專利名稱：電爆炸－電磁加速超高速噴涂工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)領(lǐng)域，尤為是一種在基材表面噴涂難熔金屬、難熔導(dǎo)電陶瓷材料及金屬基陶瓷復(fù)合材料的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝。
背景技術(shù)：
表面工程技術(shù)就是利用各種表面涂鍍層及改性技術(shù)，以少量的膜層材料獲得基材不具備而又期望具有的性能與功能，它可顯著提高材料表面的耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、耐磨性能，從而顯著提高部件的使用壽命。
國外自20世紀(jì)60～70年代以來已開發(fā)了線爆炸噴涂工藝，但由于金屬線自由爆炸時，脈沖壓力和粒子速度隨爆炸半徑的增加而急劇衰減，故只能對較小直徑的內(nèi)孔進(jìn)行噴涂，且內(nèi)孔直徑一般不大于爆炸線直徑的40倍，不能對工件外表面進(jìn)行噴涂，局限性較大。由華北電力大學(xué)(北京)研發(fā)的電熱爆炸噴涂技術(shù)可對工件外表面進(jìn)行噴涂，但當(dāng)金屬箔(絲)發(fā)生電爆炸時，由于受噴槍內(nèi)壁的約束，爆炸高壓氣體和熔融粒子沿噴槍的封閉端向開口端方向運(yùn)動，對于向噴槍開口端運(yùn)動的氣體和粒子而言，粒子近似按一維運(yùn)動直接噴涂到工件表面而形成涂層，而對于向噴槍封閉端運(yùn)動的氣體和粒子而言，則當(dāng)高壓氣體沖擊波到達(dá)封閉端時，會產(chǎn)生波的反射，即沖擊波到達(dá)噴槍封閉端后反向運(yùn)動(向開口端方向)并形成高壓區(qū)，并且粒子到達(dá)噴槍封閉端后，高速撞擊封閉端表面并形成涂層(無法反射)，從而引起對工件涂層的沉積率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是公開一種可使熔融粒子在高壓氣體和電磁力的作用下加速向電爆炸室開口端作近似按一維運(yùn)動的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其步驟如下a.在待加工的材料表面作常規(guī)的清潔處理；b.在一端開口的半封閉腔體電爆炸室的封閉端設(shè)有兩電極，兩電極之間接有可導(dǎo)電的噴涂材料制成的箔、絲狀物的爆炸片；c.在電爆炸室的開口端處設(shè)置待加工的工件；d.兩電極通過10～30萬安培的沖擊大電流，箔、絲狀物的爆炸片在大電流的作用下發(fā)生電爆炸并向電爆炸室的開口端高速運(yùn)動；e.上述兩電極之一接一導(dǎo)線并平行設(shè)于兩電極的另一側(cè)，兩電極通過大電流時該導(dǎo)線同步通過一電流方向與兩電極通過的電流相反的大電流，產(chǎn)生一個電磁場，在爆炸片爆炸以前，電磁力對爆炸片的作用力指向槍口方向(大小可由數(shù)值法計算出)，而在發(fā)生電爆炸后，磁場力亦驅(qū)動待噴涂材料的微粒向槍口方向運(yùn)動，運(yùn)動速度可達(dá)2000～4500m/s，噴槍內(nèi)壓力可達(dá)200～500MPa；高速運(yùn)動的微粒與待加工的工件12表面產(chǎn)生高速碰撞在工件12表面形成噴涂涂層13。
上述的電爆炸室的內(nèi)腔的橫向尺寸應(yīng)大于或等于兩電極之間的距離，所述的箔、絲狀物的爆炸片的截面為矩形的箔片。
上述的爆炸物為難熔金屬W、Mo、Ta、Zr，或為導(dǎo)電陶瓷Tic、WC-Co、ZrC、TiB2、TiN、Hfc、Vc、Cr3C2，或合金或金屬間化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr2C3等金屬基陶瓷復(fù)合粉芯絲噴涂材料。
