粉末电爆喷涂用于管内壁涂层制备方法的研究

摘要

电爆喷涂是一种新型热喷涂技术，利用高电压对喷涂材料脉冲放电，瞬时大电流将其加热并发生爆炸，产生高温喷涂粒子伴随冲击波喷射到基材表面沉积形成涂层。目前的电爆喷涂方法主要选用丝或箔作为喷涂材料，但很多高性能的喷涂材料常常是以粉末的形式存在，因此以粉末作为电爆喷涂材料进行喷涂具有一定优势。在实际工业生产中有大量管件的内壁需要进行改性处理，比如在火炮管内膛喷涂抗烧蚀性的材料、化工和输油管道内壁喷涂防腐蚀材料、汽车汽缸套上喷涂耐磨损材料等。传统的喷涂方法有很多种，例如火焰、电弧以及等离子喷涂等，利用传统的热喷涂技术在管内壁制备的涂层结合强度低，而且这些喷涂方法使用高温焰流对喷涂粒子加热和加速，需要较大的喷涂距离，这导致装置尺寸较大，很难伸入管件中对其内壁进行喷涂。电爆喷涂方法制备涂层时爆炸产物温度高、速度大，形成涂层时释放大量的热使界面处熔化，与基体形成了微区的冶金结合，大幅提高了涂层与基体、涂层与涂层之间的结合强度；并且，电爆喷涂过程中在爆炸冲击波的作用下爆炸产物获得了极大的速度，无需对其再进行雾化加速，为喷涂装置的小型化提供了可能。
　　本研究自行设计制作一套适用于管内壁的粉末电热爆喷涂装置，纯钼粉均匀定量的涂覆在聚乙烯载料约束杆上，由载料约束杆连续稳定地送至爆炸枪头的两电极之间发生爆炸，喷涂材料高速喷射到基体表面形成涂层。喷涂枪头设计成圆管状，确保喷涂装置可以伸入圆管内，爆炸腔是具有消融效应的聚乙烯材料制作的，对爆炸产物进行定向约束，实现管内壁的定向喷涂。以纯钼粉作为喷涂材料进行试验，在储能电容器的电容、两电极距离确定的情况下，改变施加在喷涂材料上的初始电压、粉末涂敷量以及喷涂距离进行粉末电爆喷涂试验。试验表明粉末电爆喷涂的爆炸产物由粒径大小不一的液相颗粒组成，喷涂时爆炸产物中大颗粒产物(粒径大于30μm)处于喷射流后端，小颗粒产物(粒径小于30μm)在喷射流前端，大颗粒最后到达沉积在涂层的表面。爆炸产物的粒径、喷射速度等特性与电爆工艺参数有关。初始电压与粉末涂敷量决定了施加在喷涂材料上的能量密度，能量密度在140~320J/mm3范围内时涂层致密，产物中大颗粒很少，表面覆盖大颗粒的涂层约占四分之一，涂层致密且与基体冶金结合，发生元素扩散。当能量密度大于320J/mm3或小于140J/mm3时，涂层表面粗糙不易形成冶金结合，表面覆盖大颗粒的涂层超过一半。对不同的过程参数下的涂层进行分析，可以得到，粉末电爆喷涂过程中粉末上沉积的能量密度对爆炸产物中大颗粒份额和涂层与基体的结合情况有决定性作用。不同的喷涂距离获得的涂层具有不同的特性，喷涂距离过小时涂层的面积基本与爆炸枪头的喷口面积相近，成形致密均匀；喷涂距离增大，涂层面积增大，成形较为完整，当喷涂距离增大到一定程度后基体会出现裸露。试验对不同初始电压下电爆的电学信号进行测量，发现粉末电爆时导入喷涂材料的电流波形的峰值会随着初始电压的增大而变大，发生一次电爆的反应时间会缩短。同时还发现，初始电压超过一定值以后，连续粉末电爆喷涂过程的能量利用率会降低，初始电压高于11kV后，粉末电爆过程中能量利用率会趋于稳定。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 电爆喷涂技术概述

1.3 电热爆喷涂的研究现状

1.4 研究内容

第2章 管内壁粉末电热爆喷涂装置开发

2.1 引言

2.2 管内壁粉末电爆的喷涂装置

2.3 管内壁粉末电爆喷涂装置的设计制作

2.4 本章小结

第3章 管内壁粉末电爆制备涂层的工艺试验

3.1 引言

3.2 试验方法

3.3 试验结果与分析

3.4 本章小结

第4章 电爆过程电学信号的测量与喷涂过程分析

4.1 引言

4.2 电学信号测量装置

4.3 粉末电爆过程电学信号的测量

4.4 喷涂过程分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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