自制等離子噴槍冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試

■ 陳永澎 余德平 李凱 郭雙全 羅春/成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司 四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

隨著熱障涂層等離子噴涂技術(shù)在航空領(lǐng)域的快速發(fā)展和應(yīng)用，該技術(shù)受到了許多國(guó)家的高度重視。美國(guó)JT3D發(fā)動(dòng)機(jī)有44種269個(gè)零件采用了等離子噴涂工藝，涂層材料包括Al2O3、CrC和Ni/Al等[1]。目前掌握等離子噴涂設(shè)備研制技術(shù)的廠商多為國(guó)外廠家，如美國(guó)的Miller公司和Metco公司、瑞士的Cashin公司等[2]，國(guó)內(nèi)這方面能力略顯不足。

在整個(gè)等離子噴涂設(shè)備系統(tǒng)中，等離子噴槍（通常稱為電弧等離子體炬、等離子體發(fā)生器）是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)和選用直接影響噴涂能否正常進(jìn)行以及所制備涂層質(zhì)量的優(yōu)劣[3]。等離子噴涂設(shè)備正朝著大功率小型化、噴涂過(guò)程智能化和等離子噴槍高效大功率化方向發(fā)展，隨著功率的提高，將出現(xiàn)許多新的問(wèn)題，如模塊的損耗增加、整個(gè)逆變器的功耗增加、噴槍冷卻負(fù)擔(dān)重等[4]。等離子噴槍的研究重點(diǎn)多為噴嘴（陽(yáng)極）和陰極，對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究甚少。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于等離子噴槍冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究主要有：周律等人[5]在其雙陽(yáng)極等離子噴槍設(shè)計(jì)中，對(duì)等離子噴槍進(jìn)行一體式水冷設(shè)計(jì)，采用三只氟橡膠密封圈進(jìn)行密封，解決了設(shè)計(jì)等離子噴槍統(tǒng)一水冷的兩陽(yáng)極間的絕緣密封問(wèn)題；黃明浩等人[6]在送粉等離子噴涂槍的設(shè)計(jì)中，采用了循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)，并對(duì)等離子噴槍冷卻水路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和散熱效率的計(jì)算，通過(guò)數(shù)值模擬，得出該結(jié)構(gòu)可提高噴涂槍沉積率和熱效率的結(jié)論；林貴寶[7]在專用等離子小內(nèi)孔噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)溫控和冷卻水流量的計(jì)算反算出散熱面積尺寸，并對(duì)進(jìn)氣形式和冷卻水流動(dòng)方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

在上述等離子噴槍冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)道中，很少有學(xué)者對(duì)噴槍的密封性和冷卻水流動(dòng)方式進(jìn)行詳細(xì)的介紹，且大部分噴槍的設(shè)計(jì)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，鮮有關(guān)于噴槍冷卻系統(tǒng)噴涂試驗(yàn)驗(yàn)證的報(bào)道。本文在自制噴槍的基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了該噴槍的密封性和冷卻水通道，并對(duì)冷卻水流量的大小進(jìn)行校核；制作出實(shí)物，進(jìn)行流量測(cè)試、點(diǎn)火測(cè)試和噴涂測(cè)試，以期為未來(lái)大功率等離子噴槍的制造、維修提供理論支持和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造

1.1 水、氣密封的設(shè)計(jì)

1）密封材料的選擇

噴槍水、氣密封對(duì)于噴槍的正常工作具有決定性的作用。如果密封失效，冷卻水極易進(jìn)入高溫的等離子弧區(qū)而產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，易造成噴嘴和陰極的損壞，甚至造成爆炸等極危險(xiǎn)情況。密封設(shè)計(jì)時(shí)需考慮：為防止在高溫下失效，密封件應(yīng)遠(yuǎn)離高溫區(qū)；由于噴槍的陰極、陽(yáng)極是經(jīng)常更換的部件，故密封整體設(shè)計(jì)應(yīng)方便拆卸更換。綜合考慮上述問(wèn)題，結(jié)合噴槍零部件的形狀（圓柱形）、密封方式（噴槍為靜密封）等，選用O形密封圈密封。由于本次密封為靜密封且介質(zhì)為水與氣，故在選擇密封圈材料時(shí)需考慮壓力和溫度的特殊要求。表1為常用O形圈材料及其使用范圍，根據(jù)表1內(nèi)容，選用綜合性能良好的氟橡膠材料O型圈。