上述的平行設(shè)于兩電極的另一側(cè)導(dǎo)線為斷面為矩形的扁平狀導(dǎo)體，該金屬扁平狀導(dǎo)體的長度可與電爆炸室內(nèi)腔的橫向長度等長，寬度大于或等于爆炸箔的寬度，在10～20mm范圍。
上述的工藝過程可在真空狀態(tài)或保護(hù)氣體下進(jìn)行。
本發(fā)明解決了一般金屬線爆炸噴涂的局限性，金屬線爆炸的爆炸微粒速度有限，一般只能對小圓管內(nèi)壁噴涂，且顆粒到達(dá)圓管內(nèi)壁時速度一般低于1000m/秒，難以使涂層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，本發(fā)明的金屬電爆炸微粒速度可達(dá)2000～4500m/秒，可以對大型平面或圓弧面尺寸的金屬或非金屬工件的外表面進(jìn)行噴涂。爆炸微粒與工件表面的碰撞速度與碰撞壓力大為提高，使電爆炸后的金屬微粒和氣體在電磁力和高氣壓作用下，將噴涂粒子幾乎全部向噴槍出口方向運(yùn)動，從而極大提高了噴涂沉積率。本發(fā)明與華北電力大學(xué)(北京)前期開發(fā)的電熱爆炸噴涂技術(shù)相比，在相同的輸入能量下，不僅可使噴槍內(nèi)壓力提高15～30％，噴涂速度提高20～30％，而且可使噴涂材料沉積率由20～30％提高到40～75％。并可在常溫、正常大氣壓或真空、保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行噴涂，使涂層與基體達(dá)到冶金結(jié)合，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)150～數(shù)百M(fèi)Pa，任何導(dǎo)電材料均可作為涂層原料，并可噴涂熔點(diǎn)超過3000℃的金屬或金屬基陶瓷復(fù)合材料。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
圖2為本發(fā)明的電爆炸室的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的金屬箔與電極板距離之間的關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式請同時參見圖1～圖3，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的工藝步驟如下a.在待加工的材料表面作常規(guī)的清潔處理；
b.在一端開口的半封閉腔體電爆炸室1的封閉端設(shè)有兩電極2，兩電極2之間接有可導(dǎo)電的噴涂材料制成的箔、絲狀物的爆炸片14；c.在電爆炸室1的開口端處設(shè)置待加工的工件12；d.兩電極2通過10～30萬安培的沖擊大電流，箔、絲狀物的爆炸片14在大電流的作用下發(fā)生電爆炸并向電爆炸室1的開口端高速運(yùn)動；e.上述兩電極2之一接一導(dǎo)線3并平行設(shè)于兩電極2的另一側(cè)，兩電極2通過大電流時該導(dǎo)線同步通過一電流方向與兩電極2通過的電流相反的大電流，產(chǎn)生一個磁場，磁場力亦驅(qū)動電爆炸產(chǎn)生的待噴涂材料的微粒；高速運(yùn)動的微粒與待加工的工件12表面產(chǎn)生高速碰撞在工件表面形成噴涂層13，噴涂顆粒運(yùn)動速度在2000～4500m/s，噴槍內(nèi)壓力可達(dá)200～500MPa。
上述的電爆炸室1的內(nèi)腔的橫向尺寸應(yīng)大于或等于兩電極2之間的距離，所述的箔、絲狀物的爆炸片的截面為矩形的箔片。
上述的爆炸物為難熔金屬W、Mo、Ta、Zr，或為導(dǎo)電陶瓷Tic、WC-Co、ZrC、TiB2、TiN、Hfc、Vc、Cr3C2，或合金或金屬間化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr2C3等金屬基陶瓷復(fù)合粉芯絲噴涂材料。
