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超音速高能等离子喷涂的基本原理是利用专门设计的喷枪与喷嘴，一次或多次供入较高压力，大流量的工作气体，一级或多级喷嘴拉长电弧，使电弧受到强烈的压缩，从而得到能量密度非常高的超音速等离子射流。超音速高能等离子喷涂就是利用这种超音速等离子射流加热、加速喷涂材料而获得高质量涂层的工艺过程。
CYS系统主要由超音速高能等离子喷枪、多功能电、气控制柜、80kW高电压逆变电源、制冷机以及送粉器等组成。系统组成与连接分别如图1、图2所示。
图1 CYS系统组成
图2 CYS系统连接示意图
超音速高能等离子喷枪科学应用单阳极拉伐尔喷管技术，在较低能耗下得到了高能量密度、高稳定性的超音速等离子射流。采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案。依靠对电弧初始段的强烈压缩效应迫使阳极斑点前移来拉长电弧，实现对电弧区段的加速，突破了传统的双阳极结构逐级拉长电弧，对焰流区加速为主的方案，同时也避免了拉伐尔喷嘴型面直接作阳极而易烧喷嘴的难题，喷嘴工作稳定、寿命长。采用内送粉、双温区结构设计，可直接将喷涂粉末送到等离子焰流的不同温区，不但相对目前国内外通用的外送粉方式，有效提高了等离子弧热能利用率，提高了涂层沉积率，较好解决了普通内送粉喷枪易堵嘴的技术难题，而且可制备高熔点的氧化物陶瓷涂层、金属陶瓷涂层及低熔点的自熔合金涂层，还可制备易于高温失碳的碳化物涂层。喷枪结构紧凑、轻巧，重量功率比（G/W）小，便于装配、调节；性能稳定，电极和喷嘴使用寿命长，可维修性强，易损件更换容易；机动和手动操作互换方便，无需更换枪座。
1. 主要组件：
l 前枪体、枪座及内装的绝缘体
l 超音速等离子外装（B型）喷嘴
l 阴极体与铈钨合金阴极头
超音速高能等离子喷枪如图3所示。
图3 超音速高能等离子喷枪
2. 主要性能参数:
l *大使用功率：≤80 kW
l *大工作电压：170 V
l *大工作电流：500 A
l 主 气Ar：压力1.1-1.2MPa, 流量100-180 L/min
l 次 气H2：压力1.0-1.1MPa, 流量0-25 L/min
l 送粉气Ar：压力0.4-0.7MPa, 流量6-12 L/min
l 粒子速度：350-650 m/s
l 冷却水：压力0.7-1.0MPa，流量≥15 L/min
3.1.2 总控制柜
总控制柜是洛阳铭天再制造科技有限公司自行研制的超音速高能等离子喷涂系统专用的控制设备，具有布局合理，使用方便，性能稳定，安全可靠等突出优点。
总控制柜主要由三个部分组成：系统状态监测系统、气体流量控制系统和电气控制系统，总控制柜外貌如图4所示。
| 特点： 在国内率先研制成功由PLC（可编程控制器）、电磁阀、气动阀、2~4路质量流量计、数显表等组成的电气控制系统。采用PLC（可编程控制器）对超音速高能等离子喷涂的全过程实现时序自动控制，当设备需要增加功能时，将很方便地实现应用程序编制，并对系统状态进行在线监测。 采用触摸屏综合控制喷涂系统，并实时显示喷涂过程的故障原因，声光报警，使喷涂过程操作简单、安全可靠。 采用NECT和NFPA码安全控制，电器组件和气动组件隔离；电器组件柜维持一定的正压，保证电气元器件清洁、散热，运行安全可靠。 设置了“自动”和“手动”两种操作模式，可以制备单一涂层，也可以制备多层或梯度复合涂层。 |
图4 总控制柜 |
3.1.3 IGBT电源
IGBT电源是洛阳铭天再制造科技有限公司自行研制的超音速高能等离子喷涂系统专用电源，如图5所示。
| 特点： 2010年，在热喷涂领域率先开发、研制、应用具有自主知识产权的20kHz PWM全桥整流逆变技术（IGBT），解决了超音速等离子喷涂大功率（80 kW）、大电流（500A）、高工作电压（170V）、连续工作时间长和高频干扰强等技术难点。电源设有近控和远控功能，近控采用电源面板操控，远控由控制柜控制，内置高频引弧。采用风冷式热管散热器件，散热效果好。 性能参数 ² 恒流时精度 <1% ² 恒功率时精度 <5% ² *大输出电流 500A ² *高工作电压 170V ² *大功率 80 kW ² 负载持续率 100% |
图5 电源 |
3.1.4 送粉器
该送粉器是为超音速高能等离子喷涂系统专配的重要部件，其外貌如图6所示。
| 特点： 该送粉器内部承压高。在控制方面采用了电子调速、可控硅控制调节盛粉桶振幅、电子显示、液晶显示等电子技术。送粉器既可和主控制柜联动，也可以单独使用。 性能参数 ² 送粉距离 15 m ² 送粉粒度 0.02-0.2mm ² *送粉速率 200 g/min ² 送粉精度 ±2% |
图6 送粉器 |
3.1.5 制冷循环式热交换机
制冷循环式热交换机是超音速高能等离子喷涂系统专配的重要部件，其外貌如图7所示。
