自制等離子噴槍冷卻系統的設計及測試

■ 陳永澎 余德平 李凱 郭雙全 羅春/成都航利（集團）實業有限公司 四川大學機械工程學院

0 引言

隨著熱障涂層等離子噴涂技術在航空領域的快速發展和應用，該技術受到了許多國家的高度重視。美國JT3D發動機有44種269個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備研制技術的廠商多為國外廠家，如美國的Miller公司和Metco公司、瑞士的Cashin公司等[2]，國內這方面能力略顯不足。

在整個等離子噴涂設備系統中，等離子噴槍（通常稱為電弧等離子體炬、等離子體發生器）是整個系統的關鍵部分，其設計和選用直接影響噴涂能否正常進行以及所制備涂層質量的優劣[3]。等離子噴涂設備正朝著大功率小型化、噴涂過程智能化和等離子噴槍高效大功率化方向發展，隨著功率的提高，將出現許多新的問題，如模塊的損耗增加、整個逆變器的功耗增加、噴槍冷卻負擔重等[4]。等離子噴槍的研究重點多為噴嘴（陽極）和陰極，對冷卻系統的研究甚少。目前，國內對于等離子噴槍冷卻系統的相關研究主要有：周律等人[5]在其雙陽極等離子噴槍設計中，對等離子噴槍進行一體式水冷設計，采用三只氟橡膠密封圈進行密封，解決了設計等離子噴槍統一水冷的兩陽極間的絕緣密封問題；黃明浩等人[6]在送粉等離子噴涂槍的設計中，采用了循環水冷卻結構，并對等離子噴槍冷卻水路進行了設計和散熱效率的計算，通過數值模擬，得出該結構可提高噴涂槍沉積率和熱效率的結論；林貴寶[7]在專用等離子小內孔噴涂系統的設計中，通過溫控和冷卻水流量的計算反算出散熱面積尺寸，并對進氣形式和冷卻水流動方式進行簡單的分析。

在上述等離子噴槍冷卻系統設計的報道中，很少有學者對噴槍的密封性和冷卻水流動方式進行詳細的介紹，且大部分噴槍的設計處于實驗室研究階段，鮮有關于噴槍冷卻系統噴涂試驗驗證的報道。本文在自制噴槍的基礎上，對冷卻系統進行設計，詳細介紹了該噴槍的密封性和冷卻水通道，并對冷卻水流量的大小進行校核；制作出實物，進行流量測試、點火測試和噴涂測試，以期為未來大功率等離子噴槍的制造、維修提供理論支持和實踐基礎。

1 散熱系統的設計和制造

1.1 水、氣密封的設計

1）密封材料的選擇

噴槍水、氣密封對于噴槍的正常工作具有決定性的作用。如果密封失效，冷卻水極易進入高溫的等離子弧區而產生汽化現象，易造成噴嘴和陰極的損壞，甚至造成爆炸等極危險情況。密封設計時需考慮：為防止在高溫下失效，密封件應遠離高溫區；由于噴槍的陰極、陽極是經常更換的部件，故密封整體設計應方便拆卸更換。綜合考慮上述問題，結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為水與氣，故在選擇密封圈材料時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，根據表1內容，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鍵。利用密封能將水、氣路進行分割，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，故在每次拆裝過程中都必須涂抹潤滑脂進行裝配，以避免O形密封圈損壞造成密封失效，從而導致噴槍燒損甚至爆炸。

1.2 水道頭的設計

1）噴嘴水冷卻通道的設計

由于對噴嘴的冷卻不僅保護其在超高溫下能夠正常工作，同時還有對電弧進行熱壓縮的效應，因此噴嘴的冷卻效果對噴槍工作時的穩定性和使用壽命至關重要。可從以下幾個方面選擇冷卻方式。

a.噴嘴材質。為了在短時間內使熱量快速交換，必須選用高導熱系數的金屬。銀和純銅的熱導率遠遠高于其他金屬，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，易產生變形、被擊穿。通過經驗設計，選擇水冷壁厚最薄處為2.5mm。因 壁 厚 較 薄， 根 據 公 式δ=pd/2δp和δp=δb/n，對壁厚的可靠性進行簡單驗證。式中，δ為壁厚；p為工作壓力；δp為許用壓力；δb為抗拉強度；n為安全系數，當P＜7MPa時，n=8；當P≤17.5MPa時，n=6；當P＞17.5MPa時，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 水道頭結構圖

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

2）水道頭的設計和制造

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。在整個噴槍系統中承擔著水、電、氣路線走向的關鍵作用。作為安裝座，其相關尺寸必須滿足組裝所需的要求。根據噴槍設計原理，冷卻水不僅能避免冷卻噴嘴燒損，而且還起到對自由電弧熱收縮的作用[9]。水道頭在冷卻水循環中起到關鍵作用，內部管路尺寸必須符合冷卻水流量的需求。電極柱進水通道的截面積為33.16mm2，為了不阻礙冷卻水，設計12個φ2小孔作為回水通道，截面積為37.866mm2，大于進水通道截面積，滿足要求。在材料選擇方面，選擇機械加工性能突出的錫青銅。在結構設計方面，借鑒現有水道頭的圓柱形結構，規劃了水、氣線路走向。圖2、圖3為水道頭設計結構圖紙和實物圖。

