高效能等离子喷涂设备研究及技术应用

1958 年 ， 世 界 上 第 一 台 等 离 子 喷 涂 设 备 在 美 国 问 世 ， 使 喷 涂 制 备 高 熔 点 材 料(比 如 陶 瓷 )涂 层 成 为 可 能 。 该 技 术 迅 即 在 科 技 领 域 内 作 出 了 重 要 贡 献 。 随 着 现 代 工业 技 术 的 高 速 发 展 ， 人 们 对 各 种 零 部 件 的 性 能 要 求 越 来 越 高 ， 其 表 面 处 理 越 来 越 受到 重 视 ， 因 此 对 涂 层 质 量 要 求 也 越 来 越 高 。 由 于 陶 瓷 材 料 所 具 有 的 优 异 性 能 得 到 越来 越 多 人 的 青 睐 ， 促 进 了 喷 涂 工 艺 的 不 断 完 善 。 世 界 上 先 进 的 工 业 国 家 先 后 在 多 种产 品 上 喷 涂 不 同 的 陶 瓷 涂 层 ， 提 高 了 产 品 的 使 用 性 能 和 服 役 期 限 。 如 今 ， 陶 瓷 涂 层技 术 正 在 形 成 一 个 新 兴 的 、 市 场 极 广 阔 的 工 业 领 域 。 正 是 这 一 市 场 需 求 ， 各 式 各 样陶 瓷 涂 层 喷 涂 没 备 的 研 制 工 作 正 在 广 泛 展 开 。 世 界 上 等 离 子 喷 涂 设 备 的 发 展 正 向 自动 化 、 集 成 化 、 嵌 入 生 产 流 水 线 、 柔 性 化 、 网 络 化 、 乃 至 无 人 化 和 通 过 Internet 远程 控 制 的 方 向 发 展 。 同 时 ， 等 离 子 陶 瓷 涂 层 技 术 正 带 动 一 系 列 高 科 技 技 术 的 发 展 和兴 起 ， 如 陶 瓷 涂 层 超 导 元 件 、 陶 瓷 涂 覆 的 生 物 医 学 功 能 材 料 、 永 不 磨 损 金 刚 石 薄 膜技 术 、 新 型 超 大 规 模 集 成 电 路 、 高 辐 射 率 节 能 涂 层 、 波 长 吸 收 和 抗 干 扰 涂 层 等 ， 发展 前 景 极 为 广 阔 。 相 比 世 界 先 进 水 平 ， 中 国 在 这 一 领 域 还 有 一 段 距 离 。 本 文 主 要 介 绍 气 稳 等 离 子(ASP)喷 涂 设 备 DH-1080 等 离 子 喷 涂 系 统 及 其 应 用 。 该 系 统 由 上 海 大 豪 英 佛 曼 纳 米 材料 喷 涂 有 限 公 司 经 过 多 年 研 究 并 制 造 ， 采 用 低 压 大 电 流 设 计 理 念 ， 使 用 PLC 和 MCU相 结 合 的 控 制 技 术 ， 与 此 相 配 套 的 有 状 态 点 实 时 监 测 、 LED 智 能 显 示 、 PLC 喷 涂 过 程自 动 控 制 系 统 、 三 相 大 功 率 晶 闸 管 全 控 整 流 技 术 ， 为 新 一 代 高 效 能 等 离 子 喷 涂 设 备 。一 、 等 离 子 喷 涂 技 术 简 介等 离 子 喷 涂 是 热 喷 涂 技 术 领 域 中 极 为 重 要 的一 项 工 艺 技 术 。 目 前 热 喷 涂 用 粉 末 材 料 几 乎 都 可 以 通过 此 方 法 制 备 成 性 能 良 好 的 涂 层 。 等 离 子 喷 涂 正 在 应用 的 有 大 气 等 离 子 喷 涂 、 可 控 气 氛 等 离 子 喷 涂 和 液 体稳 定 等 离 子 喷 涂 方 法 ， 处 于 研 究 状 态 的 有 脉 冲 、 射 频 和 感 应 藕 合 等 几 种 等 离 子 喷 涂方 法 。 大 气 等 离 子 喷 涂 使 用 氩 气 、 氮 气 、 氢 气 作 为 离 子 气 ， 经 电 离 产 生 等 离 子 高温 射 流 ， 将 输 入 的 材 料 熔 化 或 熔 融 喷 射 到 工 件 表 面 形 成 涂 层 。 主 要 用 于 制 备 金 属 陶瓷 、 陶 瓷 涂 层 。 在 这 种 喷 涂 装 置 上 对 喷 涂 枪 进 行 改 进 发 展 了 超 音 速 等 离 子 喷 涂 ， 该等 离 子 焰 流 能 量 密 度 更 高 、 焰 流 速 度 更 快 、 涂 层 更 加 致 密 。 可 控 气 氛 等 离 子 喷 涂 是将 等 离 子 喷 枪 置 于 密 闭 仓 内 ， 由 机 械 手 进 行 操 作 ， 将 仓 内 抽 至 真 空 状 态 的 为 真 空 等离 子 喷 涂 ， 仓 内 为 低 压 状 态 的 则 为 低 压 真 空 等 离 子 喷 涂 。 