高效能超音速等离子喷涂技术
的研究与开发应用*
徐滨士 王海军 朱 胜 梁秀兵
(装甲兵工程学院材料科学与工程系 装备再制造技术国防科技重点实验室 北京 100072)
摘要： 根据路
对超音速等离子喷涂枪的枪体气
利用等离子体物理学
通过对该喷涂枪和制备的涂层性能测试研究表明3-1
小气体流量(
美国TAFA 公司的PlazJet 高能高速等离子喷涂枪孔隙率
但运行成本仅为国外超音速PlasJet 等离子喷涂的一半
国防 关键词： 高效能 超音速 等离子喷涂技术 陶瓷涂层
超音速
０ 前言
等离子喷涂技术由瑞耐克于１９３９年首创
Ｐｌａｓｍａｄｙｎｅ Ｃｏ．
应用
等离子喷涂技术发展很快扩展弧超音速等离子喷涂等
Ｍｅｔｃｏ公司和瑞士ＰＴ公司的等离子喷涂设备和工装升到一个新台阶
反应等离子喷涂
为实现工艺自动化
我国从６０年代起某些军工部门先后引进了多台美国
等离子喷涂技术的理论与开发应用已上
扩展弧
超音速等离子焰流进行喷涂的方法［２－５］
喷涂成本
其性能的好坏
是超音速等离子喷涂设备中最为关键的部件
送粉方式及整体结构
路结构设计
以适应于工业应用的需要
气
Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏ．并率先在航空航天等高技术领域中
等离子喷涂枪的发展可以认为主要集中在喷枪射流速度的提高和送粉方式的改良两个方面
得到稳定聚集的
材料来源
广
生产效率高等诸多优点
８０
电源的基础上建立起来的电
通过实验发现原来引进的
主变压器与喷枪阴极及一级喷嘴
在80年代后期
电源和喷枪存在着不够完善的地方为同一冷却水路过快
＊
体积小
因此不能长时间运行[6-8]
在较大功率和较长时间运行时水温升高
ǹÌå½á¹¹ÊÇÔÚÔ-µÈÀë
国家＂９７３＂项目（Ｇ１９９９０６５００９）； 国家自然科学基金项（５００７５０８６）； 装备再制造技术国防科技重点实验室基金资助项目
装甲兵工程学院材料科学与工程系院士基金资助项目
子切割枪的基础上改造而成
8~14m3h
-1
焰流热焓值很低l 枪送粉困难
l 两阳极间的中间绝缘体容易烧损l 枪体外部管路过多
因此, 决定在原有喷涂电源的基础上离子喷涂枪
其喷涂枪的性能也存在明显不足
而且焰流达不到超音速
更不便于实现机装作业
高效能超音速等
首先对配套系统进行了研制改造
８０电源相匹配
喷枪
送粉装置
冷却装置并带有计算机接口线路
传统的枪体由上枪体和下枪体及中间绝缘体组成
所以不但中间枪体部分冷却效果差
各部温差较大
高效能超音速等离子
由于把绝缘体装在枪体内腔中
就大大减少了枪体上的管路接头
增大可以缩
散热效果好
１０］
小气体流量获得超音
该喷涂枪2002年获得国家发明专利
高效能超音速等离子喷涂技术获得2002年军队科技进步一等奖
ë²Æø¼ÓµªÆø
µªÆø¼ÓÇâÆø
喷涂枪的枪体结构主要由两部分金属体了枪体的换热面积速等离子焰流的设计思想短压缩孔道的长度
01101077.0(1) (2) (4) 图
喷涂枪最大功率为80kW 最大总气体流量应小于6m 3.h -1喷涂层的结合强度大幅度提高
ÕâËÄÖÖÅäÆø·½°¸
图２ 高效能超音速等离子喷涂枪
图3 高效能超音速等离子喷涂射流
２ 高效能超音速等离子喷涂粒子速度测定
２．１ 测试设备
HEPJet高效能超音速等离子喷涂粒子速度是利用激光多普勒测速仪测试的
丹麦Dentec 的55X 二维发射系统和接收装置
丹麦DISA 的55L90 计数器和计算机自动采集系统等组成(见图
