精密热喷涂送粉器的设计与功能实现

郭岗岗，何富君，解 芳，翟长生

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318) (2.南阳理工学院智能制造学院，河南 南阳 473004) (3.河南汉工机械再制造技术有限公司，河南 南阳 473131)

所谓热喷涂技术，就是利用热源将喷涂材料加热到液态或半液化状态，并将其熔融物经过雾化后以较高的速度喷射到预先处理好的金属基体表面，从而形成具有一定结合强度的涂层技术[1-2]。其中送粉器是热喷涂系统的核心装置，其主要功能是按工艺要求定量地向喷涂枪输送粉末材料，送粉过程的精密性、连续性直接影响到喷涂过程的均匀性、稳定性，乃至喷涂层的质量。由于待喷涂的粉末材料不同，因此对应的热喷涂工艺方法也不尽相同。笔者通过对热喷涂送粉器进行大量的研究，提出螺杆式和沸腾床式复合型精密热喷涂送粉器，它将两种类型送粉器的优点充分发挥出来，工作时通过螺杆控制出粉量，然后再由沸腾床式送粉器送粉[3-5]，能够输送各种类型的粉末。

1 精密热喷涂送粉器的设计

该精密送粉器是基于主动输粉和压差设计的新型螺杆式送粉器，其中螺杆主动送粉是达到送粉要求的核心。这个设计主要涉及到两个方面的理念基础：一是螺旋输送机理，二是气固两相流理论，基于此实现连续、稳定的精密送粉。

1.1 送粉螺杆的设计及关键参数计算

螺杆是精密送粉器的核心部件，是实现精密送粉的关键。在对常用的梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹分析比较后，确定本文设计的螺杆选用单头锯齿形螺纹结构，其截面为不等腰三角形。如图1所示，一侧牙形斜角为6°，另一侧牙形斜角为40°，工作时电机将扭矩传递给螺杆，产生径向力和轴向力，轴向力将对粉末产生推力，从而将粉末输送出去[6]，能够实现连续、稳定送粉。结构设计如图2、图3所示，电机通过与螺杆前端连接，在将动力传动给送粉螺杆的同时，还能实现送粉螺杆的轴向定位，防止送粉螺杆轴向窜动。送粉螺杆两端使用O型密封圈防止粉末外漏。

图1 锯齿形螺纹示意图

图2 送粉螺杆及其附属配件示意图

图3 送粉螺杆三维图

精密送粉器的关键参数是达成量化、精密、连续送粉的基础，其中对送粉螺杆的关键参数进行估算和优化尤其重要。本文依据单位时间内的最大输送量、螺杆最大转速、螺杆外径、螺距、螺杆轴径等主要参数，确定送粉螺杆的关键参数。

输送量的计算公式为：

(1)

式中：Q为输送量，g/min；ρ为粉末的单位容积质量，g/cm3；φ为填充系数，取0.5；D为螺杆外径，cm；S为螺矩，cm；n为螺杆转速，r/min。

由式(1)可知，输送量Q与螺杆外径D、螺距S、螺杆转速n以及填充系数φ有关，当输送量Q确定后，通过分别调整几个参数就能满足对Q的要求。

螺杆最大转速的计算公式为：

(2)

式中：nmax为螺杆最大转速，r/min；g为重力加速度，m/s2。

当螺杆轴转速增大时，输送量也会增加，但是当螺杆轴的转速达到一定值后，粉末会被抛起并随螺杆轴一起做周向旋转，沿螺杆轴向的输送位移减小，故螺杆的转速应该被限制在一定范围内。

联合式(1)、式(2)可得最大输送量Qmax：

(3)

代入数据，求得螺杆的关键参数，见表1。

表1 送粉螺杆的关键参数计算值单位：mm

1.2 压差气路的设计

为进一步提高送粉速的稳定性和连续性，实现精密送粉，本文采用了压差气路设计。具体方案是：送粉气体进入精密送粉器后分为两路，一路进入送粉筒，另一路通往送粉螺杆前端的气孔，进入送粉螺杆(其气体压力小于进入送粉筒的气体压力)，如图4所示。这样的压差设计能确保送粉筒内的粉末稳定地输入螺杆，并在螺杆前端气体的共同作用下，与螺杆主动送粉相结合，确保送粉的连续性和一致性，实现精密送粉功能。

图4 压差设计原理图

1.3 送粉器的关键结构设计及总成设计

送粉器的关键结构设计是实现精密送粉的基础。送粉器主要由送粉桶和送粉座构成。送粉桶是承载粉末的装置，主要由上盖、连接盖、桶体三部分构成。上盖设置载气孔，使送粉气能够进入送粉桶，在桶内形成主动压力；桶底部设计为锥体形状，用于缓冲粉末对螺杆造成的压力；粉末在重力和压力的双重作用下被压入送粉螺杆装置，确保实现精密送粉，其结构和三维图如图5、图6所示。送粉座是送粉器承载主体，上连接送粉桶，内部承载送粉螺杆，也是载气通入和气粉混合物进入送粉软管的过渡机构，其三维结构如图7所示。本文对送粉桶、送粉座及其他附属结构进行选型和设计，完成了整个装配图的总成设计，爆炸图、三维装配图分别如图8(a)、图8(b)所示。

