用于靜電噴涂的金屬粉體氣力輸送研究

張葆青 王 華

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621000）

噴涂是一種使粉末粘附于基體表面的方法。它憑借節省資源和生產效率高等優勢，被廣泛應用于金屬容器的涂裝。目前，我國在粉末噴涂領域快速發展，已成為世界上粉末涂料生產量最大、增長速度最快的國家[1]。

本文在靜電噴涂微米級Sn粉的過程中，設計了用于金屬粉末噴涂的氣力輸送方案，分析了脈沖吐粉現象的原因，通過調節輸送Sn粉的氣體壓力優化Sn粉顆粒懸浮穩定性，進而解決噴涂過程中的脈沖吐粉問題，實現了Sn微粒的氣力輸送，有助于微米級Sn粉微粒在06Cr19Ni10不銹鋼基體表面的粘附。

1 實驗

1.1 實驗材料

Sn微粒由中諾新材（北京）科技有限公司提供，純度為99.9%，粒徑主要集中于4～40 μm。實驗所用的錫粉的粒徑分布，如圖1所示。

圖1 實驗所用的錫粉的粒徑分布圖

1.2 實驗過程

微米級Sn微粒在06Cr19Ni10不銹鋼工件（Φ124 mm×190 mm）內表面的粘附過程，主要分為清洗工件、噴涂表面活性劑（防白水）、噴涂金屬粉末（Sn微粒）以及靜置揮發4個部分。實驗平臺和原理，分別如圖2和圖3所示。

圖2 實驗平臺

圖3 試驗原理圖

在進行實驗時，首先使用無水乙醇清洗工件的待粘附表面，保證工件的待粘附表面無水、油、灰塵及其他雜物。其次，將工件夾持于實驗平臺，將防白水均勻噴涂在待噴涂工件表面；再次，使用粉末靜電噴槍將粉末均勻噴涂在圓柱工件的內壁；最后，靜置工件，使防白水自然揮發，得到靜電噴涂成品。

靜電噴涂是實驗過程中的關鍵步驟。不同于普通噴涂所使用的塑料粉，該實驗中使用的金屬Sn粉密度較大，在輸送管路中極易發生沉降堆積導致堵塞，難以實現在噴涂載氣中的穩定懸浮。目前尚沒有能較好解決該問題的工藝。

2 分析與討論

氣力輸送是指通過氣流在管道內的流動來輸送顆粒物料的方法[2-4]。氣力輸送技術具有設備簡單、安全、環境清潔以及布置靈活等優點，目前已廣泛應用于能源、化工、醫藥和食品加工等領域。實驗中的氣力輸送方案如圖4所示。

圖4 氣力輸送方案圖

在氣力輸送過程中，將Sn微粒添加至輸送氣體中的裝置為流化筒。它的三維結構如圖5所示。壓縮空氣通過流化筒底部的氣嘴進入流化筒，然后經過多孔PE板在流化筒中形成穩定的流場，使金屬粉末在流化筒中均勻分散。由伯努利方程可知，當載氣從流化筒頂部的管路中快速流過時，頂部壓力比流化筒中的壓力小，在流化筒中彌散分布的金屬顆粒會從流化筒吸入送粉管路，形成Sn微粒和載氣的混合流[5]。

圖5 流化筒三維模型

在Sn微粒的靜電噴涂中，輸送氣體的氣壓較小時，有脈沖吐粉現象發生，即粉末無法連續輸出的現象，需要調大輸送氣體的壓力使粉末連續輸出。由于金屬粉末濃度和密度較大，在氣體壓力較小時，氣流流速較低，金屬顆粒易在管道中沉降，造成粉末堆積，從而使噴嘴處出粉量減少。當堆積的粉末將管道完全堵塞時，噴嘴處出粉量將降為零，同時管道內部的壓力迅速升高，最終將堵塞的粉末沖出管道造成吐粉現象。如此反復，造成脈沖吐粉的問題。當調大氣體壓力時，氣流流速較快，金屬粉末在管道中不易發生沉降堆積，脈沖吐粉現象消失。

實驗中通過逐步調節氣壓大小觀察是否發生脈沖吐粉現象，如表1所示。為確保Sn微粒在輸送過程中不發生沉降和堵塞，最終確定氣壓大小為0.5 MPa。實驗結束后，取下工件上6個不同位置的稱重塊，測量各稱重塊實驗前后的質量差。由于各稱重塊形狀大小一致，因此質量差即代表了噴涂表面該區域內的沾粉質量。使用10 μm的Sn微粒噴涂時，各稱重塊實測值的相對誤差如表2所示。從表2可以看出，4組實驗均能得到表面沾粉均勻的樣品，且相對誤差均在±20%以內。稱重塊沾粉面密度測量工裝，如圖6所示。

表1 不同氣壓大小條件下發生脈沖吐粉現象

表2 10 μm Sn微粒噴涂的相對誤差（單位：%）

圖6 沾粉面密度測量工裝

3 結語

綜上所述，針對金屬粉末噴涂過程中氣力輸送的難點，提出調節氣壓的方法，解決了微米級Sn微粒在氣力輸送過程中的脈沖吐粉問題。此外，設計用于金屬粉末噴涂的氣力輸送方案，實現了Sn微粒的氣力輸送；分析脈沖吐粉現象的原因，通過調節氣壓大小，解決了噴涂穩定性的問題，最終實現10 μm的Sn微粒在06Cr19Ni10不銹鋼基體表面噴涂的面密度誤差在20%以內。