2）噴槍密封件示意

等離子噴槍噴嘴在幾千攝氏度的工況下工作，為使其能正常工作，冷卻水的供給及等離子氣體的密封性尤為關(guān)鍵。利用密封能將水、氣路進(jìn)行分割，為噴槍正常工作提供必要條件。圖1為噴槍密封示意。

從圖1可以看出，噴槍利用O形密封圈進(jìn)行水、氣密封及隔離。由于O形密封圈為主要密封件，故在每次拆裝過(guò)程中都必須涂抹潤(rùn)滑脂進(jìn)行裝配，以避免O形密封圈損壞造成密封失效，從而導(dǎo)致噴槍燒損甚至爆炸。

1.2 水道頭的設(shè)計(jì)

1）噴嘴水冷卻通道的設(shè)計(jì)

由于對(duì)噴嘴的冷卻不僅保護(hù)其在超高溫下能夠正常工作，同時(shí)還有對(duì)電弧進(jìn)行熱壓縮的效應(yīng)，因此噴嘴的冷卻效果對(duì)噴槍工作時(shí)的穩(wěn)定性和使用壽命至關(guān)重要?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面選擇冷卻方式。

a.噴嘴材質(zhì)。為了在短時(shí)間內(nèi)使熱量快速交換，必須選用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬。銀和純銅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他金屬，考慮制造成本，選取純銅（T4）作為噴嘴材料。

b.噴嘴水冷卻通道。由于采取較薄的壁厚，噴嘴受到水冷和等離子體高溫作用時(shí)，易產(chǎn)生變形、被擊穿。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇水冷壁厚最薄處為2.5mm。因 壁 厚 較 薄， 根 據(jù) 公 式δ=pd/2δp和δp=δb/n，對(duì)壁厚的可靠性進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)證。式中，δ為壁厚；p為工作壓力；δp為許用壓力；δb為抗拉強(qiáng)度；n為安全系數(shù)，當(dāng)P＜7MPa時(shí)，n=8；當(dāng)P≤17.5MPa時(shí)，n=6；當(dāng)P＞17.5MPa時(shí)，n=4。

表1 O形圈材料及其使用范圍[8]

圖1 噴槍密封示意圖

圖2 水道頭結(jié)構(gòu)圖

又因，管路壓力為0.8～1.4MPa，銅的抗拉強(qiáng)度為370～420MPa，d=5mm，根據(jù)以上公式推算，壁厚δ≥0.4mm。因此，2.5mm以上的壁厚完全滿足需求。

2）水道頭的設(shè)計(jì)和制造

水道頭是安裝噴槍噴嘴、陰極、電極柱、絕緣件等部分的安裝座。在整個(gè)噴槍系統(tǒng)中承擔(dān)著水、電、氣路線走向的關(guān)鍵作用。作為安裝座，其相關(guān)尺寸必須滿足組裝所需的要求。根據(jù)噴槍設(shè)計(jì)原理，冷卻水不僅能避免冷卻噴嘴燒損，而且還起到對(duì)自由電弧熱收縮的作用[9]。水道頭在冷卻水循環(huán)中起到關(guān)鍵作用，內(nèi)部管路尺寸必須符合冷卻水流量的需求。電極柱進(jìn)水通道的截面積為33.16mm2，為了不阻礙冷卻水，設(shè)計(jì)12個(gè)φ2小孔作為回水通道，截面積為37.866mm2，大于進(jìn)水通道截面積，滿足要求。在材料選擇方面，選擇機(jī)械加工性能突出的錫青銅。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，借鑒現(xiàn)有水道頭的圓柱形結(jié)構(gòu)，規(guī)劃了水、氣線路走向。圖2、圖3為水道頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙和實(shí)物圖。