这 种 1 艺 特 点 由 于 低 压 和气 氛 可 控 ， 等 离 子 焰 流 加 长 ， 粒 子 加 热 更 充 分 ， 氧 化 减 少 ， 涂 层 的 质 量 得 到 明 显 改善 ， 并 且 扩 大 了 热 喷 涂 在 沉 积 金 刚 石 膜 、 超 导 氧 化 物 涂 层 方 面 的 应 用 。二 、 新 等 离 子 喷 涂 设 备 系 统 组 成 和 特 点DH-1080 等 离 子 喷 涂 系 统 是 在 Metco 7M、 9M 系 统 的 基 础 上 ， 应 用 多 种 先进 技 术 ， 结 合 中 国 市 场 的 实 际 情 况 而 研 制 成 功 的 。 在 许 多 方 面 ， 其 性 能 表 现 优 于7M、 9M 系 统 。 其 主 要 特 点 为 高 效 能 、 高 稳 定 和 高 性 价 比 。 DH-1080 等 离 子 喷 涂 没 备由 电 源 、 控 制 柜 、 喷 枪 、 转 接 箱 、 送 粉 器 和 冷 水 机 组 等 六 部 分 主 件 组 成 。该 系 统 采 用 低 压 大 电 流 电 源 没 计 理 念 ， 相 比 磁 放 大 等 离 子 喷 涂 电 源 来 说 ，其 反 应 速 度 更 快 ， 功 率 因 数 更 高 。 相 对 逆 变 电 源 来 说 ， 其 提 供 了 更 高 的 功 率 ， 只 采用 单 一 的 电 源 就 能 使 系 统 正 常 工 作 。 而 且 其 电 源 结 构 要 比 逆 变 电 源 要 简 单 的 多 ， 这也 减 小 了 控 制 系 统 的 复 杂 性 ， 同 时 也 在 一 定 程 度 上 降 低 了 生 产 和 制 造 成 本 。 其 电 气原 理 如 图 1 所 示 。图 1 等 离 子 喷 涂 电 源 电 气 原 理 图这 种 设 计 的 优 点 包 括 ：(1)降 低 对 电 气 零 部 件 的 绝 缘 要 求 ， 降 低 生 产 成 本 ； 增 加 了 安 全 系 数 ， 减 少了 对 人 体 伤 害 的 不 确 定 因 素 。(2)采 用 软 启 动 ， 使 喷 枪 从 开 始 启 动 到 正 常 工 作 缓 慢 过 渡 ， 避 免 瞬 时 大 电 流对 喷 枪 进 行 冲 击 ， 增 加 了 喷 枪 的 使 用 寿 命 。(3)同 比 其 他 同 类 型 的 等 离 子 喷 涂 电 源 ， 具 有 更 高 的 功 率 因 素 ， 电 源 的 功 率因 数 可 达 80 。 降 低 了 喷 涂 成 本 。(4)通 过 闭 环 控 制 、 采 用 PID 校 正 技 术 ， 使 系 统 电 流 在 0 800A 的 区 间 内的 任 一 工 作 点 上 ， 都 能 保 持 恒 定 的 电 流 输 出 ， 具 有 良 好 的 电 压 一 电 流 陡 降 特 性 。 其在 不 同 电 流 下 的 性 能 测 试 数 据 如 图 2 所 示 。图 2 喷 涂 电 源 外 特 性 图运 用 EDA 技 术 ， 开 发 出 了 可 编 程 控 制 数 字 移 相 晶 闸 管 触 发 电 路 为 核 心 的 晶闸 管 触 发 板 。 该 电 路 通 过 采 用 C 语 言 ， 对 MCU 进 行 编 程 ， 以 全 数 字 移 相 技 术 为 核 心 ，形 成 具 有 相 序 自 适 应 以 及 针 对 调 压 与 整 流 的 模 式 识 别 功 能 的 双 脉 冲 列 式 三 相 晶 闸 管数 字 移 相 触 发 电 路 。 针 对 等 离 子 喷 涂 系 统 的 三 相 全 控 整 流 调 压 电 路 ， 本 设 计 采 用 三相 同 步 绝 对 式 触 发 方 式 ， 其 触 发 时 序 如 图 3 所 示 。图 3 晶 闸 管 触 发 板 触 发 时 序 图运 用 该 技 术 的 优 点 ：(1)系 统 在 空 载 时 ， 电 压 可 以 稳 定 在 60V， 方 便 喷 枪 的 起 弧 。(2)通 过 对 电 流 的 大 小 实 时 跟 踪 ， 将 测 得 的 电 流 信 号 与 给 定 电 流 进 行 比 较 ，然 后 将 比 较 结 果 输 入 晶 闸 管 触 发 板 控 制 晶 闸 管 的 触 发 角 度 ， 实 现 对 电 流 的 闭 环 伺 服控 制 。 