图4 激光测速系统
激光流速仪的原理是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息双散射的模式
数据通过采集板由计算机进行处理和存储
其算术平均值为该状态下粒子的平均速度
主要对喷枪喷涂的Al 2O 3粉末
过程中
180
电压180V
Ëùʾ
ÅçÍ¿¹¤ÒÕ²ÎÊý
功率／ｋＷ ６４．８
电流／Ａ ３６０
电压／Ｖ １８０
ｍ以下
60
试验120
Ａｒ流量／ｍ３ｈ－１
４．０
Ｈ２流量／ｍ３ｈ－１
０．２８
测试的粒子平均速度喷涂距离变化的测试结果如图
粒子速度／ｍ
１０％（Ｖ３）最大速度粒子的平均速度及最大速度(V4)随着
１４００ １２００ １０００ ８００ ６００ ４００ ２００
０
５０
１００
距离／ｍｍ
１５０ ２００ ２５０
图５ 粒子速度随距离的变化趋势
由试验可知
粒子越细
s -1
以上
s -1
在150 mm 喷涂距离内
10
30
最大速度粒子的速度也达到600 m.s -1
３ 高效能超音速等离子喷涂层性能研究
在试验中末的喷涂工艺参数
优化了Ni/Al
表２ ＨＥＰＪｅｔ高效能超音速等离子喷涂工艺参数
喷涂材料 喷涂功率/kW Ar 流量/m3h -1 H 2流量/m3h -1 喷涂距离/mm 送粉量/kgh-1 沉积效率/%
Ni/Al 粘结底层 30 3.6 0.15 150 2.9 73
Cr 2O 3 涂层 68 3.4 0.28 150 2.2 32.5
ZrO 2 涂层 64 3.4 0.26 150 2.0 36.9
12Co-WC 涂层 35 4.0 0.15 140 3.4 41
NiCr-Cr 3C 2 涂层
42 4.0 0.15 140 3.1 49
NiCr-Cr 3C 2ZrO 2五种粉
３．１ 喷涂层的孔隙率和结合强度
Ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ／ＭＰａ
７０
６０ ５０ ４０ ３０ ２０ １０ ０
Al2O3 12Co-WC NiCr-Cr3C2
图６ 涂层孔隙率对比 图７ 涂层结合强度对比
高效能等离子喷涂能够明显改善陶瓷涂层的质量涂层和Metco 7M 等离子喷涂层的孔隙率和结合强度对比
７所示分别为高效能超音速等离子喷
涂层与基体的结合强度49.2 MPa, 而Metco 7M 等离子喷涂Al 2O 3 涂层的孔
隙率大于3%
结合强度均大于60 MPa３．２ 喷涂层的组织结构
高效能超音速等离子喷涂12Co-WC 和NiCr-Cr 3C 2涂层的
(a) HEPJet
高效能超音速等离子喷涂层
(b) METCO.7M普通等离子喷涂层
图8 等离子喷涂12Co-W C 涂层 (X1500)
图8是超音速等离子喷涂和普通等离子喷涂制备的12Co-WC 涂层的断面形貌
超音涂层
速等离子喷涂12Co-WC 涂层的涂层比较致密与基体之间的结合比较好
粒子熔化比较充分
(a) 涂层中的微晶结构 (a) 涂层中的纳米晶结构
图9 高效能超音速等离子喷涂Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２涂层
涂层主要由亚微米晶和纳米晶结构组成
喷涂粉末
实验表明， 同一纳米热
采用超音速等离子喷涂Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２喷涂粉制
表３ Ａｌ２０３／Ｔｉ０２纳米结构涂层的性能对比
硬度／ＨＶ 结合强度／ＭＰａ 相对耐磨性
