熱噴涂用送粉器國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展

孫愛軍，湯倩，鮑曼雨，汪瑞軍

（1.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表辦事處航空配套辦公室，貴陽 550009；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京 100083）

熱噴涂是一種利用某種熱源將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，霧化后形成的熔滴以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成具有一定結(jié)合強度涂層，進而提高基體材料性能的工藝方法[1-3]。它可以使基體達到防腐、耐磨、隔熱、絕緣、抗高溫、抗氧化、導(dǎo)電、防微波輻射等一系列多種不同功能[4-5]。涂層功能的多樣性是由不同噴涂材料的性能所決定的，所以噴涂材料是熱噴涂技術(shù)的核心[6-10]。目前，依據(jù)形狀分類，熱噴涂材料主要分為粉末、絲材和棒材，而粉末是熱噴涂使用最廣泛的噴涂材料[11-13]。

熱噴涂工藝方法的不同導(dǎo)致其噴涂設(shè)備存在差異，但依據(jù)熱噴涂技術(shù)的原理，其設(shè)備均是由噴槍、熱源、氣源、涂層材料供給裝置以及控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。送粉器作為熱噴涂系統(tǒng)中的核心組成部分，它是按工藝要求定量地向噴槍輸送粉末的裝置，其送粉過程的連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性直接影響到涂層的質(zhì)量。由于每種熱噴涂工藝方法使用的粉末材料有所不同，對送粉特性的需求不同，因此熱噴涂專用的送粉器種類較多，但基本類型大致可分為轉(zhuǎn)盤式送粉器、沸騰床式送粉器、螺桿式送粉器、刮板式送粉器、鼓輪式送粉器和電磁振動式送粉器。本文收集了近年來國內(nèi)外熱噴涂用送粉器的基本類型及商品化設(shè)備的相關(guān)信息，分析比較了不同送粉器間的差異和適用范圍，提出了國內(nèi)熱噴涂用送粉器的發(fā)展趨勢。

1 熱噴涂送粉器的分類

1.1 轉(zhuǎn)盤式送粉器

轉(zhuǎn)盤式送粉器是基于氣體動力學(xué)原理來實現(xiàn)送粉功能的。該類送粉器主要由粉斗、粉盤、吸粉嘴和出粉管組成。粉盤上帶有凹槽，整個裝置處于密閉的環(huán)境中，工作時，粉末依靠自身重力作用從粉斗落入粉盤的凹槽中，電機帶動粉盤旋轉(zhuǎn)，當(dāng)粉末送至吸粉管處，在氣體壓力的作用下粉末被送至出粉管，最終送到噴槍中[14]。

1.2 沸騰床式送粉器

沸騰床式送粉器主要由粉斗、送粉軸和壓力表組成，它是基于氣固兩相流原理實現(xiàn)送粉功能的。工作時，粉斗上下進氣通道分別通入氣體加壓，粉斗內(nèi)的壓力與送粉軸內(nèi)載氣的壓力形成一定的壓差，在壓差、粉末重力和外部振動裝置的作用下，粉斗內(nèi)的粉末到達軸上的小孔處并在那里達到流化狀態(tài)，然后進入到送粉軸中，最后在載氣的作用下輸送到噴槍中[15]。

1.3 螺桿式送粉器

螺桿式送粉器是依據(jù)機械動力學(xué)原理來實現(xiàn)送粉功能的。它主要由粉筒、螺桿、振動器、混合器、電機等組成。工作時振動器振動，使粉末充滿螺紋間隙，電機帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，使粉末沿著粉筒壁送至混合器中，然后由混合器中的載流氣體將粉末輸送到噴槍中。

1.4 刮板式送粉器

刮板式送粉器主要由粉斗、承粉轉(zhuǎn)盤、刮板、接粉斗組成。工作時，粉末從粉斗中依靠自身的重力和載流氣體的壓力流至轉(zhuǎn)盤，電機驅(qū)動承粉轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，并將粉不斷送至與轉(zhuǎn)盤緊密接觸并固定于轉(zhuǎn)盤上方的刮板處，刮板不斷將粉末刮下至接粉斗，最終在載流氣體的作用下粉末通過送粉管進入到噴槍中。