上述的平行設(shè)于兩電極的另一側(cè)導(dǎo)線(3)為斷面為矩形的扁平狀導(dǎo)體，該金屬扁平狀導(dǎo)體的長度可與電爆炸室(1)內(nèi)腔的橫向長度等長，寬度大于或等于爆炸箔的寬度，約為10～20mm。
上述的工藝過程可在真空狀態(tài)或保護(hù)氣體下進(jìn)行。
結(jié)合圖1～圖3所示，對本發(fā)明作全面的描述，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)的裝置為包括產(chǎn)生大電流的電路、控制裝置和電爆炸室1，電爆炸室1為一端開口的半封閉腔體，電路中的斷開狀電極2設(shè)在電爆炸室1的封閉端，斷開狀電極2下方設(shè)有一磁場發(fā)生裝置；產(chǎn)生大電流的電路由升壓變壓器6、限流電阻5和高壓脈沖放電電容器組7構(gòu)成，高壓脈沖放電電容器組7配套有充放電控制裝置及保護(hù)回路，電容器電壓等級可為5、15、20、30KV四個等級(推薦使用30kV電壓等級)，電容器儲能為25～30KJ，控制裝置由間隙開關(guān)8、觸發(fā)裝置9、電流測量裝置10、電壓測量裝置11等組成，以控制電流的大小及通斷，上述各裝置均為已有的脈沖功率技術(shù)；電爆炸室1為一端開口的半封閉腔體，其內(nèi)腔為矩形截面，內(nèi)腔高度在100～180mm范圍，內(nèi)腔長度在60～90mm范圍，內(nèi)腔寬度在8～20mm范圍(由電容器儲能、所需單次噴涂面積大小決定)。該內(nèi)腔構(gòu)成一爆炸噴槍，電爆炸室1的開口端(即內(nèi)腔的開口)與待加工的工件12相對；電路中的斷開狀電極2設(shè)置在電爆炸室1的封閉端，電極2的兩個電極之間的斷開距離可根據(jù)所要聯(lián)結(jié)的小尺寸爆炸物14的長度尺寸或內(nèi)腔的橫向尺寸設(shè)定，內(nèi)腔的橫向尺寸應(yīng)大于或等于兩電極之間的距離；箔、絲狀物的爆炸片14為矩形截面的爆炸箔片，其橫截面積可為1～3mm2，長度為50～90mm，其可為難熔金屬(如W、Mo、Ta、Nb、Zr等)或?qū)щ娞沾?如TiC、WC-Co、ZrC、TaC、B42、TiB2、TiN、HfC、VC、Cr3C2等)及其它合金及金屬間化合物(如NiCr、NiAl等)，爆炸箔14的二個端點(diǎn)分別與電極2的兩個電極相對斷開的兩個端點(diǎn)相連，使電極2由于爆炸箔14與其相聯(lián)而由斷開狀變?yōu)檫B接狀；斷開狀電極2的下方設(shè)有一導(dǎo)線3，導(dǎo)線3為矩形扁平狀導(dǎo)體，該金屬扁平體的長度可與內(nèi)腔的橫向長度等長，其寬度大于或等于爆炸箔14的寬度，導(dǎo)線3置于電爆炸室1的封閉端并與其上方的電極2平行間隔，導(dǎo)線3與電路連接，該導(dǎo)線構(gòu)成一電極板，導(dǎo)線3在通過電流時，可產(chǎn)生與所通過的電流強(qiáng)度成正比的磁場強(qiáng)度，成為一磁場發(fā)生裝置，導(dǎo)線3所通過的電流的電流方向與通過爆炸箔14的電流方向相反且電流強(qiáng)度相等；當(dāng)導(dǎo)線3和聯(lián)有爆炸箔14的電極2分別通過電流強(qiáng)度相等但電流方向相反的幅值達(dá)數(shù)萬安培的沖擊大電流，爆炸箔14在數(shù)百微秒內(nèi)被加熱至熔化或汽化溫度，在快速加熱過程中，箔片內(nèi)部的部分材料首先被加熱到沸點(diǎn)而形成蒸汽，并在導(dǎo)線3產(chǎn)生的磁場力和噴槍內(nèi)腔的內(nèi)部熱壓力綜合作用下，高壓蒸汽爆炸，產(chǎn)生沖擊波，驅(qū)動熔融粒子高速運(yùn)動，沖擊波和熔融粒子并受到電爆炸室1內(nèi)腔的約束，使熔融粒子幾乎全部向電爆炸室1的開口端方向運(yùn)動，使熔融粒子的出口速度可達(dá)2000～4500m/s，粒子超高速沖擊待涂覆工件12的表面，形成超亞微米晶體或納米晶涂層13，實(shí)現(xiàn)電爆炸-電磁加速超高速噴涂，顯著提高了噴涂沉積率及微粒的運(yùn)動速度，解決了因向電爆炸室1封閉端運(yùn)動的粒子直接噴涂到其表面，從而引起的對工件涂層的沉積率下降及粒子運(yùn)動速度難以大幅提高的技術(shù)難題。
