第一讲装备再制造技术六

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1、编读虹桥©讲座・sq片仏Y“・"八广,丿7•厂乞严•八•=八・~竹^驾丁2・・"，r・・“#m文章编号:1671-0711(2008)04-0063-03第一讲装备再制造技术（六）^徐滨士（装甲兵工程学院.北京100072）3.微纳米等离子喷涂技术随着纳米材料的研究开发与应用，微纳米结构涂层（NanostructureCoating）的制备成为热喷涂技术重要的发展方向。与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面会有显著改善，且部分涂层可以同时具有上述多种性能。等离子喷涂技术是制备微纳米结构涂

2、层较好的技术之一，同时也是具有发展前景的技术。纳米涂层可分为三种：单一纳米材料涂层体系（纳米晶）；两种（或多种）纳米材料构成的复合涂层体系（纳米晶+非晶纳米晶）；添加纳米材料的复合体系（微晶+纳米晶）。由于科技水平的限制，目前的研发主要集中于第三种，即在传统涂覆层技术的基础上，喷涂纳米结构颗粒喂料，可在较低成本情况下，使涂覆层功能得到显著提高。纳米材料热喷涂原理如图17所示。纳米结构热喷涂层和传统热喷涂层（WC/C。）的制备过程如图18所示。氛徇的颗粒煥瞰徐更构第米藏粒工件图17纳米等离子喷涂原理图高效能超音速等离子喷涂（

3、HEPJet）技术是我国近年来开发出的先进热喷涂技术，是制备微纳米结构涂层先进技术之一。超音速等离子喷涂技术制备微纳米结构耐磨涂层及功能涂层，是一项先进的再制造工程技术，具有广阔的应用前景。（1）超音速等离子喷涂技术超音速等离子喷涂是在高能等离子喷涂（80kW级）的基础上，利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的图18传统热喷涂和纳米结构热喷涂层的制备过程示意图（WC/Co）超音速等离子射流进行喷涂的方法。美国从20世纪80年代中期率先投入研究，直至90年代中期才由美国TAFA公司向市场推出了能

4、够满足工业化生产需要的270kW极大功率、大气体流量（21m3/h）的“PLAZJet”超音速等离子喷涂系统，其核心技术集中在超音速等离子喷枪的设计上。图19显示了该喷枪的原理示意图。图19双阳极、外送粉超音速等离子喷枪（TAFA公司）结构原理图该喷枪依靠增大等离子气体流虽提髙射流速度，采用双阳度，采用双阳极来拉长电弧，使弧电压可高达200700V,电流400-500A,焰流速度超过3000m/s。为了保证高速射流具有足够高的热熔值使喷涂粒子充分熔化。采用了提高弧流功率的措施。该喷枪的最大功率（270kW）比普通高能等离子

5、（80PW）提高了3~4倍。由于大幅提高了©编读虹桥'讲座g%"”•…・心〃yU"QK卞"S■…八・•跆,"和；v*L“/'CS'g〜"E«喷射粒子的速度（可达400~600m/s）和动能，涂层质量明显优于常规速度（200-3000）/3）的等离子喷涂层。但是由于能量消耗大，且为了保证连续工作，采用了外送粉方式，造成粉末利用率降低，喷涂成本很高，限制了其推广应用。近年来，装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室研制成功了高效能超音速等离子喷涂（HEPJet）系统。图20是其系统原理图。相对于美国“PLAZJet”超音

6、速等离子喷枪，HEPJet喷枪采用了“较低功率（80kW）、小气体流量（6m7h）”设计方案。图21是该喷枪的结构原理图。该喷枪采用了拉伐尔喷嘴型面的单阳极结构，压缩孔道长度缩短，但对电弧初始段的机械压缩增强，迫使阳极斑点前移来拉长电弧（弧压可达200-400V）0该喷枪由于提前对电弧区段进行加速，提髙了喷枪热效率，获得了高熔值超音速射流；同时采用了内送粉结构，有效降低了能耗。此外，HEPJet系统还在国际热喷涂界率先采用先进的IGBT逆变技术研制了80kW级喷涂电源，并采用了先进的PLC过程控制和氟力昂制冷的热交换器等。

7、HEPJet系统标志着我国等离子喷涂技术已达到国际先进水平。图21HEPJet单阳极、内送粉超音速等离子喷枪的原理图（2）超音速等离子喷涂纳米结构颗粒喂料的制备①制备方法热喷涂颗粒的粒度范围通常为-140-+325目o过细的粉末会产生烧损和飞扬等问题，送粉加大困难，沉积效率也受影响。近些年，由于高速火焰喷涂（HVOF）和高功率等离子喷涂（HPPS）的出现，使喷涂颗粒向细微级发展。HVOF和HPPS焰流和颗粒飞行速度髙，缩短了颗粒在焰流中的受热时间，大粒度颗粒在未熔化之前就已达到基体表面,难以形成理想涂层，而粉末细化，可改善

8、这一状况。当前，有些公司已推岀专门用于HVOF喷涂的系列粉，粒度范围常在-270^5000之间。粉末细化后，对送粉器的质量提岀了更高的要求。纳米颗粒材料不能直接用于热喷涂：一方面是因为尺寸（1-lOOnm）和质最太小，另一方面是因为喷涂过程中容易发生烧结。解决问题的办法是将纳米颗粒材料制备成具有一定尺寸