通 过 这 一 技 术 ， 使 电 源 在 正 常 工 作 时 的 电 流 波 动 率 小 于 1 ， 从 而 为 电 弧 的 稳定 提 供 了 可 靠 的 保 障 。(3)降 低 变 压 器 次 级 的 输 出 电 压 ， 以 尽 可 能 地 减 小 晶 闸 管 的 触 发 角 ， 这 也 在很 大 程 度 上 改 善 了 系 统 工 作 时 的 电 流 波 形 ， 降 低 了 系 统 本 身 的 发 热 量 ， 延 长 系 统 的使 用 寿 命 。 同 时 也 保 证 了 等 离 子 弧 束 的 稳 定 性 ， 保 证 喷 涂 时 粉 末 的 均 匀 熔 化 、 球 化 ，避 免 粉 末 的 过 烧 或 夹 带 生 粒 。(4)相 当 宽 的 电 压 工 作 区 间 。 经 试 验 ， DH-1080 等 离 子 喷 涂 系 统 可 以 在 电 网电 压 只 有 310v 的 情 况 下 ， 以 80V、 500A 的 状 态 持 续 、 稳 定 地 工 作 。(5)采 用 多 种 保 护 技 术 ， 保 护 系 统 中 的 关 键 零 部 件 。 主 要 有 ： 相 序 保 护 ，避 免 因 相 序 的 错 误 而 颠 倒 晶 闸 管 的 导 通 时 序 。 阻 容 保 护 ， 避 免 系 统 中 的 过 脉 冲 电压 对 晶 闸 管 造 成 破 坏 。 耐 压 高 ， 大 电 流 高 速 熔 断 器 的 使 用 限 制 了 系 统 中 较 长 时 间(几 毫 秒 )的 过 电 流 ， 给 晶 闸 管 再 加 上 一 层 保 护 ； 同 时 其 微 动 开 关 能 快 速 地 切 断 系 统的 电 源 。 采 用 性 能 良 好 的 交 流 接 触 器 ， 避 免 因 使 用 劣 质 的 接 触 器 而 大 幅 度 增 加 系统 的 不 稳 定 因 素 。 温 度 保 护 。 采 用 温 度 继 电 器 限 制 系 统 的 使 用 温 度 。等 离 子 喷 涂 枪 是 喷 涂 系 统 中 最 为 关 键 的 部 件 ， 其 结 构 如 图 4 所 示 。图 4 等 离 子 喷 枪 结 构 示 意 图该 喷 枪 在 Metco 7MB、 9MB 的 基 础 上 ， 经 过 多 次 的 结 构 改 进 和 优 化 设 计 ，准 确 地 选 用 材 料 ， 以 及 长 时 间 的 工 作 测 试 ， 其 整 体 性 能 可 达 国 外 先 进 水 平 。 其 主 要的 优 点 有 ：(1)改 进 的 水 道 设 计 使 喷 枪 的 冷 却 性 能 更 好 ， 延 长 易 损 零 件 的 使 用 寿 命 。(2)改 进 的 喷 嘴 设 计 使 其 更 换 更 方 便 ， 喷 嘴 的 累 积 使 用 寿 命 更 长 。 有 多 种 不同 型 号 的 喷 嘴 和 电 极 ， 可 适 用 于 多 种 等 离 子 弧 及 不 同 工 作 参 数 的 喷 涂 工 作 ， 增 加 了系 统 的 柔 性 ， 大 大 拓 展 了 该 喷 涂 设 备 的 应 用 领 域 。(3)增 加 的 空 气 冷 却 组 件 在 喷 涂 工 作 时 起 到 对 工 件 表 面 进 行 净 化 和 冷 却 的 作用 ， 保 证 了 涂 层 质 量 。(4)在 系 统 喷 涂 预 备 的 情 况 下 ， 以 电 压 30V、 电 流 100A 的 氩 或 氮 等 离 子 弧维 持 ， 节 约 电 力 ， 并 且 延 长 喷 枪 的 使 用 寿 命 。 同 时 ， 可 以 在 很 短 时 间 内 (3 4S， 软启 动 )达 到 80V、 500A 的 N2+H2 的 正 常 工 作 状 态 。(5)该 喷 枪 可 以 采 用 Ar、 N2、 Ar+H2、 N2+H2 和 Ar+N2， 五 种 气 体 工 作 方 式进 行 喷 涂 。通 过 等 离 子 喷 涂 控 制 柜 对 系 统 中 的 各 部 件 进 行 操 作 和 控 制 ， 可 实 现 各 路 气体 流 量 的 稳 定 供 给 和 预 置 参 数 制 动 准 确 定 位 和 复 位 ， 提 高 了 整 套 系 统 的 可 靠 性 和 喷涂 参 数 的 可 重 复 性 、 一 致 性 ， 保 证 了 喷 涂 质 量 。 其 创 新 点 主 要 表 现 在 ：(1)系 统 状 态 检 测 器 实 时 自 检 。 在 系 统 启 动 之 前 和 喷 涂 过 程 中 ， 对 系 统 的 主要 工 作 参 数 进 行 监 测 ， 并 以 LED 方 式 显 示