圖3 水道頭實(shí)物圖

1.3 隔流環(huán)的設(shè)計(jì)和制造

為了防止在水循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生“死水區(qū)”，在噴嘴和水道頭之間利用隔流環(huán)對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行區(qū)分。因無(wú)特殊要求，故選擇常見(jiàn)的黃銅（H62）進(jìn)行加工。圖4為隔流環(huán)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。

圖4 隔流環(huán)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

1.4 噴槍冷卻水路分析

圖5為噴槍冷卻水路走向，充分利用噴槍整體為圓柱形的特點(diǎn)，在前絕緣體、水道頭、電極柱等加工斜孔處設(shè)計(jì)體積小但冷卻充分的水路。

從圖5可以看出，冷卻水從電極柱內(nèi)部通道進(jìn)入，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流管由電極安裝座斜孔流出后進(jìn)入前絕緣座與水道頭之間的間隙。由于水道頭內(nèi)部為圓柱形，在另外一側(cè)設(shè)計(jì)斜孔，引導(dǎo)冷卻水進(jìn)入噴嘴冷卻環(huán)內(nèi)，起到冷卻噴嘴并壓縮電弧的作用。冷卻水通過(guò)隔流環(huán)充分冷卻噴嘴后，再次由水道頭斜孔引導(dǎo)流出并進(jìn)入外部的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)水循環(huán)系統(tǒng)冷卻后，冷卻水再次進(jìn)入電極柱內(nèi)部通道形成冷卻循環(huán)，為噴槍正常工作提供保障。

2 冷卻水流量的校核

等離子噴槍在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，一部分用于噴涂粉末加熱，制備涂層；另一部分則以損耗的方式產(chǎn)生熱量，對(duì)陰、陽(yáng)極加熱。為了保證噴槍的正常工作，必須對(duì)冷卻水流量進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算，為整體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)流體力學(xué)公式，流體的相關(guān)重量流量可按照公式w=μ·A·（2Δρ/ρ）1/2計(jì)算[10]，式中，μ為條件參數(shù)，與閥門(mén)、管子的形狀有關(guān)，通常取0.6～0.65；A為噴嘴水冷孔道截面積，單位m2；Δρ為通過(guò)管子前后的壓力差，單位Pa；ρ為冷卻水密度，單位kg/m3。從上述公式可知，冷卻水流量的大小與冷卻水壓力成正比。

按照工廠設(shè)備使用要求，一般噴槍冷卻水溫度不得超過(guò)50℃。一般通過(guò)風(fēng)冷機(jī)冷卻后進(jìn)入噴槍的水溫約為25℃（298K），允許冷卻水溫升到50℃（323K）。根據(jù)焦耳定律，等離子噴槍在45kW左右條件下轉(zhuǎn)化成的熱量為Q1=0.24·U·I·t，即在單位時(shí)間內(nèi)45kW的噴槍產(chǎn)生的熱量為 0.24×45000=10800K， 但 由 于 產(chǎn)生熱量存在一定的損失，此損失即為對(duì)冷卻水做功產(chǎn)生的熱消耗，即乘以相應(yīng)的熱效率系數(shù)，此處選擇熱效率η=0.8，則用于提高水溫的單位時(shí)間內(nèi)的熱量為Q2=Q1·（1-η）·t=2160K；為了使出口溫度不超過(guò)許用溫度，相應(yīng)需要的單位時(shí)間內(nèi)冷卻水質(zhì)量流量為W=Q2/（C·ΔT·ρ），式中，ΔT為冷卻水的溫升，C為冷卻水的比熱，ρ為冷卻水密度。計(jì)算得到，水的溫升不超過(guò)5.9℃，滿足要求。

3 等離子噴槍性能測(cè)試

3.1 啟動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)所設(shè)計(jì)制造的噴槍進(jìn)行了組裝并安裝在機(jī)械手上，如圖6所示。