1.5 鼓輪式送粉器

鼓輪式送粉器主要由粉斗、送粉輪、粉勺組成。粉末從粉斗中落入下面的粉槽，在大氣壓強和粉槽內(nèi)的氣壓作用下，粉末的堆積量在一定范圍內(nèi)保持動態(tài)平衡，鼓輪勻速轉(zhuǎn)動，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽內(nèi)舀取粉末，然后在另一側(cè)倒出粉末，最終粉末在自身的重力作用下從出粉口流出[14]。

1.6 電磁振動式送粉器

電磁振動式送粉器主要由電磁振動器、貯粉倉、阻分器和螺旋槽等組成。工作時，電磁振動器使阻分器振動，貯粉倉內(nèi)的粉末沿著螺旋槽逐漸上升到出粉口，最后由載氣送出[14]。

2 熱噴涂送粉器性能比較

上述幾種基本類型送粉器的性能對比如表1所示。

表1 MCrAlY粘結(jié)層和YSZ面層噴涂工藝參數(shù)Table 1 Parameters for MCrAlY coating sprayed by LPPS and YSZ coating sprayed by PS-PVD

沸騰床式送粉器 對粉末種類形態(tài)沒有要求[16]；整個輸粉過程依靠氣體輸送，避免了機械摩擦對于不同粉末，都需要進行送粉速率的標(biāo)定，整個輸粉過程依靠氣體輸送，僅依靠調(diào)節(jié)氣體壓差來控制送粉速率是不精確的適用于熱噴涂各種工藝中螺桿式送粉器 干、微濕粉均可；適合小顆粒粉末輸送；送粉速率可連續(xù)控制；靠螺紋間隙送粉，要求送粉量不能太小，故不能實現(xiàn)微量送粉[17]；螺桿與粉筒內(nèi)壁產(chǎn)生機械摩擦，對送粉精度產(chǎn)生影響超音速火焰噴涂刮板式送粉器 適合大顆粒粉末的輸送不適合小顆粒粉末的輸送，容易在出粉口處堵塞，故連續(xù)、均勻性差等離子噴焊鼓輪式送粉器 適合大顆粒粉末的輸送對粉末干燥程度要求高，微濕粉末和超細粉末容易堵塞粉勺，使送粉不穩(wěn)定，精度降低等離子噴焊電磁振動式送粉器 反應(yīng)靈敏 送粉速率可控性差且送粉精度不高 等離子噴涂/噴焊

3 國內(nèi)外熱噴涂送粉器的現(xiàn)狀

3.1 轉(zhuǎn)盤式送粉器

轉(zhuǎn)盤式送粉器是由B.Grunenwald和St.Nowotny設(shè)計的[18]，且其成熟的技術(shù)和穩(wěn)定的送粉速率在熱噴涂領(lǐng)域已被認可，商業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)已達數(shù)十年。由瑞士Sulzer-Metco公司生產(chǎn)的單/雙粉筒120和140系列送粉器，通過加入PLC來控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)送粉速率，輸送粉末粒度范圍在5～200μm,送粉速率0.1～18kg/h，送粉精度可達±1%。

美國Thermach公司生產(chǎn)的AT-1200型轉(zhuǎn)盤式送粉器通過采用閉環(huán)電子控制元件控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了送粉速率的連續(xù)精確控制。此外，該系列送粉器還帶有等離子/超音速火焰噴涂選擇模塊和本地/遠程選擇模塊。荷蘭FST公司生產(chǎn)的PF-50型轉(zhuǎn)盤式送粉器功能與美國Thermach公司AT-1200型轉(zhuǎn)盤式送粉器類似。美國Praxair公司和荷蘭FST公司分別生產(chǎn)的1264WL型送粉器和FST-10、FST-20型送粉器都是通過閉環(huán)反饋粉筒重量的減少量來提高送粉精度的。

