水稳等离子喷涂(WSP)的特点与应用

作者：北京廊桥表面技术发展有限公司 贾鹏

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 水稳等离子喷涂是占据重要地位的气稳等离子喷涂的另一种选择。它的优点突出：功率大、成本低、喷涂速度高。在热喷涂技术向大产值和大批量迈进的形势下，这项技术开始受到更多的重视和应用。 一、概述 早在八十年前，德国西门子公司的技术人员就提出了水稳等离子弧的概念。尽管人们对这种电弧形式已认识很久，但对其性能及对该电弧工艺的控制却知之甚少。上世纪50年代，欧洲的科学家对该项技术进行了大量的实验室研究，60年代末，水稳等离子工艺被最终用于切割和热喷涂。目前，水稳等离子已成功地推向市场，应用于多种工业领域。 气稳等离子喷涂（非转移弧）所能提供的温度通常为8000°C ― 14000°C，每公斤等离子气所产生的焓值大体为1 ~ 100MJ/Kg。由于弧室壁的热载荷的限制，提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的，从而能够提供更高的温度及热焓。 迄今，市场上可提供的水稳等离子喷涂设备，其功率可达120 ~ 200Kw，最大温度可达50000度，每小时可喷涂近100公斤金属，30-60公斤陶瓷粉。 二、工作原理 水稳等离子弧产生的基本原理如图1所示。首先，水呈切线方向注入弧室从而产生水漩涡，起弧便发生在水漩涡的中心。水漩涡内径的部分流入了出水孔。传导弧心所散发的能量通过辐射、热传导和紊流导入水涡流的内侧。于是，水的蒸发、热气的受热与电离便产生等离子弧。水蒸发的速度与到达水表面的功率大小有关。其它所转移的能量被弧束与水表面之间的蒸气所吸收，并产生热量进而使蒸气电离。当然，一部分热能也随水而流走。 三、 水稳等离子（LP）的特点 当前工业上所采用的典型的水稳等离子(LP)喷涂设备是捷克布拉格等离子物理研究所指导开发的PAL160型。该系统是由特殊形状的腔室、旋转冷却的阳极和自耗石墨阴极构成。系统的核心是阴阳两极之间的起弧过程，起弧是靠切线方向输入的水流中央的金属丝打火所引发。该过程依靠外层水流来冷却腔壁，而不必象气稳等离子弧那样，需要两套独立的工艺–稳弧与冷却。但水稳等离子弧工艺具有弧焰不太稳定，电极易腐蚀等缺点。 很明显，气稳等离子弧（GP）适用于对喷涂质量要求高、喷涂面积小、工艺精细的作业，喷涂材料一般较为特殊、价格较昂贵；而水稳等离子喷涂(LP)则是用于大面积、高速率作业，尤其适用于批量喷涂氧化物材料，对于大量生产球形粉末材料也是最佳的选择。 四、水稳（LP）和气稳等离子(GP)喷涂优缺点的比较 气稳等离子（GP）喷涂 优点： 机械结构较为简单 起弧较容易 电极寿命长 燃烧稳定 独立的气流与压力控制 效率更高 缺点： 载气价格昂贵 两种介质体系（稳弧及冷却） 喷涂速率小 对喷涂材料质量要求高 水稳等离子（LP）喷涂 优点： 高功率、高能量，最高可达200Kw以上 高喷涂速率，喷涂氧化铝粉可达100公斤/小时 喷涂介质只采用单一的自来水，简单、经济 等离子体中只有O和H原子 可喷涂低质廉价的粉末 缺点： 机械构造和起弧较复杂 电极易腐蚀 稳定性较差 五、应用 在德国，水稳等离子喷涂主要应用于自由放置零件的生产；在美国，用于生产金属作业的涂层棒，在俄罗斯，主要用于采矿和石油工业所用的耐磨工件。 一直以来人们普遍认为水稳等离子是一种容易氧化的喷涂工艺，所以对该工艺一般持较为保守的态度，并一直只用水稳等离子来喷涂氧化物陶瓷粉末。现已证明事实并非如此，氧化其实发生在载气在送粉过程中所起的反应，所以说，水稳等离子可喷涂任何的材料。 目前，有三家捷克的公司一直在用水稳等离子喷涂设备喷涂罗拉件、风机叶片、锅炉部件等等。最成功的实例当属用于喷涂电炉石墨电极④；在玻璃工业中，喷涂ZrSiO4能够大大延长搅拌器和进料器的使用寿命；还有一项典型的应用便是生产球形粉末材料，因为它效率极高。 六、 结语 在气稳等离子喷涂占据着领导地位的今天，水稳等离子喷涂的出现为人们提供了一种互补的选择。水稳等离子喷涂的优点与缺点都较为突出：功率大、运行成本低、喷涂速度高；但结构与工艺过为复杂。在当今热喷涂技术向大产值、大批量迈进的形势下，这项技术开始受到更多的重视和应用。 参考文献： B. Gross, B. Grycz.和K. Miklossy Plasma Technology, London, 1968 Dubsky, J., B. Kolman, F. Kroupa和A. Macku, 第5届氧化铝会议，布拉格，1990年 Chraska, P., J. Dubsky, B. Kolman, J. Ilavsky和J. Forman, Thermal Spray Technology(1992) 捷克专利PV4584/83 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (1/6/2005)