同時(shí)，進(jìn)行水、氣密封試驗(yàn)。在入口壓力為0.8～0.9MPa的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，持續(xù)運(yùn)行60min，檢查未發(fā)現(xiàn)任何噴嘴、接頭及內(nèi)部的冷卻水滲漏現(xiàn)象，表明等離子噴槍水路結(jié)構(gòu)配合緊密。觀察水循環(huán)系統(tǒng)的流量表，顯示持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中水流量一直保持在6～6.3GPM（22～26L/min），表明等離子噴槍內(nèi)部水路設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行暢通。

圖5 噴槍冷卻水路示意圖

圖6 噴槍組裝圖

對(duì)噴槍進(jìn)行高頻點(diǎn)火測(cè)試。透過(guò)反光鏡可以看到明顯的高頻點(diǎn)火火花，表明噴槍電路正常，可以進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)。按如下條件進(jìn)行空點(diǎn)火試驗(yàn)：等離子氣種類為Ar；等離子氣流量為120 SCFH；電流為320A；氫氣流量為0。經(jīng)過(guò)16次點(diǎn)火-設(shè)備關(guān)閉-重新點(diǎn)火測(cè)試循環(huán)，點(diǎn)火成功率為100%，表明噴槍工作正常，初步滿足制備DVM熱障涂層的要求。由于制備DVM熱障涂層時(shí)要求等離子氣體有很高的熱焓值，需將常規(guī)氬氣改為氮?dú)獠⒒旌线m量的氫氣作為等離子氣，并進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，點(diǎn)火成功率100%，表明設(shè)計(jì)制作的噴槍普適性好，可以進(jìn)行涂層工藝試驗(yàn)。

3.2 噴涂試驗(yàn)

DVM-TBC等離子噴涂的制備工藝流程如圖7所示。

表2 噴涂工藝參數(shù)

圖8 涂層金相組織

粉末材料分為兩類：底層采用等離子噴涂NiCrAlY粉末，牌號(hào)為Amdry 962；面層采用Metco 204NS。噴涂工藝參數(shù)如表2所示，該工藝的特點(diǎn)是噴涂距離短。在面層的研制方面，對(duì)試樣進(jìn)行了400℃以上的預(yù)熱。噴涂過(guò)程中噴槍移動(dòng)速度為1200mm/s，預(yù)熱15次后用紅外測(cè)溫儀測(cè)得基體預(yù)熱溫度為473℃。噴涂完后整個(gè)基體發(fā)紅，實(shí)際溫度大于550℃。金相組織如圖8所示。由圖8a）可知，底層涂層幾乎沒(méi)有大于50μm的未熔顆粒，涂層致密，孔隙率小于10%，氧化程度低；涂層結(jié)合強(qiáng)度為32 MPa左右，滿足27 MPa要求。由圖8b）可知，面層涂層中存在垂直的微裂紋，涂層致密，孔隙率小于5%；涂層結(jié)合強(qiáng)度大于10 MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)自制的等離子噴槍冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)：

1）在噴嘴內(nèi)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流器，冷卻水進(jìn)入內(nèi)槍體后通過(guò)收縮管，提高了水速，可直接噴到陰極頭內(nèi)腔頂端，通過(guò)中間絕緣體到達(dá)外槍體，再?gòu)耐鈽岓w到達(dá)陽(yáng)極噴嘴，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)域的有效冷卻。

2）設(shè)計(jì)了隔流環(huán)，使整個(gè)陽(yáng)極水冷通道無(wú)“死水區(qū)”，同時(shí)使冷卻水緊貼噴嘴通道外柱面，利用強(qiáng)迫對(duì)流換熱機(jī)理，大大加強(qiáng)了噴嘴的換熱。

3）利用三維模型驗(yàn)證水、氣密封的有效性及通道走向的正確性，根據(jù)噴槍功率驗(yàn)證目前冷卻水泵是否滿足新設(shè)計(jì)制作噴槍所需的冷卻水需求，并對(duì)改良后的噴槍進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示噴槍普適性好，性能穩(wěn)定，噴涂涂層達(dá)到指定要求。

該噴槍可為熱障涂層的研究提供有力保障。