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水稳等离子喷涂(WSP)的特点与应用

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水稳喷涂是占据重要地位的气稳等离子喷涂的另一种选择。它的优点突出:功率大、成本低、喷涂速度高。在热喷涂技术向大产值和大批量迈进的形势下,这项技术开始受到更多的重视和应用。

早在八十年前,德国公司的技术人员就提出了水稳等离子弧的概念。尽管人们对这种电弧形式已认识很久,但对其性能及对该电弧工艺的控制却知之甚少。上世纪50年代,欧洲的科学家对该项技术进行了大量的实验室研究,60年代末,水稳等离子工艺被最终用于切割和热喷涂。目前,水稳等离子已成功地推向市场,应用于多种工业领域。

气稳等离子喷涂(非转移弧)所能提供的温度通常为8000°C ? 14000°C,每公斤等离子气所产生的焓值大体为1 ~ 100MJ/Kg。由于弧室壁的热载荷的限制,提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的,从而能够提供更高的温度及热焓。

迄今,市场上可提供的水稳等离子,其功率可达120 ~ 200Kw,最大温度可达50000度,每小时可喷涂近100公斤金属,30-60公斤粉。

二、工作原理

水稳等离子弧产生的基本原理如图1所示。首先,水呈切线方向注入弧室从而产生水漩涡,起弧便发生在水漩涡的中心。水漩涡内径的部分流入了出水孔。传导弧心所散发的能量通过辐射、热传导和紊流导入水涡流的内侧。于是,水的蒸发、热气的受热与电离便产生等离子弧。水蒸发的速度与到达水面的功率大小有关。其它所转移的能量被弧束与水表面之间的蒸气所吸收,并产生热量进而使蒸气电离。当然,一部分热能也随水而流走。

三、 水稳等离子(LP)的特点

当前工业上所采用的典型的水稳等离子(LP)喷涂设备是捷克拉格等离子物理研究所指导开发的L160型。该系统是由特殊形状的腔室、旋转冷却的阳极和自耗石墨阴极构成。系统的核心是阴阳两极之间的起弧过程,起弧是靠切线方向输入的水流中央的金属丝打火所引发。该过程依靠外层水流来冷却腔壁,而不必象气稳等离子弧那样,需要两套独立的工艺?稳弧与冷却。但水稳等离子弧工艺具有弧焰不太稳定,电极易腐蚀等缺点。

很明显,气稳等离子弧(GP)适用于对喷涂质量要求高、喷涂面积小、工艺精细的作业,喷涂材料一般较为特殊、价格较昂贵;而水稳等离子喷涂(LP)则是用于大面积、高速率作业,尤其适用于批量喷涂氧化物材料,对于大量生产球形材料也是最佳的选择。

四、水稳(LP)和气稳等离子(GP)喷涂优缺点的比较

气稳等离子(GP)喷涂

优点:

缺点: 载气价格昂贵 两种介质体系(稳弧及冷却) 喷涂速率小 对喷涂材料质量要求高

水稳等离子(LP)喷涂

优点: 高功率、高能量,最高可达200Kw以上 高喷涂速率,喷涂粉可达100公斤/小时 喷涂介质只采用单一的自来水,简单、经济 等离子体中只有O和H原子 可喷涂低质廉价的粉末

缺点: 机械构造和起弧较复杂 电极易腐蚀 稳定性较差

五、应用

在德国,水稳等离子喷涂主要应用于自由放置零件的生产;在美国,用于生产金属作业的棒,在俄罗斯,主要用于采矿和石油工业所用的耐磨工件。

一直以来人们普遍认为水稳等离子是一种容易氧化的喷涂工艺,所以对该工艺一般持较为保守的态度,并一直只用水稳等离子来喷涂氧化物陶瓷粉末。现已证明事实并非如此,氧化其实发生在载气在送粉过程中所起的反应,所以说,水稳等离子可喷涂任何的材料。

目前,有三家捷克的公司一直在用水稳等离子喷涂设备喷涂罗拉件、叶片、部件等等。最成功的实例当属用于喷涂电炉石墨电极④;在工业中,喷涂ZrSiO4能够大大延长搅拌器和进料器的使用寿命;还有一项典型的应用便是生产球形粉末材料,因为它效率极高。