多功能超音速火焰喷涂方法及智能控制系统 本发明属于热喷涂技术领域，涉及一种多功能超音速火焰喷涂方法及智能控制系统。
超音速火焰喷涂(HVOF)是80年代发展起来的一种热喷涂方法，该喷涂方法自开发以来，由于其优异的涂层性能，在工业中得到了广泛地应用，特别是在航空、航天以及其它一些对涂层性能要求较高的领域。近年来，超音速火焰喷涂发展迅速，成为热喷涂中最有活力的喷涂方法之一。在本发明以前的现有技术中，有多种超音速火焰喷涂方法，并经历了三个发展阶段。第一代的HVOF喷涂方法以“Jet-Kote”为代表，采用丙烷、丙烯或氢气作为燃气，氧气作为助燃剂，手柄式燃烧室燃烧，轴向送粉，喷涂效率2Kg/h左右，燃烧室和枪筒都采用水冷，粉末粒子的速度和温度可达到450m/s和2000℃左右。第二代超音速火焰喷涂方法以1989年出现的Dimaond Jet、Top-Gun和CDS为代表，使用燃气与氧气，喷涂效率3Kg/h左右，有的采用喉管式燃烧，有的采用燃烧室式燃烧，获得粒子速度约为500m/s左右，温度2500℃左右。第三代超音速火焰喷涂方法以JP-5000喷涂系统为代表，这些系统大多有高的燃烧室压力，可产生比第二代HVOF喷枪更高的粒子速度，粒子的速度可达600～650m/s，有的超过1000m/s，喷涂速率达到6～8Kg/h。同时，由于高的粒子速度可使涂层中产生压应力，可制备较厚的涂层。
现有的三代HVOF喷涂方法中，第一、二代的功率偏小，送粉量受到限制，约为3Kg/h，导致涂层的沉积速率低；粒子速度较低，只有400～500m/s左右，导致涂层的整体性能偏低，结合强度偏低，孔隙率偏高，限制了它们的应用。第三代在设计上有很大的改进，粒子速度高，涂层质量优越，结合强度高，可达90Mpa以上，孔隙率低，约为1％左右，涂层硬度高，可达HV1490。但是第三代喷涂方法在制备HVOF最具应用价值的WC金属陶瓷涂层时，喷涂粒子处于高温焰流中，很难避免WC的分解，易导致过分脱碳，降低涂层的性能，而且，制备一些金属和合金粉末时，涂层质量并不是很优越，喷涂某些氧化物粉末时，涂层质量不高。此外，本发明以前的控制系统现有技术，实质上只是一个带监控的燃烧装置。而本发明需要的是一个与超音速火焰喷涂方法相对应的智能控制系统，其控制系统控制对象多，除燃料、氧气、空气、粉末外，还有送粉器用地载气，喷枪所用的冷却水；其控制过程复杂，包括燃料与助燃剂的输送调整、送粉过程、冷却过程；其监控的工艺参数多，包括煤油的流量、压力，煤油油箱的液位，氧气与压缩空气的流量、压力，冷却水的入枪与出枪水温，喷枪燃烧室的压力等。因此，对于控制对象多，过程复杂，监控参数多的本发明方法，现有技术的燃烧器控制系统不可能完成。
针对上述超音速火焰喷涂方法及现有技术状况和不足，本发明的目的在于：提供一种新的多功能超音速火焰喷涂方法，使之既具备第三代HVOF喷涂系统涂层质量高，结合强度高，孔隙率低，涂层硬度高，喷涂效率高等优点，又克服喷涂WC金属陶瓷粉末时的分解脱碳难题，使喷涂金属、合金和氧化物陶瓷时具备良好的涂层性能。同时，开发一种与之配套的多功能超音速火焰喷涂智能控制系统，要求该控制系统控制准确，灵敏度高，监控有效，处理措施得当。能够自动完成喷涂系统的各种控制功能。
现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：