| 特点： 针对CYS产生的热量和对冷却水温度精度要求高的特点，机组内配有较大容量的不锈钢水箱，增加了系统本身的蓄水量，减少了压缩机的启动频率。风冷式冷水机组采用多台谷轮全封闭压缩机、瑞典阿伐拉法热交换器、进口水泵。机组运行时噪音低，运行可靠，节能效果显著。电脑全自动控制。机组使用方便，安全可靠，能够较好的满足喷枪按设定温度冷却的需要。 性能参数： ² 制冷量 25kW-30kW ² 电源 380V，50HZ ² 环境温度 ≤35℃ ² 出水温度 10℃~35℃可调，上下限温度值±1℃可调 ² 压缩机电机 3.75 kW×2，2900 rpm ² 水泵电机 1.1 kW×2，2900 rpm ² 风机电机 0.55 kW×2，2900 rpm ² 使用工质 R22 ² 外型尺寸 1600mm长×1080mm宽×1920mm高 ² 机组重量 400 kg（25kW） |
图7 制冷循环式热交换机 |
水质要求（去离子水）：
l PH值范围（25℃） 5.0-7.5
l 可氧化物质（以（O）计） <0.4 mg/L
l 导电率（25℃） ≤0.50 mS/m
l 蒸发残渣（105±2℃） ≤2.0 mg/L
4. 喷涂辅助系统
4.1 喷涂房+除尘系统
热喷涂作业会产生高达130分贝以上的噪音，无论对操作人员还是整个车间都会产生严重噪音污染。因此，超音速高能等离子喷涂系统必须在专**业设计的喷涂隔音房中工作。再制造重点实验室自主设计的喷涂隔音房技术参数如下：
l 隔音房内设备噪声大于130dBA，要求距隔音房1米处噪声≤80dBA
l 隔音房尺寸为4000(长)mm×3500(宽)mm×3000(高)mm
l 隔音墙面采用多重隔音材料叠加而成，内壁采用多孔镀锌钢板，铺有防火玻璃钎维布
l 隔音房的照度300lux，其照明需设备防爆
l 喷涂房内外预留用于安装管线的通孔
喷涂房通风除尘系统包括吸、排尘管道、干式脉冲滤筒式除尘器、风机等，总处理风量大于8000 m3/h。
l 滤筒式除尘器：除尘单元集空气动力分离与滤芯除尘新技术于一体，每个单元内设有一组垂直布置的锥形空气动力分离器（一级除尘）及分层布置的滤芯除尘器（二级除尘），一级除尘效率90%，二级除尘效率99%，带清理灰桶及小车，尾气排放远低于国家排放标准所规定的120 mg/m³。
l 高精密滤筒：高**效虑筒，结构紧凑，过滤面积是布袋除尘器过滤面积的30倍。可以捕捉0.5微米的极细尘粒，且表面光滑，不会粘附粉尘，更不会使粉尘渗透到滤材内部，实现表面过滤。同时，可以使积聚在滤材表面的粉尘在压缩空气反向脉冲的清灰过程中容易脱落。从而获得较高的过滤效率、较长的使用寿命和较低的运行成本。
4.2 气体供给系统（空压机选配）
气体供给系统主要为超音速高能等离子喷涂系统提供压缩空气、主气（Ar）和辅气（H2），压缩空气由压缩机产生，为满足系统工作要求，用户需配有空气压缩机。
5. 安装场地需求（甲方准备）
（1）水准备：制冷循环式热交换机需用去离子水。
l 数量：1000 L；
l 水质：去离子水（见3.1.3节中热交换机水质要求部分）。
（2）电准备：总配电容量250 kVA
l 配电箱安装至乙方指定位置，距离地面1m高
l 配电箱内设置：总空开（刀闸开关）630A；二级空开共2个，均为3相5线，分别：1个400A， 1个120A。
（3）气体准备：包括H2、Ar、空气等，具体为：
l H2：6瓶；Ar：15瓶。
l 用户需提供至少流量3m³/min、压力0.8MPa的压缩空气。
（4）砂料准备：20#白刚玉砂1吨。
6. 典型涂层性能
表1 超音速高能等离子喷涂系统制备的几种典型涂层性能
涂层材料 | 涂层性能 | |||
结合强度 (MPa) | 孔隙率 (%) | 显微硬度 (HV0.3) | 备注 | |
Al2O3 | 25~33 | <2.5% | 900~1100 | 1. 涂层的具体性能可参考附件近年来发表的相关论文。 2. 随着近年来CYS系统的喷枪、控制柜和电源等部件改进和升级，部分涂层性能相对已发布论文中的数据有所提高。 3. 因涂层材料的厂家和生产批次不同，部分涂层性能数据会有一些浮动。 |
WC-12Co | 50~65 | <2% | 950~1150 | |
Cr2O3 | 28~35 | <1.5% | 1000~1300 | |
NiCr-Cr2C3 | 60~70 | <1% | 950~1000 | |
Ti | 45~55 | <2% | 200~350 | |
Fe基非晶 | 50~60 | <1% | 800~950 | |
Al2O3+40%TiO2 | 30~40 | <2% | 850~950 | |
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