美國Plasma Powders&Systems公司生產(chǎn)的PF-700、PF-2810和PF-3500型送粉器以其體積小，便于攜帶至工作場所的特點而獨樹一幟。

上述國外公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)盤式送粉器，都在一定程度上完善了基本類型轉(zhuǎn)盤式送粉器的不足，改進的傾斜粉筒設(shè)計使粉筒更容易清掃，閉環(huán)反饋裝置的加入使其送粉精度進一步提高，等離子/超音速火焰噴涂選擇模塊和本地/遠程選擇模塊增強了其適用性。此外，粉筒外部的加熱裝置可以防止粉末受潮，從而使得粉末輸送更加容易。

3.2 沸騰床式送粉器

20世紀(jì)80年代由Amit Suri 和Masayuki Horio 設(shè)計的沸騰床式送粉器[19]在熱噴涂領(lǐng)域逐漸被商業(yè)化應(yīng)用起來，它較之前應(yīng)用于熱噴涂領(lǐng)域的轉(zhuǎn)盤式送粉器具有成本低、體積小、易于清掃的特點，并且其局部流化的方法保持了對于涂層質(zhì)量均勻性極其重要的粉末形態(tài)，同時，這也是沸騰床式送粉器相較于其它機械式送粉器的顯著優(yōu)點。以上這些特點促使其在熱噴涂各種工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，國外生產(chǎn)沸騰床式送粉器的代表性公司是瑞士Sulzer-Metco公司，該公司生產(chǎn)的沸騰床式送粉器代表系列有5MPE系列和9MP系列，這兩種系列送粉器都是在沸騰床式送粉器基礎(chǔ)上都過增加外圍控制模塊來實現(xiàn)精確送粉功能的。

5MPE型送粉器原理如圖1所示，該送粉器加入壓差調(diào)節(jié)裝置，一旦載氣壓力發(fā)生變化，壓差調(diào)節(jié)裝置就會通過調(diào)節(jié)粉筒內(nèi)氣體壓力來保證載氣和粉筒內(nèi)之間的壓力差恒定，以此來穩(wěn)定送粉速率，其送粉精度可達±5%。

圖1 帶有壓差調(diào)節(jié)器的沸騰床式送粉器Fig.1 Fluidized bed powder feeder with a differential pressure regulator

9MP系列送粉器原理如圖2所示，送粉器的粉斗位于一個可以稱量粉斗和粉末重量的稱重模塊上，隨著粉末輸送過程的進行，粉斗整體重量不斷變輕，稱重模塊將減少的重量以電信號的形式傳送給送粉器的處理器，同時微處理器會計算出當(dāng)前送粉速率，如果實際的送粉速率偏離了設(shè)定的送粉速率，電氣調(diào)節(jié)器會通過調(diào)節(jié)粉斗內(nèi)的壓力來穩(wěn)定送粉速率。

圖2 帶有稱重模塊的沸騰床式送粉器Fig.2 Fluidized bed powder feeder with a load cell

國內(nèi)生產(chǎn)沸騰床式送粉器并商業(yè)化銷售的代表性單位有北京航天振邦精密機械有限公司和中國農(nóng)機院表面工程技術(shù)研究所（北京金輪坤天特種機械有限公司）。其中，螺桿式和沸騰床式復(fù)合型送粉器比較有特色，它充分利用了兩種類型送粉器的輸粉特性，工作時由螺桿控制出粉量，然后由沸騰床式送粉器送粉，適合輸送各種類型的粉末。

國內(nèi)胡曉冬等人在沸騰床式送粉器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，設(shè)計了基于PIC單片機的送粉器控制系統(tǒng)，通過加入重量傳感器，實現(xiàn)了送粉過程的閉環(huán)控制[20]。

