自制等离子喷枪冷却系统的设计及测试

■ 陈永澎 余德平 李凯 郭双全 罗春/成都航利（集团）实业有限公司 四川大学机械工程学院

0 引言

随着热障涂层等离子喷涂技术在航空领域的快速发展和应用，该技术受到了许多国家的高度重视。美国JT3D发动机有44种269个零件采用了等离子喷涂工艺，涂层材料包括Al2O3、CrC和Ni/Al等[1]。目前掌握等离子喷涂设备研制技术的厂商多为国外厂家，如美国的Miller公司和Metco公司、瑞士的Cashin公司等[2]，国内这方面能力略显不足。

在整个等离子喷涂设备系统中，等离子喷枪（通常称为电弧等离子体炬、等离子体发生器）是整个系统的关键部分，其设计和选用直接影响喷涂能否正常进行以及所制备涂层质量的优劣[3]。等离子喷涂设备正朝着大功率小型化、喷涂过程智能化和等离子喷枪高效大功率化方向发展，随着功率的提高，将出现许多新的问题，如模块的损耗增加、整个逆变器的功耗增加、喷枪冷却负担重等[4]。等离子喷枪的研究重点多为喷嘴（阳极）和阴极，对冷却系统的研究甚少。目前，国内对于等离子喷枪冷却系统的相关研究主要有：周律等人[5]在其双阳极等离子喷枪设计中，对等离子喷枪进行一体式水冷设计，采用三只氟橡胶密封圈进行密封，解决了设计等离子喷枪统一水冷的两阳极间的绝缘密封问题；黄明浩等人[6]在送粉等离子喷涂枪的设计中，采用了循环水冷却结构，并对等离子喷枪冷却水路进行了设计和散热效率的计算，通过数值模拟，得出该结构可提高喷涂枪沉积率和热效率的结论；林贵宝[7]在专用等离子小内孔喷涂系统的设计中，通过温控和冷却水流量的计算反算出散热面积尺寸，并对进气形式和冷却水流动方式进行简单的分析。

在上述等离子喷枪冷却系统设计的报道中，很少有学者对喷枪的密封性和冷却水流动方式进行详细的介绍，且大部分喷枪的设计处于实验室研究阶段，鲜有关于喷枪冷却系统喷涂试验验证的报道。本文在自制喷枪的基础上，对冷却系统进行设计，详细介绍了该喷枪的密封性和冷却水通道，并对冷却水流量的大小进行校核；制作出实物，进行流量测试、点火测试和喷涂测试，以期为未来大功率等离子喷枪的制造、维修提供理论支持和实践基础。

1 散热系统的设计和制造

1.1 水、气密封的设计

1）密封材料的选择

喷枪水、气密封对于喷枪的正常工作具有决定性的作用。如果密封失效，冷却水极易进入高温的等离子弧区而产生汽化现象，易造成喷嘴和阴极的损坏，甚至造成爆炸等极危险情况。密封设计时需考虑：为防止在高温下失效，密封件应远离高温区；由于喷枪的阴极、阳极是经常更换的部件，故密封整体设计应方便拆卸更换。综合考虑上述问题，结合喷枪零部件的形状（圆柱形）、密封方式（喷枪为静密封）等，选用O形密封圈密封。由于本次密封为静密封且介质为水与气，故在选择密封圈材料时需考虑压力和温度的特殊要求。表1为常用O形圈材料及其使用范围，根据表1内容，选用综合性能良好的氟橡胶材料O型圈。

2）喷枪密封件示意

等离子喷枪喷嘴在几千摄氏度的工况下工作，为使其能正常工作，冷却水的供给及等离子气体的密封性尤为关键。利用密封能将水、气路进行分割，为喷枪正常工作提供必要条件。图1为喷枪密封示意。

从图1可以看出，喷枪利用O形密封圈进行水、气密封及隔离。由于O形密封圈为主要密封件，故在每次拆装过程中都必须涂抹润滑脂进行装配，以避免O形密封圈损坏造成密封失效，从而导致喷枪烧损甚至爆炸。

