jié)合性好，噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，涂層致密。
2.粒子在大氣中的飛行時(shí)間短，涂層中氧化物含量小。
3.粒子加熱效率高，加熱效果一致性好，粉末在高溫區(qū)的停留時(shí)間短，其化學(xué)成分和相組成穩(wěn)定。
4.噴涂涂層殘余應(yīng)力小，可制備厚涂層。
5.涂層硬度高，耐磨耐蝕性能好。
6.噴涂系統(tǒng)使用煤油與氧作為燃料，經(jīng)濟(jì)性好，安全性高。
7.噴涂粉末粒度范圍寬，噴涂速率高，沉積效率高。
8.可用于氧—煤油噴涂，也可用于空氣—煤油噴涂，還可以在氧氣、空氣同時(shí)供給的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)二者的流量來(lái)調(diào)節(jié)焰流的速度和溫度，以滿足不同的噴涂要求。
9.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想新穎，監(jiān)控智能化，操作簡(jiǎn)便，維護(hù)保養(yǎng)方便。
本發(fā)明成功地設(shè)計(jì)了多功能超音速火焰噴涂智能控制系統(tǒng)，滿足了多功能超音速火焰噴涂系統(tǒng)的需要。經(jīng)噴涂試驗(yàn)表明，本控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確，靈敏度高，智能化程度高，可操作性強(qiáng)，且符合人體工程學(xué)要求，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想也可在其它相關(guān)的燃燒領(lǐng)域應(yīng)用。本發(fā)明與多功能超音速火焰噴涂噴槍配套，可制備金屬、合金、金屬陶瓷涂層，涂層質(zhì)量?jī)?yōu)越，結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，硬度高，耐磨耐蝕性能好，可廣泛應(yīng)用在耐磨損、抗燒蝕、抗沖蝕、耐熱、零部件強(qiáng)化等場(chǎng)合，特別是航空航天、電力、鋼鐵、化工、汽車等領(lǐng)域。同時(shí)由于涂層質(zhì)量高，且使用煤油為燃料，氧氣、壓縮空氣為助燃劑，與其它超音速火焰噴涂相比，燃料助燃劑價(jià)格低廉，具有很高的性能價(jià)格比，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和軍事效益，在工農(nóng)業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種多功能超音速火焰噴涂方法，利用煤油為燃料，氧氣和壓縮空氣為助燃劑，其特征在于用本發(fā)明智能控制系統(tǒng)將燃料和助燃劑以一定的流量，經(jīng)霧化噴咀霧化混合成可燃混合氣后噴入噴槍燃燒室；混合氣經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒后形成高溫高壓的燃?xì)?，通過(guò)噴槍中的拉伐爾噴咀將其加速到超音速；送粉系統(tǒng)將噴涂粉末從噴槍中拉伐爾噴咀的負(fù)壓區(qū)送入超音速射流，經(jīng)射流加溫加速后從噴口噴出，高速噴向工件表面沉積形成涂層；燃燒方式為高壓燃燒；霧化方式為射流霧化；點(diǎn)火方式為火花塞點(diǎn)火；送粉方式為拉伐爾噴咀后端負(fù)壓區(qū)徑向載氣送粉；冷卻方式為制冷系統(tǒng)水冷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能超音速火焰噴涂方法，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入噴槍的燃料、助燃劑的流量來(lái)調(diào)節(jié)焰流的速度和溫度，從而控制噴涂粉末的加熱和加速，其特征在于燃燒室壓力為0.7～1.0Mpa或0.4～0.8Mpa；氧氣壓力為1.2～1.6Mpa；氧氣流量為22～24g/s；壓縮空氣壓力為0.6～1.0Mpa；壓縮空氣流量為22～24g/s；煤油壓力為1.3～1.7Mpa；煤油流量為1～3g/s。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的與多功能超音速火焰噴涂方法配套設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)，具有控制電路和控制管路，控制管路上裝有各類壓力表、電磁閥和泵機(jī)構(gòu)，其特征在于整個(gè)系統(tǒng)包括煤油供給、氧氣一空氣供給、點(diǎn)火、水冷、送粉五個(gè)子系統(tǒng)；煤油供給子系統(tǒng)由油箱、液位計(jì)、泵、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥組成；氧氣—空氣供給子系統(tǒng)由氧氣源、空氣源、電磁閥、氧氣調(diào)壓閥、空氣調(diào)壓閥組成；水冷子系統(tǒng)由制冷機(jī)組、泵、閥組成；送粉子系統(tǒng)的核心部件是送粉器，用載氣以一定的壓力和流量將噴涂粉末與載氣混合成流態(tài)送至噴槍的負(fù)壓區(qū)；點(diǎn)火子系統(tǒng)由變壓器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、火花塞組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的與多功能超音速火焰噴涂方法配套設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)，其特征在于各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系實(shí)行分別控制、集中安裝；控制臺(tái)集電、油、氣、水控制于一身控制電路系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)、交流接觸器、電磁閥、報(bào)警電路；控制流體管路系統(tǒng)包括壓力表、電磁閥、調(diào)壓閥、高壓減壓器、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多功能超音速火焰噴涂方法及智能控制系統(tǒng),采取燃高壓燃燒、射流霧化、火花塞點(diǎn)火、拉伐爾噴咀后端負(fù)壓區(qū)徑向載氣送粉、制冷系統(tǒng)水冷的方式;整個(gè)控制系統(tǒng)包括五個(gè)子系統(tǒng);各子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系實(shí)行分別控制、集中安裝;本發(fā)明與火焰噴涂噴槍配套,制備涂層質(zhì)量?jī)?yōu)越,結(jié)合強(qiáng)度高,孔隙率低,硬度高,耐磨耐蝕性能好,可廣泛應(yīng)用在耐磨損、抗燒蝕、抗沖蝕、耐熱、零部件強(qiáng)化等場(chǎng)合,有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B05B17/04GK1342525SQ0112877
公開(kāi)日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者王漢功, 查柏林, 汪劉應(yīng), 楊暉, 蘇勛家 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程學(xué)院