本发明利用煤油为燃料，氧气和压缩空气为助燃剂，其特征在于：用本发明智能控制系统将煤油和氧气(压缩空气，或氧气与压缩空气的混合气)以一定的流量，经高性能雾化喷咀雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室；混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，通过喷枪中的拉伐尔喷咀将其加速到超音速；送粉系统将喷涂粉末从喷枪中拉伐尔喷咀的负压区送入超音速射流，经射流加温加速后从喷口喷出，高速喷向工件表面沉积形成涂层。本发明的关键是通过调节进入喷枪的煤油、助燃剂(氧气与压缩空气的混合气体)的流量来调节焰流的速度和温度，从而控制喷涂粉末的加热和加速，避免WC金属陶瓷粉末的分解脱碳，制备高性能的金属涂层，合金涂层和氧化物陶瓷涂层。
本发明方法的方式和技术参数为：
燃料与助燃剂：煤油与氧气(状态1)、煤油与压缩空气(状态2)
燃烧方式：高压燃烧室
雾化方式：高性能射流雾化喷嘴
点火方式：火花塞点火
送粉方式：拉伐尔喷嘴后端负压区径向送粉
送粉载气：氮气
冷却方式：制冷系统水冷
燃烧室压力：0.7～1.0Mpa(状态1)，0.4～0.8Mpa(状态2)
氧气压力：1.2～1.6Mpa
氧气流量：22～24g/s
压缩空气压力：0.6～1.0Mpa
压缩空气流量：22～24g/s
煤油压力：1.3～1.7Mpa
煤油流量：1～3g/s。
根据上述多功能超音速火焰喷涂方法，本发明设计了相应的智能控制系统。控制系统的作用是按照一定的程序完成燃料与助燃剂的输送调节、冷却、点火、喷涂、监控、报警等各种控制功能，对整个喷涂过程进行有效的智能监控，并能采取相应的处理措施。要求该控制系统控制准确，灵敏度高，监控有效，处理措施得当。本发明控制系统，具有控制电路和控制管路，控制管路上装有各类压力表、电磁阀和泵机构，其特征在于：整个系统包括煤油供给，氧气—空气供给，点火、水冷、送粉五个子系统；煤油供给子系统由油箱、液位计、泵、流量计、流量调节阀组成，液位计将油箱的液位转换为电信号，压力表和流量计分别显示煤油的压力与流量，由本发明智能控制系统的控制电路和管路流量调节阀实施流量调节，以完成所需煤油的输送；氧气—空气供给子系由氧气源、空气源、电磁阀、氧气调压阀、空气调压阀组成，压力表显示气源压力，流量调节阀完成流量调节，混合器完成氧气与压缩空气的混合，以完成氧气、空气的输送和混合气的形成。水冷子系统由制冷机组、泵、阀组成，制冷机组将喷枪流回的高温水降温成冷冻水，泵将冷冻水高压送至喷枪，压力表和流量调节阀分别显示水压和调节水量，以完成喷枪的冷却和进出喷枪水温的监控。送粉子系统的核心部件是送粉器，它以氮气为载气，将喷涂粉末与载气混合成流态，以一定的压力和流量送至喷枪的负压区，送粉率可调，以满足喷涂工艺的需要。点火子系统由变压器、点火器、点火线圈、火花塞组成，点火系统工作时，点火线圈的次级感应出高压电，在火花塞的两个电极间跳火，点燃可燃混合气，以完成喷枪喷涂开始阶段的点火，点火要求可靠。各子系统所用的零部件和它们之间的连接关系表明了本发明控制系统实行的是分别控制、集中安装于控制台的实施方案。控制台集电、油、气、水控制于一身，保证各个子系统按一定的时序正常工作，并显示监控喷涂系统工作时的工作参数。控制台电路中设计了安全报警电路，在系统工作超出正常工艺参数范围时会自动报警，并作出相应的处理，保证系统正常工作。
现将本发明方法及控制系统结合最佳实施例附图作进一步说明：
图1：本发明工作原理图
图2；本发明流体管路系统控制原理图
图3：本发明电路系统控制原理图
图4：本发明控制台面板示意图