1.2 水道头的设计

1）喷嘴水冷却通道的设计

由于对喷嘴的冷却不仅保护其在超高温下能够正常工作，同时还有对电弧进行热压缩的效应，因此喷嘴的冷却效果对喷枪工作时的稳定性和使用寿命至关重要。可从以下几个方面选择冷却方式。

a.喷嘴材质。为了在短时间内使热量快速交换，必须选用高导热系数的金属。银和纯铜的热导率远远高于其他金属，考虑制造成本，选取纯铜（T4）作为喷嘴材料。

b.喷嘴水冷却通道。由于采取较薄的壁厚，喷嘴受到水冷和等离子体高温作用时，易产生变形、被击穿。通过经验设计，选择水冷壁厚最薄处为2.5mm。因 壁 厚 较 薄， 根 据 公 式δ=pd/2δp和δp=δb/n，对壁厚的可靠性进行简单验证。式中，δ为壁厚；p为工作压力；δp为许用压力；δb为抗拉强度；n为安全系数，当P＜7MPa时，n=8；当P≤17.5MPa时，n=6；当P＞17.5MPa时，n=4。

表1 O形圈材料及其使用范围[8]

图1 喷枪密封示意图

图2 水道头结构图

又因，管路压力为0.8～1.4MPa，铜的抗拉强度为370～420MPa，d=5mm，根据以上公式推算，壁厚δ≥0.4mm。因此，2.5mm以上的壁厚完全满足需求。

2）水道头的设计和制造

水道头是安装喷枪喷嘴、阴极、电极柱、绝缘件等部分的安装座。在整个喷枪系统中承担着水、电、气路线走向的关键作用。作为安装座，其相关尺寸必须满足组装所需的要求。根据喷枪设计原理，冷却水不仅能避免冷却喷嘴烧损，而且还起到对自由电弧热收缩的作用[9]。水道头在冷却水循环中起到关键作用，内部管路尺寸必须符合冷却水流量的需求。电极柱进水通道的截面积为33.16mm2，为了不阻碍冷却水，设计12个φ2小孔作为回水通道，截面积为37.866mm2，大于进水通道截面积，满足要求。在材料选择方面，选择机械加工性能突出的锡青铜。在结构设计方面，借鉴现有水道头的圆柱形结构，规划了水、气线路走向。图2、图3为水道头设计结构图纸和实物图。

图3 水道头实物图

1.3 隔流环的设计和制造

为了防止在水循环过程中产生“死水区”，在喷嘴和水道头之间利用隔流环对进出水进行区分。因无特殊要求，故选择常见的黄铜（H62）进行加工。图4为隔流环结构图和实物图。

图4 隔流环结构图和实物图

1.4 喷枪冷却水路分析

图5为喷枪冷却水路走向，充分利用喷枪整体为圆柱形的特点，在前绝缘体、水道头、电极柱等加工斜孔处设计体积小但冷却充分的水路。

从图5可以看出，冷却水从电极柱内部通道进入，经过导流管由电极安装座斜孔流出后进入前绝缘座与水道头之间的间隙。由于水道头内部为圆柱形，在另外一侧设计斜孔，引导冷却水进入喷嘴冷却环内，起到冷却喷嘴并压缩电弧的作用。冷却水通过隔流环充分冷却喷嘴后，再次由水道头斜孔引导流出并进入外部的冷却水循环系统。通过水循环系统冷却后，冷却水再次进入电极柱内部通道形成冷却循环，为喷枪正常工作提供保障。

2 冷却水流量的校核

等离子喷枪在工作时会产生大量热量，一部分用于喷涂粉末加热，制备涂层；另一部分则以损耗的方式产生热量，对阴、阳极加热。为了保证喷枪的正常工作，必须对冷却水流量进行相应的理论计算，为整体设计提供依据。根据流体力学公式，流体的相关重量流量可按照公式w=μ·A·（2Δρ/ρ）1/2计算[10]，式中，μ为条件参数，与阀门、管子的形状有关，通常取0.6～0.65；A为喷嘴水冷孔道截面积，单位m2；Δρ为通过管子前后的压力差，单位Pa；ρ为冷却水密度，单位kg/m³。从上述公式可知，冷却水流量的大小与冷却水压力成正比。

