热喷涂用送粉器国内外现状及发展

孙爱军，汤倩，鲍曼雨，汪瑞军

（1.海军驻贵阳地区军事代表办事处航空配套办公室，贵阳 550009；2.中国农业机械化科学研究院，北京 100083）

热喷涂是一种利用某种热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，雾化后形成的熔滴以一定速度喷射到经过预处理的基体表面形成具有一定结合强度涂层，进而提高基体材料性能的工艺方法[1-3]。它可以使基体达到防腐、耐磨、隔热、绝缘、抗高温、抗氧化、导电、防微波辐射等一系列多种不同功能[4-5]。涂层功能的多样性是由不同喷涂材料的性能所决定的，所以喷涂材料是热喷涂技术的核心[6-10]。目前，依据形状分类，热喷涂材料主要分为粉末、丝材和棒材，而粉末是热喷涂使用最广泛的喷涂材料[11-13]。

热喷涂工艺方法的不同导致其喷涂设备存在差异，但依据热喷涂技术的原理，其设备均是由喷枪、热源、气源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。送粉器作为热喷涂系统中的核心组成部分，它是按工艺要求定量地向喷枪输送粉末的装置，其送粉过程的连续性、均匀性、稳定性直接影响到涂层的质量。由于每种热喷涂工艺方法使用的粉末材料有所不同，对送粉特性的需求不同，因此热喷涂专用的送粉器种类较多，但基本类型大致可分为转盘式送粉器、沸腾床式送粉器、螺杆式送粉器、刮板式送粉器、鼓轮式送粉器和电磁振动式送粉器。本文收集了近年来国内外热喷涂用送粉器的基本类型及商品化设备的相关信息，分析比较了不同送粉器间的差异和适用范围，提出了国内热喷涂用送粉器的发展趋势。

1 热喷涂送粉器的分类

1.1 转盘式送粉器

转盘式送粉器是基于气体动力学原理来实现送粉功能的。该类送粉器主要由粉斗、粉盘、吸粉嘴和出粉管组成。粉盘上带有凹槽，整个装置处于密闭的环境中，工作时，粉末依靠自身重力作用从粉斗落入粉盘的凹槽中，电机带动粉盘旋转，当粉末送至吸粉管处，在气体压力的作用下粉末被送至出粉管，最终送到喷枪中[14]。

1.2 沸腾床式送粉器

沸腾床式送粉器主要由粉斗、送粉轴和压力表组成，它是基于气固两相流原理实现送粉功能的。工作时，粉斗上下进气通道分别通入气体加压，粉斗内的压力与送粉轴内载气的压力形成一定的压差，在压差、粉末重力和外部振动装置的作用下，粉斗内的粉末到达轴上的小孔处并在那里达到流化状态，然后进入到送粉轴中，最后在载气的作用下输送到喷枪中[15]。

1.3 螺杆式送粉器

螺杆式送粉器是依据机械动力学原理来实现送粉功能的。它主要由粉筒、螺杆、振动器、混合器、电机等组成。工作时振动器振动，使粉末充满螺纹间隙，电机带动螺杆旋转，使粉末沿着粉筒壁送至混合器中，然后由混合器中的载流气体将粉末输送到喷枪中。

1.4 刮板式送粉器

刮板式送粉器主要由粉斗、承粉转盘、刮板、接粉斗组成。工作时，粉末从粉斗中依靠自身的重力和载流气体的压力流至转盘，电机驱动承粉转盘转动，并将粉不断送至与转盘紧密接触并固定于转盘上方的刮板处，刮板不断将粉末刮下至接粉斗，最终在载流气体的作用下粉末通过送粉管进入到喷枪中。

1.5 鼓轮式送粉器

鼓轮式送粉器主要由粉斗、送粉轮、粉勺组成。粉末从粉斗中落入下面的粉槽，在大气压强和粉槽内的气压作用下，粉末的堆积量在一定范围内保持动态平衡，鼓轮匀速转动，其上均匀分布的粉勺不断从粉槽内舀取粉末，然后在另一侧倒出粉末，最终粉末在自身的重力作用下从出粉口流出[14]。

1.6 电磁振动式送粉器

电磁振动式送粉器主要由电磁振动器、贮粉仓、阻分器和螺旋槽等组成。工作时，电磁振动器使阻分器振动，贮粉仓内的粉末沿着螺旋槽逐渐上升到出粉口，最后由载气送出[14]。

