一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺制造技术

本发明专利技术属于金属喷涂技术领域，提供了一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，该工艺采用阴极中心送粉的单阴极模式，将金属粉末和气体通过阴极的中心通道进入阳极的放电通道内；并在阳极外套设有隔热外套，放电通道内带有稳态纵向磁场；电弧喷涂过程中，阳极的内壁温度为1650

A plasma metallurgical melting spraying process with central powder feeding of magnetic rotating arc cathode

【技术实现步骤摘要】
一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺


[0001]本专利技术属于金属喷涂
，具体地说，涉及一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺。

技术介绍

[0002]在一些产业应用中，需要在一些基体金属材料的表面喷涂钛合金材料，来提高基体材料的抗腐蚀和耐高温的性能。
[0003]常用的涂层方式包括电镀、等离子喷涂等。然而，采用电化学的电镀方式，会不可避免地将氢带入到镀层中。在高温下，氢从钛金属晶格中逸出形成氢气分子，其体积增大数十倍，易造成钛合金表面出现鼓泡和裂纹，从而损伤钛合金镀层的性能；采用等离子体喷涂钛合金到基体金属材料表面，一般只是将钛合金液滴在基地金属材料的表面进行凝固，形成机械咬合的表面结合，其结合强度不高，钛合金涂层容易脱落，达不到强化基底金属材料表面的目的。
[0004]目前，采用三枪并束，中心送粉的模式，可以将金属粉末在电弧阳极通道内被电弧束流熔融和加速，从而使喷射出的钛合金液滴的定向速度达到2000m/s。钛合金液滴的动能在喷射到基体金属材料表面时被转化成熔融基体金属材料表面的热能，从而使钛合金液滴与熔融金属表面形成冶金熔融结合的强结合镀层。然而，采用上述方式，整个电弧阴阳极结构较为庞大，使得处理较小空间变得极为困难。
[0005]因此，专利技术一种能够达到冶金熔融结合的技术要求，结构简洁的喷涂方式成为了目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中上述的不足，本专利技术的目的在于提供了一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，该工艺能够造成金属表面截面积约为液滴截面积、深度约为10um的材料层瞬态熔融与喷涂金属粉末液滴形成冶金熔融结合，这样形成的冶金熔融镀层的抗拉强度可达600MPa，远远超过普通等离子体喷涂工艺所形成的机械咬合镀层。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的解决方案是：
[0008]本专利技术提供了一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，包括：在阴极中心开孔，金属粉末和气体通过阴极的中心通道进入阳极的放电通道内；阳极套设有隔热外套，放电通道内带有感应强度为300
‑
500Gs的稳态纵向磁场；电弧喷涂过程中，阳极的内壁温度为1650
‑
1700℃；被镀金属基体处于10
‑
1000Pa；在被镀金属基体与阳极间施加正向电压，以使金属带电液滴的速度为2000
‑
2500m/s。
[0009]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，阴极的制作材料采用钨，阳极的制作材料采用钨铜合金。
[0010]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，钨铜合金中的铜含量为8％
‑
12％。
[0011]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，隔热外套的制作材料采用陶瓷。
[0012]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，通过在阳极和隔热外套之间通入冷水用以控制内壁的温度和陶瓷的温度。
[0013]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，通过在隔热外套外增加螺旋管状直流电磁线圈用以提供稳态纵向磁场。
[0014]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，阳极的长度为24
‑
26cm。
