新疆大学毕业论文（设计）

(2) 内送粉方式

内送粉就是在喷嘴内部将喷涂粉末垂直的或以某一角度吹入等离子炬中，如图2-3所示。典型的如PRAXAIR一TAFA公司的SG一100型号。这种送粉方法具有明显的优点：粉末在喷枪中飞行时间长，因此粉末能够得到充分的加热，粉末受热变软充分，粉末喷射速度也得到提高，所以提高了粉末的沉积率；由于内送粉较高的热效率，可以节省大量能源。配合拉瓦尔喷嘴的运用，喷枪的热效率再次得到提高[14]。同时，利用PLC对喷涂系统进行控制,喷涂系统的生产效率和自动化程度得到提高，适合于大批量的工业生产。基于内送粉的这些优点，积极发展内送粉方式，使之能够成熟的推向市场。当然，这种方法也有它的缺点：由于冷的送粉气体吹入高温的等离子炬中，喷枪内会产生强烈的紊流，从而会使粉末轨迹与等离子炬轨迹在喷嘴出口处产生偏离，对喷涂造成不利的影响。此外，熔化的粉末在喷嘴内壁上的沉积，会造成喷嘴的阻塞。

内送粉位置冷却水出口工作气体阴极工作气体冷却水入口等离子射流-阳极内送粉位置+图 2-3 内送粉喷枪示意图

(3) 轴向送粉方式

理论上轴向送粉方式效果最好，可是会与阴极的位置冲突,因为阴极也在轴线位置，同时轴向送粉还存在突出的间题：轴向送粉更容易造成喷嘴阻塞，大大降低喷枪的使用寿命，提高了喷涂成本。轴向送粉喷枪示意图如图2-4所示。如装甲兵工程学院自行研制的WZP一1型轴向送粉式等离子喷涂枪[14]。该喷枪喷涂功率远小于普通等离子喷涂枪，而沉积效率高于普通等离子喷涂枪。这是由于陶瓷粉末在轴向送粉式等离子射流中运行时间较长，使粉末能有足够的时间在喷枪内充分熔化和加速，这显著的提高了沉积效率。

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冷却水出口工作气体轴向送粉位置阴极轴向送粉位置工作气体冷却水入口等离子射流-阳极+图 2-4 轴向送粉喷枪示意图

总体来看，目前由于外送粉方式最先兴起，国内外的喷涂研究在外送粉方式上时间比较长，外送粉方式己经发展的比较成熟；内送粉方式起步比较晚，还有许多缺点和局限有待于克服，现在仅仅应用在航空航天等高科技产品的生产加工上；轴向送粉更是停留在试验阶段，还有很多技术难题有待解决[2]。

经过对各类送粉方式的比较，内送粉方式的优点仍十分显著：粉末在喷枪中飞行时间长，所以粉末加热时间长、速度增加的快、粉末受热变软充分等，所以粉末的沉积率高；同时内送粉的热效率很高，可以节省能源，降低生产成本。配合拉瓦尔喷嘴的运用，可以大幅度提高喷枪的热效率。用PLC对喷涂系统进行控制,喷涂系统的生产效率和自动化程度得到提高，能够实现大批量的工业生产。基于内送粉的这些优点，我们设计的喷枪的送粉方式选择为内送粉方式。

2.4.2 送气方式的选择

送气一般可以分为切向送气和径向送气两种送气方式，如图2-5所示。切向送气是指气体经一个或多个切向气道送入，气流围绕着喷嘴孔道的轴线形成的旋涡，低压区在喷嘴孔道的中心形成，有利于在孔道中心产生稳定的弧柱；径向送气时气流将沿弧柱轴向流动，弧柱的形成主要依赖于喷嘴的内腔形状，不利于弧柱的稳定与压缩。经相关实验研究结果表明，切向送气的弧柱压缩程度比径向送气的弧柱较高一些。[6]为使气体能够沿切向进入喷枪气道，设计出一种能够改变气体流动方向的装置——气体分配环，如图2-6所示。

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(1)切向进气方式(2)径向进气方式图 2-5 不同进气方式简图

进气孔

图 2-6 气体分配环剖视图

2.4.3 阳极（喷嘴）形状的选择

常用导电性好的纯铜或耐温高的金属来制作喷嘴，通常也可以把管状的高熔点合金镶嵌在铜喷嘴内，如钨合金等。喷嘴的几何形状不但决定着等离子射流的性能还直接影响喷涂粉末的状态和材料的利用率，进而影响着喷涂成本与喷涂涂层质量。目前普遍使用的喷嘴结构形式大体有五种：圆柱型喷嘴、收敛-扩张型（锥形）喷嘴、Laval喷嘴、钟型喷嘴和阶梯喷嘴[5]。如图2-7所示。

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(1)圆柱形喷嘴(2)收敛-扩张型（锥型）喷嘴(3)Laval喷嘴dD(4)钟形喷嘴(5)梯形喷嘴

图 2-7 常见喷嘴结构示意图

经过对各种喷嘴进行分析比较，我们发现，圆柱型喷嘴、收敛一扩张型喷嘴和钟型喷嘴都是传统喷嘴，虽然结构简单、加工容易，但各自本身仍然存在着很多的问题：圆孔型喷嘴在喷涂工作时，会使喷嘴内壁产生过高的温度，从而缩短喷枪的使用寿命；由于锥形发散的特点，收敛一扩张型喷嘴在出口处会产生一定分量不平行于喷嘴轴线的动态射流，这些轨迹发散的射流，会使得包含其中的一些粉末飞出等离子射流弧区或者降低其飞行速度，从而降低了粉末沉积率，影响喷涂涂层的质量；钟型喷嘴十分容易发生堵粉现象，不适合用于内送粉方式等[15]。喷涂效果最好的喷嘴是拉瓦尔(Laval)喷嘴，其设计理论来自Laval原理，不过加工起来很复杂，考虑到加工条件的经济性，本设计选择使用阶梯喷嘴。

梯形喷嘴是Laval喷嘴的简化，经试验研究表明，梯形喷嘴有着和Laval喷嘴相似的性能。在梯形喷嘴型面内产生的等离子射流，在喷口处形成的超音速层流，这种层流方向性很强，不会发生粉末飞出喷射流的情况，从而对粉末的加热更均匀，环境气氛对喷涂粉末影响也小。射流的膨胀为理想膨胀，消除了激波和膨胀扇面，与传统的喷嘴相比有更低的飞粉率，并且梯形喷嘴结构简单，比Laval喷嘴加工方便。因此，应用梯形喷嘴能够很好的降低喷涂成本、提高喷涂涂层质量[4]。

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