2 热喷涂送粉器性能比较

上述几种基本类型送粉器的性能对比如表1所示。

表1 MCrAlY粘结层和YSZ面层喷涂工艺参数Table 1 Parameters for MCrAlY coating sprayed by LPPS and YSZ coating sprayed by PS-PVD

沸腾床式送粉器 对粉末种类形态没有要求[16]；整个输粉过程依靠气体输送，避免了机械摩擦对于不同粉末，都需要进行送粉速率的标定，整个输粉过程依靠气体输送，仅依靠调节气体压差来控制送粉速率是不精确的适用于热喷涂各种工艺中螺杆式送粉器 干、微湿粉均可；适合小颗粒粉末输送；送粉速率可连续控制；靠螺纹间隙送粉，要求送粉量不能太小，故不能实现微量送粉[17]；螺杆与粉筒内壁产生机械摩擦，对送粉精度产生影响超音速火焰喷涂刮板式送粉器 适合大颗粒粉末的输送不适合小颗粒粉末的输送，容易在出粉口处堵塞，故连续、均匀性差等离子喷焊鼓轮式送粉器 适合大颗粒粉末的输送对粉末干燥程度要求高，微湿粉末和超细粉末容易堵塞粉勺，使送粉不稳定，精度降低等离子喷焊电磁振动式送粉器 反应灵敏 送粉速率可控性差且送粉精度不高 等离子喷涂/喷焊

3 国内外热喷涂送粉器的现状

3.1 转盘式送粉器

转盘式送粉器是由B.Grunenwald和St.Nowotny设计的[18]，且其成熟的技术和稳定的送粉速率在热喷涂领域已被认可，商业化应用和生产已达数十年。由瑞士Sulzer-Metco公司生产的单/双粉筒120和140系列送粉器，通过加入PLC来控制转盘的转速，进而调节送粉速率，输送粉末粒度范围在5～200μm,送粉速率0.1～18kg/h，送粉精度可达±1%。

美国Thermach公司生产的AT-1200型转盘式送粉器通过采用闭环电子控制元件控制转盘转速，实现了送粉速率的连续精确控制。此外，该系列送粉器还带有等离子/超音速火焰喷涂选择模块和本地/远程选择模块。荷兰FST公司生产的PF-50型转盘式送粉器功能与美国Thermach公司AT-1200型转盘式送粉器类似。美国Praxair公司和荷兰FST公司分别生产的1264WL型送粉器和FST-10、FST-20型送粉器都是通过闭环反馈粉筒重量的减少量来提高送粉精度的。

美国Plasma Powders&Systems公司生产的PF-700、PF-2810和PF-3500型送粉器以其体积小，便于携带至工作场所的特点而独树一帜。

上述国外公司生产的转盘式送粉器，都在一定程度上完善了基本类型转盘式送粉器的不足，改进的倾斜粉筒设计使粉筒更容易清扫，闭环反馈装置的加入使其送粉精度进一步提高，等离子/超音速火焰喷涂选择模块和本地/远程选择模块增强了其适用性。此外，粉筒外部的加热装置可以防止粉末受潮，从而使得粉末输送更加容易。

3.2 沸腾床式送粉器

20世纪80年代由Amit Suri 和Masayuki Horio 设计的沸腾床式送粉器[19]在热喷涂领域逐渐被商业化应用起来，它较之前应用于热喷涂领域的转盘式送粉器具有成本低、体积小、易于清扫的特点，并且其局部流化的方法保持了对于涂层质量均匀性极其重要的粉末形态，同时，这也是沸腾床式送粉器相较于其它机械式送粉器的显著优点。以上这些特点促使其在热喷涂各种工艺中得到了广泛的应用。

目前，国外生产沸腾床式送粉器的代表性公司是瑞士Sulzer-Metco公司，该公司生产的沸腾床式送粉器代表系列有5MPE系列和9MP系列，这两种系列送粉器都是在沸腾床式送粉器基础上都过增加外围控制模块来实现精确送粉功能的。

5MPE型送粉器原理如图1所示，该送粉器加入压差调节装置，一旦载气压力发生变化，压差调节装置就会通过调节粉筒内气体压力来保证载气和粉筒内之间的压力差恒定，以此来稳定送粉速率，其送粉精度可达±5%。

图1 带有压差调节器的沸腾床式送粉器Fig.1 Fluidized bed powder feeder with a differential pressure regulator

9MP系列送粉器原理如图2所示，送粉器的粉斗位于一个可以称量粉斗和粉末重量的称重模块上，随着粉末输送过程的进行，粉斗整体重量不断变轻，称重模块将减少的重量以电信号的形式传送给送粉器的处理器，同时微处理器会计算出当前送粉速率，如果实际的送粉速率偏离了设定的送粉速率，电气调节器会通过调节粉斗内的压力来稳定送粉速率。