3.3 螺桿式送粉器

L.Li和W.M.Steen設(shè)計的螺桿式送粉器[21]以其穩(wěn)定的送粉速率廣泛應(yīng)用于超音速火焰噴涂和等離子噴涂中，國外生產(chǎn)螺桿式送粉器的代表性公司有英國Metallisation公司和美國Powder Feeder Dynamics公司，其中美國Powder Feeder Dynamics公司生產(chǎn)的MARK-XV型螺桿式送粉器加入了閉環(huán)控制模塊，送粉精度可達±0.5%，同時該類型送粉器的粉筒還具有半自動清理功能。國內(nèi)鐵嶺永興熱噴涂有限公司生產(chǎn)的SFⅡ-10C型螺桿式送粉器適用粉末粒度在10～200μm,送粉速率 2～200g/min。

3.4 鼓輪式送粉器

烏克蘭Plasma Master公司生產(chǎn)的PM-PF-10型送粉器是一種鼓輪式送粉器，它可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速精確控制送粉速率。此外，國外Ktech實驗室送粉裝置也是基于鼓輪式送粉器并在其基礎(chǔ)上增加了粉末計量裝置設(shè)計而成的,它主要應(yīng)用在高壓冷噴涂系統(tǒng)中，同時也可以應(yīng)用于低壓熱噴涂系統(tǒng)[22]。

3.5 功能梯度材料送粉器

功能梯度材料（Functionally Gradient Materials，簡稱FGM）是指材料的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能逐漸呈梯度變化的一類材料[23]。熱噴涂領(lǐng)域中為了制備功能梯度材料涂層，一般有兩種方法：一種是將預(yù)先混合好的粉末來逐一制備不同混合比例的涂層，另一種方法是在沉積過程中通過改變粉末的相對比例同時輸送兩種粉末來制備功能梯度材料涂層[24]。

為了實現(xiàn)功能梯度材料在等離子噴涂中的應(yīng)用，國內(nèi)學(xué)者艾輝等人[25]提出了微機化梯度功能材料送粉器的設(shè)計方案，設(shè)計研發(fā)了基于單片機的梯度功能材料送粉器的設(shè)備。國外學(xué)者M.K.Al Mamun等人[24]采用沸騰床式送粉器，通過在其外圍增加控制單元來實現(xiàn)功能梯度材料的制備功能。其原理是通過電機調(diào)速來改變兩個儲粉筒內(nèi)的的粉末輸送速率，然后將其輸送到另一個粉斗內(nèi)，進而可以得到不同混合比例的粉末材料。

4 .我國熱噴涂送粉器的發(fā)展趨勢

隨著我國熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大，對高性能熱噴涂專用送粉器開發(fā)研制的需求十分迫切,大量采購國外先進送粉器設(shè)備不是長久之計，因此，近年來國內(nèi)的科研單位緊跟用戶需求，在以下幾個方面研發(fā)熱噴涂專用送粉器：

（1）精準(zhǔn)化：送粉精度是熱噴涂送粉器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，提高送粉精度的方法除了結(jié)構(gòu)設(shè)計上的改進之外，加入高響應(yīng)反饋模塊來控制調(diào) 節(jié)送粉參數(shù)是高性能送粉器發(fā)展的趨勢之一。反饋模塊最直接的反饋量是送粉速率，沸騰床式送粉系統(tǒng)通過加入壓力傳感器來間接測量粉末流速。機械類送粉系統(tǒng)則是要通過光學(xué)、靜電或電磁傳感器來測量粉末流速[26]。由于粉末差異性的存在，在送粉器更換噴涂粉末時，送粉速率都需要進行重新標(biāo)定，重量減少閉環(huán)反饋模塊的引入使得操控人員無需再對送粉速率進行重新標(biāo)定[27]。

（2）功能梯度材料在表面工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，而從工藝和可行性上，熱噴涂技術(shù)在制備功能梯度材料方面又表現(xiàn)出了較大優(yōu)勢，所以功能梯度材料送粉器的研制將會是送粉器的一個發(fā)展方向[28～30]。

（3）智能化：更加友好的人機界面是現(xiàn)代送粉器的發(fā)展趨勢之一。

我們有理由預(yù)測三到五年內(nèi)，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的熱噴涂專用商品化送粉器一定能夠在我國蓬勃發(fā)展的熱噴涂事業(yè)中發(fā)揮出巨大的作用。