電爆炸室1可用非金屬材料制成，導(dǎo)線3可從電爆炸室1的封閉端橫向穿過，其與斷開狀電極2平行且由爆炸室的室體隔離，導(dǎo)線3盡可能處于近爆炸室1封閉端的端面以縮小與電極2的間隔距離，而電極2則要與導(dǎo)線3保持一定的間距，以使導(dǎo)線3與電極2始終保持絕緣狀態(tài)，或可將導(dǎo)線3設(shè)置在爆炸室1封閉端端面，在導(dǎo)線3與電極2間設(shè)置一絕緣陶瓷板4(其厚度在5～10mm范圍)，絕緣陶瓷板4將導(dǎo)線3與電極2隔開，以使兩者為絕緣狀態(tài)；或穿入封閉端體內(nèi)的導(dǎo)線3與斷開狀電極2平行，其端頭與封閉端另一側(cè)的斷開狀電極2的一極電極連接，電極2的另一極電極和導(dǎo)線3均與電路連接，當(dāng)電極2聯(lián)結(jié)爆炸箔14后，由于形成回路，導(dǎo)線3通過大電流時，電流方向是流經(jīng)爆炸箔14后返經(jīng)處于其上方的與其平行的導(dǎo)線3，使爆炸箔14所通過的電流方向與流過穿入封閉端體內(nèi)的導(dǎo)線3的電流方向強(qiáng)度相等但電流方向相反，使平行于電極2的導(dǎo)線3的產(chǎn)生電磁力且該電磁力可直接作用在爆炸粒子上；為增強(qiáng)電爆炸室1的強(qiáng)度及耐用性，電爆炸室1可為絕緣陶瓷材料制成。
電爆炸室1也可為金屬材料制成，導(dǎo)線3的設(shè)置方式可與上述非金屬材料的電爆炸室相同，但導(dǎo)線3須絕緣，并在電爆炸室1封閉端的端面鋪設(shè)一絕緣陶瓷板4，陶瓷板4的一端面與電爆炸室1封閉端的端面接觸，其另一端面可與斷開狀電極2接觸或不接觸，絕緣陶瓷板即可耐高溫沖擊又可起到絕緣作用。
通過電磁場分析，金屬箔14所受電磁力f和金屬箔14與電極板3的距離a之間的關(guān)系如圖3所示計算實(shí)例取I＝9.65×105×e-25tsinωt，b1＝12mm，b2＝8mmL＝50mm，t＝T/4時式中，I為通過爆炸片電流，b1為下電極板寬度，b2為爆炸片寬度，l為爆炸片長度，t為時間，T為脈沖電流振蕩周期。
為提高噴涂效率，可設(shè)置多對斷開狀電極2，每對電極可按設(shè)定的時間順序同時或間隔通電以發(fā)生電爆炸；為適應(yīng)對不同形狀、多個或不同需涂層部位的工件12噴涂，斷開狀電極2的排列可采用直線排列或曲線排列或空間立體(既環(huán)繞工件四周的上下左右方位)排列，以適于對不同形狀的工件或工件的不同部位進(jìn)行噴涂。
為防止易高溫氧化的涂層材料因電爆炸而產(chǎn)生的融熔粒子在飛行中會與大氣中的氧氣接觸發(fā)生反應(yīng)，從而造成涂層中含有氧化物，或待涂覆材料為易氧化的金屬，電爆炸室1和工件12可置于一可密閉的容器(圖中未示出)內(nèi)，該容器為一真空罐，容器與真空機(jī)連接，真空機(jī)與容器之間設(shè)有截止閥門；在噴涂過程中，可將容器密閉，打開截止閥門，啟動真空機(jī)，將容器抽為真空(真空度最高4×10-4pa)，或?qū)⑷萜鲀?nèi)充入保護(hù)性的惰性氣體并保持一定的壓力，便可制備出高質(zhì)量的涂層，可避免金屬被氧化，對于其它不易高溫氧化的涂層材料，則可在大氣中直接進(jìn)行噴涂，無需使用真空機(jī)。
由于單臺電爆炸噴槍的噴涂面積有限，可使用多臺電爆炸噴槍多點(diǎn)同時電爆炸，可噴涂更大面積的涂層并使涂層的均勻和工藝一致。
權(quán)利要求