图2 带有称重模块的沸腾床式送粉器Fig.2 Fluidized bed powder feeder with a load cell

国内生产沸腾床式送粉器并商业化销售的代表性单位有北京航天振邦精密机械有限公司和中国农机院表面工程技术研究所（北京金轮坤天特种机械有限公司）。其中，螺杆式和沸腾床式复合型送粉器比较有特色，它充分利用了两种类型送粉器的输粉特性，工作时由螺杆控制出粉量，然后由沸腾床式送粉器送粉，适合输送各种类型的粉末。

国内胡晓冬等人在沸腾床式送粉器的结构基础之上，设计了基于PIC单片机的送粉器控制系统，通过加入重量传感器，实现了送粉过程的闭环控制[20]。

3.3 螺杆式送粉器

L.Li和W.M.Steen设计的螺杆式送粉器[21]以其稳定的送粉速率广泛应用于超音速火焰喷涂和等离子喷涂中，国外生产螺杆式送粉器的代表性公司有英国Metallisation公司和美国Powder Feeder Dynamics公司，其中美国Powder Feeder Dynamics公司生产的MARK-XV型螺杆式送粉器加入了闭环控制模块，送粉精度可达±0.5%，同时该类型送粉器的粉筒还具有半自动清理功能。国内铁岭永兴热喷涂有限公司生产的SFⅡ-10C型螺杆式送粉器适用粉末粒度在10～200μm,送粉速率 2～200g/min。

3.4 鼓轮式送粉器

乌克兰Plasma Master公司生产的PM-PF-10型送粉器是一种鼓轮式送粉器，它可以通过调节转鼓的转速精确控制送粉速率。此外，国外Ktech实验室送粉装置也是基于鼓轮式送粉器并在其基础上增加了粉末计量装置设计而成的,它主要应用在高压冷喷涂系统中，同时也可以应用于低压热喷涂系统[22]。

3.5 功能梯度材料送粉器

功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，简称FGM）是指材料的微观结构和物理化学性能逐渐呈梯度变化的一类材料[23]。热喷涂领域中为了制备功能梯度材料涂层，一般有两种方法：一种是将预先混合好的粉末来逐一制备不同混合比例的涂层，另一种方法是在沉积过程中通过改变粉末的相对比例同时输送两种粉末来制备功能梯度材料涂层[24]。

为了实现功能梯度材料在等离子喷涂中的应用，国内学者艾辉等人[25]提出了微机化梯度功能材料送粉器的设计方案，设计研发了基于单片机的梯度功能材料送粉器的设备。国外学者M.K.Al Mamun等人[24]采用沸腾床式送粉器，通过在其外围增加控制单元来实现功能梯度材料的制备功能。其原理是通过电机调速来改变两个储粉筒内的的粉末输送速率，然后将其输送到另一个粉斗内，进而可以得到不同混合比例的粉末材料。

4 .我国热喷涂送粉器的发展趋势

随着我国热喷涂技术应用领域的日益扩大，对高性能热喷涂专用送粉器开发研制的需求十分迫切,大量采购国外先进送粉器设备不是长久之计，因此，近年来国内的科研单位紧跟用户需求，在以下几个方面研发热喷涂专用送粉器：

（1）精准化：送粉精度是热喷涂送粉器的关键技术指标之一，提高送粉精度的方法除了结构设计上的改进之外，加入高响应反馈模块来控制调 节送粉参数是高性能送粉器发展的趋势之一。反馈模块最直接的反馈量是送粉速率，沸腾床式送粉系统通过加入压力传感器来间接测量粉末流速。机械类送粉系统则是要通过光学、静电或电磁传感器来测量粉末流速[26]。由于粉末差异性的存在，在送粉器更换喷涂粉末时，送粉速率都需要进行重新标定，重量减少闭环反馈模块的引入使得操控人员无需再对送粉速率进行重新标定[27]。

（2）功能梯度材料在表面工程领域展现出了良好的应用前景，而从工艺和可行性上，热喷涂技术在制备功能梯度材料方面又表现出了较大优势，所以功能梯度材料送粉器的研制将会是送粉器的一个发展方向[28～30]。

（3）智能化：更加友好的人机界面是现代送粉器的发展趋势之一。

我们有理由预测三到五年内，具有我国自主知识产权的热喷涂专用商品化送粉器一定能够在我国蓬勃发展的热喷涂事业中发挥出巨大的作用。