专利名称：一种超声等离子喷涂方法
技术领域：
本发明涉及超声技术在等离子喷涂技术中的应用，属于金属表面改性和防护技术领域。
背景技术：
在已有的技术中，有两项和本发明有关的专利。一项是专利申请号为96203939、授权公告号为2258446的一种超声焊接机，它包括机架部分、气动部分、超声波发生部分、电源部分、程序控制部分。该专利技术采用超声聚焦探头实现对塑料的非耦合焊接，只能对声阻抗大、熔点低的塑料材料进行焊接，对超声的发生导入和应用与超声等离子喷涂相比有着不同的机理。另一项是2002年6月26日本申请人提出的申请号为01143444.9，公开号为CN1355081A的名称为“一种用电弧激发超声波的方法”的专利，它主要强调普通电弧超声发生机制，由于等离子喷涂所使用等离子弧产生于喷枪的正负极之间，工件和喷枪之间不导电，因而无法在等离子喷涂中得到应用。
发明内容
根据涂层设计的需要控制涂层气孔率和涂层结构一直是等离子喷涂技术研究的重点之一。通过超声对熔融状态粉末的作用可以有效地影响气孔的形成，同时可以使结合层的结构发生改变，从而提高涂层的质量。
由于等离子喷涂不可能形成较大的熔池，同时由于等离子弧产生于喷枪的正负极之间，工件与喷嘴之间的等离子焰不能导电，这就限制了传统的超声发射方法在等离子热喷涂技术的应用，也不能像所述CN1355081A专利一样在工件与喷枪之间导入超声。
本发明的目的就是要解决上述技术难题，提供一种可控制涂层的气孔率、提高涂层结合强度的超声等离子喷涂方法，其特征在于所述喷涂方法包括以下步骤1)将超声激励源与等离子喷涂设备喷枪的正负极并联连接；2)将超声激励源与等离子喷涂直流电源进行电隔离，以防止彼此之间的信号干扰；3)首先，启动等离子喷涂设备的水路和电路，进行高频引弧，并对喷枪进行冷却；4)然后，打开超声激励源，使超声交变信号与等离子弧激励信号相耦合产生超声；5)启动等离子喷涂设备中的送粉系统，喷涂粉末通过高温等离子弧时受到加热，所述超声作用于等离子体，同时作用于熔融状的喷涂粉末本身；受热融化的粉末在高温高速等离子焰的作用下到达工件表面，扩散凝固形成涂层。
本发明所述超声激励源单独供电，并放置于距离工作台较近的位置，以缩短与喷枪连接的导线，减少超声信号的衰减。
本发明所述超声激励源产生的超声交变信号的功率为10瓦～900瓦，频率为1kHz～9MHz。
本发明首次将超声等离子弧用于等离子喷涂。利用高频功率电子开关逆变技术，在等离子喷涂电弧回路中施加调制信号，对应着调制电流的上升沿和下降沿可分别激发出电弧超声。超声的引入提供了紊流较强的等离子射流，因而能保障较好的热交换和粉末加热条件。同时由于超声的机械作用和声空化效应，熔融状态的喷涂粉末得到进一步的细化。实验结果表明，对于应用等离子喷涂技术制备的热障涂层，超声的引入有效地改变了陶瓷面层气孔的数量、大小、形状和分布，增强了热障涂层的隔热和耐腐蚀性能；在一定程度上抑制和改变了金属结合层的较为明显的层状结构，有利于结合强度的提高。
图1是本发明方法的原理图。
图2是本发明所述方法喷涂效果图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明的内容如图1所示，本发明所述超声等离子喷涂方法只对现有的等离子喷涂设备进行简单的组合，不需要做太多的改动。具体步骤如下1)将超声激励源与等离子喷涂设备喷枪的正负极并联连接；超声激励源可以单独供电，放置于距离工作台较近的位置，以便缩短与喷枪连接的导线，减少超声信号的衰减。用于激励电弧产生超声的超声激励源由信号发生电路、功放驱动电路、高速大功率开关管和相应的耦合装置组成，可以产生频率在几千周到一个兆周的交变信号，并且可以对信号的频率和幅度进行柔性调节。本发明方法中高功率超声信号的功率为10瓦～900瓦，频率为1kHz～9MHz。
