爆炸噴涂專利技術分析

錢國慶

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 511530）

爆炸噴涂技術[1,2]由美國聯合碳化物公司林德分公司在上世紀50 年代開發，隨后引起各國的關注，目前，其與等離子噴涂技術、電弧噴涂技術、火焰噴涂技術是熱噴涂技術最常見的四種噴涂技術。爆炸噴涂技術和其他噴涂技術相比，具有涂層結合強度高、孔隙率低、工件熱損傷小、涂層均勻、厚度易控制等優點。本文從專利申請角度分析了典型的爆炸噴涂裝置及其工藝。

1.液態燃料爆炸噴涂裝置工藝

西北工業大學[3]針對氣態燃料脈沖爆炸噴涂裝置復雜的技術問題，本申請公開了一種液態燃料爆炸噴涂的裝置：如圖1液態燃料爆炸噴涂的裝置剖視圖所示，包括爆炸腔(1)，冷卻腔(2)，粉末儲備箱(3)，閥門(4)，火花塞點火器(5)，空氣進氣口(6)，空氣分管道(71)，空氣總管道(72)，噴油嘴(8)，第一單向閥(91)，高壓油箱(10)，第二單向閥(92)，空氣壓縮機(11)，冷卻水進口(12)，粉末噴口(13)，冷卻水出口(14)，工件(15)。

本發明使用液態燃料，如汽油等，攜帶方便，安全；氧化劑使用空氣，價格低廉，容易獲取；空氣以切向進氣方式進入爆炸腔，燃料的摻混和霧化效果好；控制進氣和噴油的方法是通過兩個單向閥的兩側壓力差的變化來實現的，這種方法稱為自適應產生脈沖爆炸波技術，簡化了裝置；在爆炸腔中形成的高溫高壓環境的作用下，顆粒粉末快速融化，加速之后噴射到溫度較低的工件表面形成涂層。由于脈沖爆炸的工作特性，噴涂工作時間長，連續性高，顆粒粉末的材料選擇種類多，可用于多種材質的物件的表面處理，顆粒粉末與工件的結合強度高，工件涂層表面均勻致密，氣孔率低。

圖1 液態燃料爆炸噴涂的裝置剖視圖

2.管及孔內壁連續送絲電爆炸噴涂裝置工藝

蘭州理工大學[4]針對管及孔內壁爆炸噴涂的傳送帶抖動或斷裂的技術問題，本申請公開了一種管及孔內壁連續送絲電爆炸噴涂裝置，如圖2：

圖2 送絲電爆炸噴涂裝置結構圖

管及孔內壁連續送絲電爆炸噴涂裝置的總裝結構圖所示，包括低壓長型導電支撐體、高壓長型導電支撐體、點膠機構、爆炸腔和絲傳動機構，兩長型導電支撐體的一端與儲能電容器的兩極連接且低壓長型導電支撐體與儲能電容器的低壓端相連，高壓長型導電支撐體與儲能電容器的高壓端相連，另一端設有爆炸腔11，爆炸腔11 能隨兩長型導電支撐體伸入零件內孔或管道內腔中，所述點膠機構包括點膠機3 和支撐塊6，金屬絲1 經點膠機3 點膠后粘貼于傳送帶5 的中線位置，傳送帶5 緊貼支撐塊6 的走帶面，經絲傳動機構帶動連續送入爆炸腔11 中，低壓電極9 與高壓電極10 能通過氣體放電，使經過低壓電極9 與高壓電極10 之間的金屬絲1 發生連續爆炸，爆炸產物定向的噴涂到基體表面，從而形成涂層。

本發明的爆炸腔可隨兩長型導電支撐體伸入口徑最小為40mm 為管件內部進行噴涂，同時，爆炸腔在噴射方向上開有噴射口且噴射口處兩內壁的夾角可隨噴涂量及涂層結合強度的變化進行調節，而且采用自動點膠的方法將金屬絲可靠地粘貼在傳送帶上，使金屬絲連續送入爆炸腔中，實現了自動化連續噴涂。

3.粉末的電爆炸噴涂裝置工藝

寧波大學[5]針對電爆炸噴涂無法使用非金屬材料的技術問題，本申請公開了一種粉末的電爆炸噴涂裝置。

圖3 粉末的電爆炸噴涂裝置示意圖

如圖3 所示，粉末的電爆炸噴涂裝置包括下端開口的金屬支座1 和用于放置待噴涂工件的底座2，金屬支座1 設置有內腔11，金屬支座1 倒扣在底座2 上，底座2 上設置有與內腔11 相連通的工件取放通道21，金屬支座1 與底座2 之間設置有多片絕緣的調整墊片3，金屬支座1 上橫向設置有絕緣套管4，絕緣套管4 內的兩端均設置有電極5 和金屬連接片41，電極5 上連接有脈沖大電流發生電路，絕緣套管4 內一體設置有臺階，金屬連接片41 頂在臺階上，兩個金屬連接片41 之間灌裝有噴涂粉末6，噴涂粉末6 內埋有起爆金屬絲7，起爆金屬絲7穿過金屬連接片41 且位于金屬連接片41 與電極5 之間，電極5 上設置有定位凸臺51，電極5 上套接有絕緣連接套52，絕緣連接套52 頂在定位凸臺51 上，絕緣套管4 外套設有絕緣套筒8，絕緣連接套52 與絕緣套筒8 相螺接，絕緣套筒8 上位于內腔11 部分設置有噴涂開口81，金屬支座1 外設置有絕緣外殼12，金屬支座1 的內側位于絕緣套筒8 下方的部分設置有絕緣襯套13。