超音速等离子喷涂
１１６６ ２９．４ １．１２
ＭＥＴＣＯ－９ＭＢ等离子喷涂
７１３ １１．４ １
备纳米结构涂层的性能比采用一般的等离子ＭＥＴＣＯ－９ＭＢ喷涂层的性能优异
４ 高效能超音速等离子喷涂经济性分析
将高效能超音速等离子喷涂的经济性与美国Ｐｌａｚｊｅｔ等离子喷涂相对比
节能成本分析对比如表４所示
主气流 （ｍｈ
３
－１
）
Ｎ２
１５．８
３．８
高效能超音速等离子喷枪在较低的功率
(
少的气体消耗(
与TAFA 公司PlazJet 高能高速等离子喷涂粒子速度
(2) 高效能超音速等离子喷涂枪制备的陶瓷涂层性能明显优于METCO.7M ¶øÓëPlazJet 高能高速等离子喷涂相当领域属突破性进展
喷涂1kg 的
Al 2O 3涂层的成本仅为后者的51%
ÕÅƽ
参 考 文 献
1 2
徐滨士Kawasaki A
等
Yuki M
Materials Transactions JIM.1996
3
廖恒成
孙永兴
5
Zhiping Wang
130~138
6 ７
朱胜编译
Ｓｈｅｎｇ ｚｈｕ， Ｗ． ｗｌｏｓｉｎｓｋｉ， Ｂｉｎｓｈｉ Ｘｕ
１９９７
８ ９
徐滨士何洪庆
７４２
１９０
３７￣４０ 1998
热喷涂技术
７￣９
国外热喷涂技术及应用
８￣１２
材料研究导报
１３（２）1999
28~31
1998
788~795
北京
1999
相当
这在等离子喷涂
ÂíÊÀÄþ
ÁºÖ¾½Ü
等离子喷涂技术的新进展．航空工艺技术
陕西
10 沈肖镇
11 王海军
作者简介
男
超音速等离子喷涂枪[1**********]2年3月10日
教授研究方向为维修工程再制造工程
梁秀兵
北京长辛店杜家坎
联系电话
Ｏ
２１号院士办公室
１０００７２
高效能超音速等离子喷涂技术
的研究与开发应用*
徐滨士 王海军 朱 胜 梁秀兵
(装甲兵工程学院材料科学与工程系 装备再制造技术国防科技重点实验室 北京 100072)
摘要： 根据路
对超音速等离子喷涂枪的枪体气
利用等离子体物理学
通过对该喷涂枪和制备的涂层性能测试研究表明3-1
小气体流量(
美国TAFA 公司的PlazJet 高能高速等离子喷涂枪孔隙率
但运行成本仅为国外超音速PlasJet 等离子喷涂的一半
国防 关键词： 高效能 超音速 等离子喷涂技术 陶瓷涂层
超音速
０ 前言
等离子喷涂技术由瑞耐克于１９３９年首创
Ｐｌａｓｍａｄｙｎｅ Ｃｏ．
应用
等离子喷涂技术发展很快扩展弧超音速等离子喷涂等
Ｍｅｔｃｏ公司和瑞士ＰＴ公司的等离子喷涂设备和工装升到一个新台阶
反应等离子喷涂
为实现工艺自动化
我国从６０年代起某些军工部门先后引进了多台美国
等离子喷涂技术的理论与开发应用已上
扩展弧
超音速等离子焰流进行喷涂的方法［２－５］
喷涂成本
其性能的好坏
是超音速等离子喷涂设备中最为关键的部件
送粉方式及整体结构
路结构设计
以适应于工业应用的需要
气
Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏ．并率先在航空航天等高技术领域中
等离子喷涂枪的发展可以认为主要集中在喷枪射流速度的提高和送粉方式的改良两个方面
得到稳定聚集的
材料来源
广
生产效率高等诸多优点
８０
电源的基础上建立起来的电
通过实验发现原来引进的
主变压器与喷枪阴极及一级喷嘴
在80年代后期
电源和喷枪存在着不够完善的地方为同一冷却水路过快
＊
体积小
因此不能长时间运行[6-8]
在较大功率和较长时间运行时水温升高
ǹÌå½á¹¹ÊÇÔÚÔ-µÈÀë