图5 送粉桶结构图

图6 送粉桶三维图

图7 送粉座三维图

精密送粉器的结构设计是实现精密送粉的基础，通过整个装配图的总成设计、加工并进行实际连接就可以得到实际系统[7]。该送粉器通过可编程逻辑控制器(PLC)控制送粉气(氮气)，将粉末精确地送入喷涂枪，从而完成喷涂工作。在线复合喷涂系统如图9所示。

图8 精密热喷涂送粉器的三维总成图

图9 在线智能涂层预制备系统框图及实际设备及联接

2 送粉器性能的试验分析

2.1 送粉器精度的测试结果及分析

送粉器的送粉均匀性是影响在线智能复合涂层预制备的重要因素，而送粉精度是衡量送粉器能否满足均匀稳定送粉的一个重要指标，现就送粉器的送粉精度进行测试，观察其送粉的一致性和稳定性[6]。实验材料选用Ni60粉末，粒度分布为15～45 μm，松装比为1 g/cm3，流动性为1 s/50 g。

在实验前，将粉末置于烘箱中，120 ℃烘干1 h，保证粉末处于干燥状态，然后将粉末装入送粉桶中[6]。

实验：取烘干好的1 kg粉末装入粉筒中，送粉气压力为0.45 MPa，螺杆转速通过控制精密送粉器的电压来实现，设置控制电压为12 V，测量次数为5次，测得单位时间的送粉量见表2。

表2 送粉精度测试数据

由表2可知，不同参数下测得的送粉精度均在2%以下，达到了规定的精度要求，可实现稳定、连续送粉的功能。

2.2 不同因素对送粉速率的影响

取烘干好的1 kg粉末装入粉筒中，送粉气压力为0.45 MPa，送粉气流量为7.5 L/min，测量次数为5次，测得不同转速时(不同的电机电压)单位时间的送粉量如图10(a)所示。另外，在精密送粉器的电机电压为12 V(反映的是螺杆转速)、其他条件不变的情况下，测试了不同送粉气流量的送粉速率，如图10(b)所示。

在其他条件相同的情况下，不同的电压(螺杆转速)会使送粉量产生变化，电压(转速)越高，则送粉量越大，送粉速率与转速之间具有近似线性关系，这与理论计算的结果相吻合。送粉气流量的变化，会使送粉速率有所变动，但变动幅度较小，与送气流量相比，螺杆转速的影响会更大。由此可见，在螺杆结构一定的情况下，螺杆转速对送粉量起着决定性的作用。

2.3 涂层制备及微观组织特性分析

实验以45钢作为基体，选用Ni60粉末作为喷涂材料，粉末的主要化学成分(质量分数)见表3。

表3 Ni60粉末的化学成分

基体为30 mm×20 mm×10 mm的45钢板。喷涂工艺过程如下：基体表面除油、除锈、粗糙化，使其表面粗糙度Ra达到3.2～12.5 μm，喷砂完毕后进行智能复合喷涂层的制备。喷涂层的厚度为0.5 mm，喷涂工艺参数见表4。

表4 在线智能复合喷涂工艺参数

图10 不同因素对送粉速率的影响

待涂层金相试样镶嵌后，通过不同粒度的砂纸，由粗至细，将试样磨平后，使用金刚石抛光膏抛光涂层试样，然后通过LEXT OLS4100奥林巴斯激光共聚焦显微镜和蔡司Zeiss EVO HD 15 (SEM/EDS)扫描电镜观察、分析喷涂层的表面和断面形貌、组织结构。

图11所示为Ni60喷涂层的断面形貌。由图可见：该喷涂层细腻，界面结合良好，仅存在少数微小的孔洞及氧化夹杂。

图11 Ni60喷涂层断面形貌

2.4 孔隙缺陷率测试分析

本文采用OLYCIA金相分析软件进行孔隙缺陷率测试。其基本原理：通过阈值分割操作，将拍摄到的金相图片进行二值化处理，从图像中自动提取孔洞相，在必要的情况下进行人工修改，然后系统根据选中的孔洞总面积除以被测金相图像总面积即得到孔隙缺陷率。

根据公式(1)可以得出平均孔隙缺陷率η：

η=Sb/Se×100%

(1)

式中：Sb为涂层横截面孔隙缺陷面积之和；Se为涂层横截面面积。

为了确保数据的客观性和可靠性，每种试样取5个涂层视场进行测试。Ni60涂层的孔隙缺陷率见表5，结果表明，Ni60喷涂层的孔隙率平均值为1.64%。

表5 Ni60喷涂层的孔缺陷率 %

3 结束语

本文将螺杆送粉原理与气固两相流理论相结合，通过主动送粉结构与压差结构设计，依据送粉器拟实现的基本功能，将精密送粉器与在线智能复合喷涂配套系统联接，对精密送粉器的精度、各影响因素进行实验研究。结果表明，其送粉精度小于2%，送粉效率可调范围宽，证明该精密送粉器参数达到了规定的技术指标，满足了在线智能复合喷涂对精密送粉器的功能要求。