本申請的兩電極之間灌裝有噴涂粉末，噴涂粉末內埋有起爆金屬箔或起爆金屬絲，并與兩個電極固定連接，噴涂時，電極先對埋在噴涂粉末中的起爆金屬絲/箔放電，隨著起爆金屬絲/箔在沖擊大電流作用下經歷歐姆加熱、液化、氣化及等離子化過程中，電路持續放電，在這個過程中，噴涂粉末與起爆金屬絲/箔一起受脈沖電流作用直到發生金屬電爆炸，爆炸瞬時形成高溫、高壓熔融粒子，在沖擊波作用下噴射到工件表面并快速冷卻形成超細、高結合強度的涂層，該噴涂裝置對噴涂粉末材料的選擇較廣，可根據涂層性能的要求選擇噴涂材料的成分，同時可以對非導電粉末（如金剛石粉末、非導電陶瓷粉末）進行電爆炸噴涂，大大擴大了電爆炸噴涂的應用領域；而且每次電爆炸噴涂時，其噴涂面廣，工作效率高。

4.航空發動機用爆炸噴涂設備控制工藝

沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司[6]針對爆炸噴涂設備不能滿足新產品和新工藝的技術問題，本申請公開了一種航空發動機用爆炸噴涂設備控制方法，如圖4：

圖4 爆炸噴涂設備控制方法

其PLC 控制系統原理包括：控制系統主要由PLC、觸摸屏、伺服系統等關鍵部分組成，按照爆炸噴涂工藝的相關要求，控制系統改造后的爆炸噴涂設備，是一個包含噴涂過程控制、氣路流量檢測調節控制及噴涂參數監控等幾部分功能，在操作面板及觸摸屏上可進行相應的控制和監視，基于觸摸屏的人機界面組態方便、操作簡單方便，該系統在實現噴涂自動循環控制的同時還兼顧了手動控制；氣路檢測調節部分主要用于采集流量壓力等信號送入PLC，在觸摸屏上顯示便于操作與人員監控，調節流量壓力以滿足工藝參數要求。

本申請實現了爆炸噴涂過程的自動控制、爆炸工藝參數的動態采集，而且操作便捷、結構簡單、軟硬件設計合理，維修方便。同時提高設備的可靠性和自動化能力，提高零部件的噴涂質量和生產效率，降低了操作者勞動強度。

5.激光輔助爆炸噴涂工藝

中國航發北京航空材料研究院[7]公開了一種激光輔助爆炸噴涂的方法，包括如下步驟：一是將半導體光纖激光器激光頭與爆炸噴涂噴槍固定在綜合裝卡工裝上，通過對激光頭固定軸、爆炸噴槍固定軸的調整，保證激光光束軸線與爆炸噴槍 的軸線在距離爆炸噴槍槍口100-300mm 距離范圍內的任意一點相交；二是調整綜合裝卡工裝使激光器聚焦斑點在爆炸噴槍槍口外100-300mm 處，激光器聚焦斑點與爆炸噴涂斑點重合；三是綜合裝卡工裝裝在可移動機械裝置上，使綜合裝卡工裝以及激光器、爆 炸噴槍可在設定的路徑上移動；四是機械裝置控制斑點移動位置，當移動到待作用表面，激光光束持續對該表面照射，當照射時間0.05-5S 時，爆炸噴涂點火噴涂涂層一次，機械裝置控制斑點再移動到下一設定位置的待作用表面，重復上述動作，直至處理完所有待作用表面；五是重復步驟四步驟N 遍至設定的涂層厚度。

本發明實現激光對基體材料、爆炸噴涂涂層的同時作用，通過爆炸噴涂頻率控制，滿足了激光處理的時間要求，實現對基體的微熔作用，使爆炸噴涂材料能融入基體材料中，實現涂層與基體的冶金結合；同時避免了其它熱噴涂方法為配合激光處理，過多降低噴槍移動速度造成的單遍涂層過厚、缺陷過多和結合力低的問題。每遍噴涂涂層后，可根據涂層種類控制激光作用時間，對已噴涂上的涂層同樣有微熔作用，實現對涂層的致密化處理和下一層涂層的良好結合。

6.結語

本文列舉了典型的爆炸噴涂裝置和工藝，對未來的爆炸噴涂裝置和工藝的創新具有參考意義。