国家＂９７３＂项目（Ｇ１９９９０６５００９）； 国家自然科学基金项（５００７５０８６）； 装备再制造技术国防科技重点实验室基金资助项目
装甲兵工程学院材料科学与工程系院士基金资助项目
子切割枪的基础上改造而成
8~14m3h
-1
焰流热焓值很低l 枪送粉困难
l 两阳极间的中间绝缘体容易烧损l 枪体外部管路过多
因此, 决定在原有喷涂电源的基础上离子喷涂枪
其喷涂枪的性能也存在明显不足
而且焰流达不到超音速
更不便于实现机装作业
高效能超音速等
首先对配套系统进行了研制改造
８０电源相匹配
喷枪
送粉装置
冷却装置并带有计算机接口线路
传统的枪体由上枪体和下枪体及中间绝缘体组成
所以不但中间枪体部分冷却效果差
各部温差较大
高效能超音速等离子
由于把绝缘体装在枪体内腔中
就大大减少了枪体上的管路接头
增大可以缩
散热效果好
１０］
小气体流量获得超音
该喷涂枪2002年获得国家发明专利
高效能超音速等离子喷涂技术获得2002年军队科技进步一等奖
ë²Æø¼ÓµªÆø
µªÆø¼ÓÇâÆø
喷涂枪的枪体结构主要由两部分金属体了枪体的换热面积速等离子焰流的设计思想短压缩孔道的长度
01101077.0(1) (2) (4) 图
喷涂枪最大功率为80kW 最大总气体流量应小于6m 3.h -1喷涂层的结合强度大幅度提高
ÕâËÄÖÖÅäÆø·½°¸
图２ 高效能超音速等离子喷涂枪
图3 高效能超音速等离子喷涂射流
２ 高效能超音速等离子喷涂粒子速度测定
２．１ 测试设备
HEPJet高效能超音速等离子喷涂粒子速度是利用激光多普勒测速仪测试的
丹麦Dentec 的55X 二维发射系统和接收装置
丹麦DISA 的55L90 计数器和计算机自动采集系统等组成(见图
图4 激光测速系统
激光流速仪的原理是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息双散射的模式
数据通过采集板由计算机进行处理和存储
其算术平均值为该状态下粒子的平均速度
主要对喷枪喷涂的Al 2O 3粉末
过程中
180
电压180V
Ëùʾ
ÅçÍ¿¹¤ÒÕ²ÎÊý
功率／ｋＷ ６４．８
电流／Ａ ３６０
电压／Ｖ １８０
ｍ以下
60
试验120
Ａｒ流量／ｍ３ｈ－１
４．０
Ｈ２流量／ｍ３ｈ－１
０．２８
测试的粒子平均速度喷涂距离变化的测试结果如图
粒子速度／ｍ
１０％（Ｖ３）最大速度粒子的平均速度及最大速度(V4)随着
１４００ １２００ １０００ ８００ ６００ ４００ ２００
０
５０
１００
距离／ｍｍ
１５０ ２００ ２５０
图５ 粒子速度随距离的变化趋势
由试验可知
粒子越细
s -1
以上
s -1
在150 mm 喷涂距离内
10
30
最大速度粒子的速度也达到600 m.s -1
３ 高效能超音速等离子喷涂层性能研究
在试验中末的喷涂工艺参数
优化了Ni/Al
表２ ＨＥＰＪｅｔ高效能超音速等离子喷涂工艺参数
喷涂材料 喷涂功率/kW Ar 流量/m3h -1 H 2流量/m3h -1 喷涂距离/mm 送粉量/kgh-1 沉积效率/%
Ni/Al 粘结底层 30 3.6 0.15 150 2.9 73
Cr 2O 3 涂层 68 3.4 0.28 150 2.2 32.5
ZrO 2 涂层 64 3.4 0.26 150 2.0 36.9
12Co-WC 涂层 35 4.0 0.15 140 3.4 41
NiCr-Cr 3C 2 涂层
42 4.0 0.15 140 3.1 49