2)将超声激励源与等离子喷涂直流电源进行电隔离，以防止彼此之间的信号干扰。
3)为了保障线路的安全，首先启动等离子喷涂设备的水路和电路，进行高频引弧，并对喷枪进行冷却；4)然后，打开超声激励源，使超声交变信号与等离子弧激励信号相耦合产生超声；5)启动等离子喷涂设备中的送粉系统，喷涂粉末通过高温等离子弧时受到加热，所述超声作用于等离子体，同时作用于熔融状的喷涂粉末本身；受热融化的粉末在高温高速等离子焰的作用下到达工件表面，扩散凝固形成涂层。
在实验中，调节功率超声的功率分别为0W、100W，频率分别为40kHz、50kHz、80kHz，然后，按本发明所述的超声等离子喷涂方法进行复合热障涂层陶瓷面层制备。对喷涂后的试样进行金相观察，可以看出相对于没有加入超声的普通等离子喷涂试样1(见图2A)，加入功率为100W，频率40kHz、50kHz、80kHz超声后的复合热障涂层的陶瓷面层气孔(黑色)的大小、形状和数量均发生了不同程度的改变，如图2B、图2C和图2D所示，其中加入50kHz时(图2C)的效果尤为明显。同样在相关研究中观察到超声的引入有效地改变了结合层的层状结构，有利于涂层结合强度的提高。
本发明所述方法可用于热障涂层、封严涂层、耐腐蚀涂层以及金属基复合材料制备方面。研究结果显示，超声表面喷涂技术将从一个全新的角度提高传统的等离子喷涂的效果，对国家发动机制造及相关领域有重要意义。
权利要求
1.一种超声等离子喷涂方法，其特征在于所述喷涂方法包括以下步骤1)将超声激励源与等离子喷涂设备喷枪的正负极并联连接；2)将超声激励源与等离子喷涂直流电源进行电隔离，以防止彼此之间的信号干扰；3)首先，启动等离子喷涂设备的水路和电路，进行高频引弧，并对喷枪进行冷却；4)然后，打开超声激励源，使超声交变信号与等离子弧激励信号相耦合产生超声；5)启动等离子喷涂设备中的送粉系统，喷涂粉末通过高温等离子弧时受到加热，所述超声作用于等离子体，同时作用于熔融状的喷涂粉末本身；受热融化的粉末在高温高速等离子焰的作用下到达工件表面，扩散凝固形成涂层。
2.根据权利要求1所述的超声等离子喷涂方法，其特征在于所述超声激励源单独供电，并放置于距离工作台较近的位置，以缩短与喷枪连接的导线，减少超声信号的衰减。
3.根据权利要求1所述的超声等离子喷涂方法，其特征在于所述超声激励源产生的超声交变信号的功率为10瓦～900瓦，频率为1kHz～9MHz。
全文摘要
一种超声等离子喷涂方法，属于金属表面改性和防护技术领域。为了控制涂层的气孔率、提高涂层结合强度，本发明提供了一种超声等离子喷涂方法，包括以下步骤将超声激励源与等离子喷涂设备喷枪的正负极并联连接；将超声激励源与等离子喷涂直流电源进行电隔离；启动等离子喷涂设备的水路和电路，进行高频引弧，并对喷枪进行冷却；打开超声激励源，使超声交变信号与等离子弧激励信号相耦合产生超声；启动等离子喷涂设备中的送粉系统，喷涂粉末通过高温等离子弧时受到加热，所述超声作用于等离子体，同时作用于熔融状的喷涂粉末本身；受热融化的粉末在高温高速等离子焰的作用下到达工件表面，扩散凝固形成涂层。
文档编号C23C4/00GK1560316SQ200410008468
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月12日 优先权日2004年3月12日
发明者吴敏生, 李路明, 张华堂, 文雄伟, 陆志庆, 张雁军, 何龙标 申请人:清华大学