[0015]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，阳极的端口距离被镀金属为0.08
‑
0.12m。
[0016]进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，金属粉末的直径小于等于5um。
[0017]本专利技术提供的该种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺的有益效果是：
[0018]首先，本申请采用阴极中心送粉模式来达到将金属粉末送入阳极通道内被电弧束流熔融和加速；
[0019]接着，配合在中空的阴极与阳极间放电形成电弧电流柱，通过施加纵向磁场驱使电弧电流围绕轴向旋转，使得电流柱在中间空心的阴极放电圆环上旋转滑动，电流柱在阳极内壁上旋转滑动，这样的电弧放电模式电弧阴极圆环和阳极内壁的受热较为均匀，大幅降低金属粉末在阳极通道壁面的沾粘、堆积和冷凝，延长电弧的寿命。
[0020]再接着，合金粉末在阳极通道内受到电弧羽流的加热熔融，并且液滴表面带有负电荷，随着羽流喷射出阳极，辅以在电弧阳极与被镀金属基体间施加正向电压来形成转移弧，带负电的合金液滴受到转移电场的加速，能够以达到2000m/s以上的速度撞击被镀金属基体。
[0021]同时，控制被镀金属基体处于10
‑
1000Pa的低气压，电弧羽流喷射出阳极通道后在低气压环境中柱径增大，气体密度降低，所携带的热流密度大幅降低，对基体金属材料表面的加热效率降低，以使基体熔融深度不至于过深，对金属基体的整体热性能不产生损伤性改变，如热变形和热相变等。
[0022]本申请通过上述改进，合金液滴的动能转化成熔融基体金属的热能，基体熔融深度在10um左右，与液滴合金颗粒形成冶金熔融结合的表面镀层，最终形成的冶金熔融镀层的抗拉强度可达600MPa，远远超过普通等离子体喷涂工艺所形成的机械咬合镀层。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0024]以下结合实施例对本专利技术的特征和性能作进一步的详细描述。
[0025]实施例1
[0026]本实施例提供了一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，包括：
[0027]通常的电弧是由尖锥型阴极和圆筒型阳极构成的，阴阳极间的气体放电形成等离子体，等离子体的电导率远远大于气体的电导率，因而在阴极尖锥表面形成等离子体鞘层。等离子体鞘层的厚度一般约为10λ
D
，其中λ
D
是等离子体德拜半径。电弧磁化等离子体的电子
密度约为10
18
m
‑3，电子温度约为10eV，等离子体的德拜半径：
[0028][0029]因此鞘层的厚度约为235um。电弧阴阳极施加的电压约为100V，鞘层间的电场强度约为E＝V/H＝100/(2.35
×
10
‑4)＝4.3
×
105(V/m)，电场能够在阴极金属上产生场致电子发射，并加速电子达到50eV。加速后的电子碰撞气体分子，产生电离。气体雪崩电离形成等离子体，维持电弧的持续放电。如果电弧的功率约为50kW，电弧的电流约为500A。
[0030]如果需要阴极中心送粉和气体，存在以下技术困难：
[0031]阴极的横截面变成圆环形状，在常规的电弧放电过程中，圆环的某一弧段，因偶然因素造成气体击穿，形成电流通道，在阴极的这一弧段形成阴极斑点，随着电弧的持续放电，阴极斑点处的电阻不断增加，电流在阴极斑点处沉积的热量也不断增加，造成阴极斑点处的热烧蚀。同样的原因，在阳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，其特征在于：包括：在阴极中心开孔，金属粉末和气体通过所述阴极的中心通道进入阳极的放电通道内；所述阳极套设有隔热外套，所述放电通道内带有感应强度为300
‑
500Gs的稳态纵向磁场；电弧喷涂过程中，所述阳极的内壁温度为1650
‑
1700℃；被镀金属基体处于10
‑
1000Pa；在所述被镀金属基体与所述阳极间施加正向电压，以使金属带电液滴的速度为2000
‑
2500m/s。2.根据权利要求1所述的磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，其特征在于：所述阴极的制作材料采用钨，所述阳极的制作材料采用钨铜合金。3.根据权利要求2所述的磁旋转电弧阴极中心送粉等离子体冶金熔融喷涂工艺，其特征在于：所述钨铜合金中的铜含量为8％
‑
12％。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华，马太华，施可敏，曾毅，李林，李本南，
申请(专利权)人：四川真火等离子研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：