NiCr-Cr 3C 2ZrO 2五种粉
３．１ 喷涂层的孔隙率和结合强度
Ｂｏｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ／ＭＰａ
７０
６０ ５０ ４０ ３０ ２０ １０ ０
Al2O3 12Co-WC NiCr-Cr3C2
图６ 涂层孔隙率对比 图７ 涂层结合强度对比
高效能等离子喷涂能够明显改善陶瓷涂层的质量涂层和Metco 7M 等离子喷涂层的孔隙率和结合强度对比
７所示分别为高效能超音速等离子喷
涂层与基体的结合强度49.2 MPa, 而Metco 7M 等离子喷涂Al 2O 3 涂层的孔
隙率大于3%
结合强度均大于60 MPa３．２ 喷涂层的组织结构
高效能超音速等离子喷涂12Co-WC 和NiCr-Cr 3C 2涂层的
(a) HEPJet
高效能超音速等离子喷涂层
(b) METCO.7M普通等离子喷涂层
图8 等离子喷涂12Co-W C 涂层 (X1500)
图8是超音速等离子喷涂和普通等离子喷涂制备的12Co-WC 涂层的断面形貌
超音涂层
速等离子喷涂12Co-WC 涂层的涂层比较致密与基体之间的结合比较好
粒子熔化比较充分
(a) 涂层中的微晶结构 (a) 涂层中的纳米晶结构
图9 高效能超音速等离子喷涂Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２涂层
涂层主要由亚微米晶和纳米晶结构组成
喷涂粉末
实验表明， 同一纳米热
采用超音速等离子喷涂Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２喷涂粉制
表３ Ａｌ２０３／Ｔｉ０２纳米结构涂层的性能对比
硬度／ＨＶ 结合强度／ＭＰａ 相对耐磨性
超音速等离子喷涂
１１６６ ２９．４ １．１２
ＭＥＴＣＯ－９ＭＢ等离子喷涂
７１３ １１．４ １
备纳米结构涂层的性能比采用一般的等离子ＭＥＴＣＯ－９ＭＢ喷涂层的性能优异
４ 高效能超音速等离子喷涂经济性分析
将高效能超音速等离子喷涂的经济性与美国Ｐｌａｚｊｅｔ等离子喷涂相对比
节能成本分析对比如表４所示
主气流 （ｍｈ
３
－１
）
Ｎ２
１５．８
３．８
高效能超音速等离子喷枪在较低的功率
(
少的气体消耗(
与TAFA 公司PlazJet 高能高速等离子喷涂粒子速度
(2) 高效能超音速等离子喷涂枪制备的陶瓷涂层性能明显优于METCO.7M ¶øÓëPlazJet 高能高速等离子喷涂相当领域属突破性进展
喷涂1kg 的
Al 2O 3涂层的成本仅为后者的51%
ÕÅƽ
参 考 文 献
1 2
徐滨士Kawasaki A
等
Yuki M
Materials Transactions JIM.1996
3
廖恒成
孙永兴
5
Zhiping Wang
130~138
6 ７
朱胜编译
Ｓｈｅｎｇ ｚｈｕ， Ｗ． ｗｌｏｓｉｎｓｋｉ， Ｂｉｎｓｈｉ Ｘｕ
１９９７
８ ９
徐滨士何洪庆
７４２
１９０
３７￣４０ 1998
热喷涂技术
７￣９
国外热喷涂技术及应用
８￣１２
材料研究导报
１３（２）1999
28~31
1998
788~795
北京
1999
相当
这在等离子喷涂
ÂíÊÀÄþ
ÁºÖ¾½Ü
等离子喷涂技术的新进展．航空工艺技术
陕西
10 沈肖镇
11 王海军
作者简介
男
超音速等离子喷涂枪[1**********]2年3月10日
教授研究方向为维修工程再制造工程
梁秀兵
北京长辛店杜家坎
联系电话
Ｏ
２１号院士办公室
１０００７２