按照工厂设备使用要求，一般喷枪冷却水温度不得超过50℃。一般通过风冷机冷却后进入喷枪的水温约为25℃（298K），允许冷却水温升到50℃（323K）。根据焦耳定律，等离子喷枪在45kW左右条件下转化成的热量为Q1=0.24·U·I·t，即在单位时间内45kW的喷枪产生的热量为 0.24×45000=10800K， 但 由 于 产生热量存在一定的损失，此损失即为对冷却水做功产生的热消耗，即乘以相应的热效率系数，此处选择热效率η=0.8，则用于提高水温的单位时间内的热量为Q2=Q1·（1-η）·t=2160K；为了使出口温度不超过许用温度，相应需要的单位时间内冷却水质量流量为W=Q2/（C·ΔT·ρ），式中，ΔT为冷却水的温升，C为冷却水的比热，ρ为冷却水密度。计算得到，水的温升不超过5.9℃，满足要求。

3 等离子喷枪性能测试

3.1 启动试验

对所设计制造的喷枪进行了组装并安装在机械手上，如图6所示。

同时，进行水、气密封试验。在入口压力为0.8～0.9MPa的冷却水循环系统中，持续运行60min，检查未发现任何喷嘴、接头及内部的冷却水渗漏现象，表明等离子喷枪水路结构配合紧密。观察水循环系统的流量表，显示持续运行过程中水流量一直保持在6～6.3GPM（22～26L/min），表明等离子喷枪内部水路设计合理，运行畅通。

图5 喷枪冷却水路示意图

图6 喷枪组装图

对喷枪进行高频点火测试。透过反光镜可以看到明显的高频点火火花，表明喷枪电路正常，可以进行点火试验。按如下条件进行空点火试验：等离子气种类为Ar；等离子气流量为120 SCFH；电流为320A；氢气流量为0。经过16次点火-设备关闭-重新点火测试循环，点火成功率为100%，表明喷枪工作正常，初步满足制备DVM热障涂层的要求。由于制备DVM热障涂层时要求等离子气体有很高的热焓值，需将常规氩气改为氮气并混合适量的氢气作为等离子气，并进行点火测试，点火成功率100%，表明设计制作的喷枪普适性好，可以进行涂层工艺试验。

3.2 喷涂试验

DVM-TBC等离子喷涂的制备工艺流程如图7所示。

表2 喷涂工艺参数

图8 涂层金相组织

粉末材料分为两类：底层采用等离子喷涂NiCrAlY粉末，牌号为Amdry 962；面层采用Metco 204NS。喷涂工艺参数如表2所示，该工艺的特点是喷涂距离短。在面层的研制方面，对试样进行了400℃以上的预热。喷涂过程中喷枪移动速度为1200mm/s，预热15次后用红外测温仪测得基体预热温度为473℃。喷涂完后整个基体发红，实际温度大于550℃。金相组织如图8所示。由图8a）可知，底层涂层几乎没有大于50μm的未熔颗粒，涂层致密，孔隙率小于10%，氧化程度低；涂层结合强度为32 MPa左右，满足27 MPa要求。由图8b）可知，面层涂层中存在垂直的微裂纹，涂层致密，孔隙率小于5%；涂层结合强度大于10 MPa。

4 结束语

本文对自制的等离子喷枪冷却系统进行了设计：

1）在喷嘴内设计了导流器，冷却水进入内枪体后通过收缩管，提高了水速，可直接喷到阴极头内腔顶端，通过中间绝缘体到达外枪体，再从外枪体到达阳极喷嘴，实现了该区域的有效冷却。

2）设计了隔流环，使整个阳极水冷通道无“死水区”，同时使冷却水紧贴喷嘴通道外柱面，利用强迫对流换热机理，大大加强了喷嘴的换热。

3）利用三维模型验证水、气密封的有效性及通道走向的正确性，根据喷枪功率验证目前冷却水泵是否满足新设计制作喷枪所需的冷却水需求，并对改良后的喷枪进行性能测试，测试结果显示喷枪普适性好，性能稳定，喷涂涂层达到指定要求。

该喷枪可为热障涂层的研究提供有力保障。