1.一種電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其步驟如下a.在待加工的材料表面作常規(guī)的清潔處理；b.在一端開口的半封閉腔體電爆炸室(1)的封閉端設(shè)有兩電極(2)，兩電極(2)之間接有可導(dǎo)電的噴涂材料制成的箔、絲狀物的爆炸片(14)；c.在電爆炸室(1)的開口端處設(shè)置待加工的工件(12)；d.兩電極(2)通過10萬～30萬安培的沖擊大電流，箔、絲狀物的爆炸片(14)在大電流的作用下發(fā)生電爆炸并向電爆炸室(1)的開口端高速運(yùn)動；e.上述兩電極(2)之一接一導(dǎo)線(3)并平行設(shè)于兩電極(2)的另一側(cè)，兩電極(2)通過大電流時導(dǎo)線(3)同步通過一電流方向與兩電極(2)通過的電流相反的大電流，產(chǎn)生一個磁場，磁場力亦驅(qū)動電爆炸產(chǎn)生的待噴涂材料的微粒；高速運(yùn)動的微粒與待加工的工件(12)表面產(chǎn)生高速碰撞在工件表面形成噴涂層(13)，噴涂顆粒運(yùn)動速度在2000～4500m/s范圍，噴槍內(nèi)壓力幅值為200～500MPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其特征在于上述的電爆炸室(1)的內(nèi)腔的橫向尺寸應(yīng)大于或等于兩電極(2)之間的距離，所述的箔、絲狀物的爆炸片(14)的截面為矩形的箔片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其特征在于所述的箔、絲狀物的爆炸片(14)為難熔金屬W、Mo、Ta、Zr，或為導(dǎo)電陶瓷Tic、WC-Co、ZrC、TiB2、TiN、Hfc、Vc、Cr3C2，或合金或金屬間化合物NiCr、NiAl，或NiCr-TiC、NiCr-Cr2C3等金屬基陶瓷復(fù)合粉芯絲噴涂材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其特征在于所述的平行設(shè)于兩電極的另一側(cè)導(dǎo)線(3)為斷面為矩形的扁平狀導(dǎo)體，該金屬扁平狀導(dǎo)體的長度可與電爆炸室(1)內(nèi)腔的橫向長度等長，寬度大于或等于箔、絲狀物的爆炸片(14)的寬度，在10～20mm范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電爆炸-電磁加速超高速噴涂工藝，其特征在于上述的工藝過程可在真空狀態(tài)或保護(hù)氣體下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可使熔融粒子在高壓氣體和電磁力的作用下加速向電爆炸室開口端作近似按一維運(yùn)動的電爆炸－電磁加速超高速噴涂工藝。其步驟如下a.在待加工的材料表面作常規(guī)的清潔處理；b.在一端開口的半封閉腔體電爆炸室的封閉端設(shè)有兩電極，兩電極之間接有可導(dǎo)電的噴涂材料制成的小尺寸爆炸物；c.在電爆炸室的開口端處設(shè)置待加工的工件；d.兩電極通過數(shù)萬安培的沖擊大電流，絲狀物在大電流的作用下發(fā)生電爆炸并向電爆炸室的開口端高速運(yùn)動；e.上述兩電極之一接一導(dǎo)線并平行設(shè)于兩電極的另一側(cè)，兩電極通過大電流時該導(dǎo)線同步通過一電流方向與兩電極通過的電流相反的大電流，產(chǎn)生一個電磁場，電磁力亦驅(qū)動電爆炸產(chǎn)生的待噴涂材料的微粒；高速運(yùn)動的微粒與待加工的工件表面產(chǎn)生高速碰撞在工件表面形成噴涂層。本發(fā)明解決了一般金屬線爆炸噴涂的局限性，實(shí)現(xiàn)對大尺寸金屬或非金屬工件的外表面的噴涂，極大提高了噴涂沉積率。
文檔編號C23C14/24GK1740373SQ20051010597
公開日2006年3月1日 申請日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月8日
發(fā)明者劉宗德 申請人:華北電力大學(xué)(北京)