上述图1、2、3、4是本发明最佳实施例附图
图1中，各子系统所用的零部件和它们之间的连接关系表明了本发明方法的实施方案，同时也表明了本发明控制系统实行的是各子系统分别控制、集中安装的实施方案。
图2中，1DT是吹枪电磁阀，2DT是氧气电磁阀，3DT是空气电磁阀，4DT是回油电磁阀，5DT是供油电磁阀，t为温度传感器，h为液位传感器，p为燃烧室压力传感器。各子系统通过各流体管路中的压力表、电磁阀、调压阀、高压减压器、流量调节阀、流量计在控制电路的控制下对系统实施控制。
图3中，控制系统电原理图包括各种开关、智能仪表、电磁阀及其它元器件之间的连接关系。图中的燃烧室压力P、入枪水温T1、出枪水温T2、煤油液位H均为智能仪表，它们对所显示的参数进行监控，进行分析判断后，作出处理，当喷涂系统的工况超出正常工作范围时，系统报警，提示系统的故障原因，并停止喷涂，直到故障排除后，重新启动系统。图中QS为电源总开关、K0为电源开关、KM0为电源交流接触器、KM(油)为油泵电机交流接触器、K2为气路检查、K3为油路检查、K4为供水、K5为供气、K6为点火、K7为供油、K8为喷涂、K9为吹枪、ET为急停、t1、t2为水温报警、h为液位报警，P气为气压报警、P水为水压报警、(1-5)DT为各电磁阀、JS为各继电器。
图4中，控制台上安装了压力仪表和流量调节阀，对系统各控制对象进行显示和调节；安装了智能监控仪表，对系统的工作参数进行监控并作出处理；系统的操作包括喷涂前的系统检查，手动控制和自动控制两种操作方式，此外，系统还有报警和紧急停止开关。
本发明的工作程序是这样的：喷前检查：根据控制台上的喷前检查模块，按下相应的开关，进行油路检查，气路检查和水路检查，检查各路工作是否正常。喷涂：喷涂有两种操作方式，分别是手动和自动，手动喷涂时，按供水、供气、供油、点火、喷涂的顺序操作，自动喷涂时，按点火、喷涂的顺序操作。喷涂停止时，按与喷涂相反的顺序操作。
本发明同现有技术相比具有以下优点：
1.粒子飞行速度高，冲击动能高，粒子结合性好，喷涂的涂层结合强度高，孔隙率低，涂层致密。
2.粒子在大气中的飞行时间短，涂层中氧化物含量小。
3.粒子加热效率高，加热效果一致性好，粉末在高温区的停留时间短，其化学成分和相组成稳定。
4.喷涂涂层残余应力小，可制备厚涂层。
5.涂层硬度高，耐磨耐蚀性能好。
6.喷涂系统使用煤油与氧作为燃料，经济性好，安全性高。
7.喷涂粉末粒度范围宽，喷涂速率高，沉积效率高。
8.可用于氧—煤油喷涂，也可用于空气—煤油喷涂，还可以在氧气、空气同时供给的情况下，通过调节二者的流量来调节焰流的速度和温度，以满足不同的喷涂要求。
9.系统设计思想新颖，监控智能化，操作简便，维护保养方便。
本发明成功地设计了多功能超音速火焰喷涂智能控制系统，满足了多功能超音速火焰喷涂系统的需要。经喷涂试验表明，本控制系统控制准确，灵敏度高，智能化程度高，可操作性强，且符合人体工程学要求，控制系统设计思想也可在其它相关的燃烧领域应用。本发明与多功能超音速火焰喷涂喷枪配套，可制备金属、合金、金属陶瓷涂层，涂层质量优越，结合强度高，孔隙率低，硬度高，耐磨耐蚀性能好，可广泛应用在耐磨损、抗烧蚀、抗冲蚀、耐热、零部件强化等场合，特别是航空航天、电力、钢铁、化工、汽车等领域。同时由于涂层质量高，且使用煤油为燃料，氧气、压缩空气为助燃剂，与其它超音速火焰喷涂相比，燃料助燃剂价格低廉，具有很高的性能价格比，将产生巨大的经济效益、社会效益和军事效益，在工农业中有广阔的应用前景。