圖3 水道頭實物圖

1.3 隔流環的設計和制造

為了防止在水循環過程中產生“死水區”，在噴嘴和水道頭之間利用隔流環對進出水進行區分。因無特殊要求，故選擇常見的黃銅（H62）進行加工。圖4為隔流環結構圖和實物圖。

圖4 隔流環結構圖和實物圖

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，在前絕緣體、水道頭、電極柱等加工斜孔處設計體積小但冷卻充分的水路。

從圖5可以看出，冷卻水從電極柱內部通道進入，經過導流管由電極安裝座斜孔流出后進入前絕緣座與水道頭之間的間隙。由于水道頭內部為圓柱形，在另外一側設計斜孔，引導冷卻水進入噴嘴冷卻環內，起到冷卻噴嘴并壓縮電弧的作用。冷卻水通過隔流環充分冷卻噴嘴后，再次由水道頭斜孔引導流出并進入外部的冷卻水循環系統。通過水循環系統冷卻后，冷卻水再次進入電極柱內部通道形成冷卻循環，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會產生大量熱量，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生熱量，對陰、陽極加熱。為了保證噴槍的正常工作，必須對冷卻水流量進行相應的理論計算，為整體設計提供依據。根據流體力學公式，流體的相關重量流量可按照公式w=μ·A·（2Δρ/ρ）1/2計算[10]，式中，μ為條件參數，與閥門、管子的形狀有關，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。

按照工廠設備使用要求，一般噴槍冷卻水溫度不得超過50℃。一般通過風冷機冷卻后進入噴槍的水溫約為25℃（298K），允許冷卻水溫升到50℃（323K）。根據焦耳定律，等離子噴槍在45kW左右條件下轉化成的熱量為Q1=0.24·U·I·t，即在單位時間內45kW的噴槍產生的熱量為 0.24×45000=10800K， 但 由 于 產生熱量存在一定的損失，此損失即為對冷卻水做功產生的熱消耗，即乘以相應的熱效率系數，此處選擇熱效率η=0.8，則用于提高水溫的單位時間內的熱量為Q2=Q1·（1-η）·t=2160K；為了使出口溫度不超過許用溫度，相應需要的單位時間內冷卻水質量流量為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。計算得到，水的溫升不超過5.9℃，滿足要求。

3 等離子噴槍性能測試

3.1 啟動試驗

對所設計制造的噴槍進行了組裝并安裝在機械手上，如圖6所示。

同時，進行水、氣密封試驗。在入口壓力為0.8～0.9MPa的冷卻水循環系統中，持續運行60min，檢查未發現任何噴嘴、接頭及內部的冷卻水滲漏現象，表明等離子噴槍水路結構配合緊密。觀察水循環系統的流量表，顯示持續運行過程中水流量一直保持在6～6.3GPM（22～26L/min），表明等離子噴槍內部水路設計合理，運行暢通。

圖5 噴槍冷卻水路示意圖

圖6 噴槍組裝圖

對噴槍進行高頻點火測試。透過反光鏡可以看到明顯的高頻點火火花，表明噴槍電路正常，可以進行點火試驗。按如下條件進行空點火試驗：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。經過16次點火-設備關閉-重新點火測試循環，點火成功率為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熱障涂層時要求等離子氣體有很高的熱焓值，需將常規氬氣改為氮氣并混合適量的氫氣作為等離子氣，并進行點火測試，點火成功率100%，表明設計制作的噴槍普適性好，可以進行涂層工藝試驗。

3.2 噴涂試驗

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

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，牌號為Amdry 962；面層采用Metco 204NS。噴涂工藝參數如表2所示，該工藝的特點是噴涂距離短。在面層的研制方面，對試樣進行了400℃以上的預熱。噴涂過程中噴槍移動速度為1200mm/s，預熱15次后用紅外測溫儀測得基體預熱溫度為473℃。噴涂完后整個基體發紅，實際溫度大于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；涂層結合強度為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%；涂層結合強度大于10 MPa。

4 結束語

本文對自制的等離子噴槍冷卻系統進行了設計：

1）在噴嘴內設計了導流器，冷卻水進入內槍體后通過收縮管，提高了水速，可直接噴到陰極頭內腔頂端，通過中間絕緣體到達外槍體，再從外槍體到達陽極噴嘴，實現了該區域的有效冷卻。

2）設計了隔流環，使整個陽極水冷通道無“死水區”，同時使冷卻水緊貼噴嘴通道外柱面，利用強迫對流換熱機理，大大加強了噴嘴的換熱。

3）利用三維模型驗證水、氣密封的有效性及通道走向的正確性，根據噴槍功率驗證目前冷卻水泵是否滿足新設計制作噴槍所需的冷卻水需求，并對改良后的噴槍進行性能測試，測試結果顯示噴槍普適性好，性能穩定，噴涂涂層達到指定要求。

該噴槍可為熱障涂層的研究提供有力保障。