孫愛(ài)軍，湯倩，鮑曼雨，汪瑞軍

（1.海軍駐貴陽(yáng)地區(qū)軍事代表辦事處航空配套辦公室，貴陽(yáng) 550009；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)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(guò)預(yù)處理的基體表面形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度涂層，進(jìn)而提高基體材料性能的工藝方法[1-3]。它可以使基體達(dá)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(lèi)，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(guò)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(duì)送粉特性的需求不同，因此熱噴涂專(zhuān)用的送粉器種類(lèi)較多，但基本類(lèi)型大致可分為轉(zhuǎn)盤(pán)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(dòng)式送粉器。本文收集了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外熱噴涂用送粉器的基本類(lèi)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(guó)內(nèi)熱噴涂用送粉器的發(fā)展趨勢(shì)。

1 熱噴涂送粉器的分類(lèi)

1.1 轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器

轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器是基于氣體動(dòng)力學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉功能的。該類(lèi)送粉器主要由粉斗、粉盤(pán)、吸粉嘴和出粉管組成。粉盤(pán)上帶有凹槽，整個(gè)裝置處于密閉的環(huán)境中，工作時(shí)，粉末依靠自身重力作用從粉斗落入粉盤(pán)的凹槽中，電機(jī)帶動(dòng)粉盤(pán)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(shí)現(xiàn)送粉功能的。工作時(shí)，粉斗上下進(jìn)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(dòng)裝置的作用下，粉斗內(nèi)的粉末到達(dá)軸上的小孔處并在那里達(dá)到流化狀態(tài)，然后進(jìn)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(jī)械動(dòng)力學(xué)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)送粉功能的。它主要由粉筒、螺桿、振動(dòng)器、混合器、電機(jī)等組成。工作時(shí)振動(dòng)器振動(dòng)，使粉末充滿(mǎn)螺紋間隙，電機(jī)帶動(dòng)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(pán)、刮板、接粉斗組成。工作時(shí)，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(pán)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)承粉轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，并將粉不斷送至與轉(zhuǎn)盤(pán)緊密接觸并固定于轉(zhuǎn)盤(pán)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(guò)送粉管進(jìn)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(qiáng)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(dòng)態(tài)平衡，鼓輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)式送粉器

電磁振動(dòng)式送粉器主要由電磁振動(dòng)器、貯粉倉(cāng)、阻分器和螺旋槽等組成。工作時(shí)，電磁振動(dòng)器使阻分器振動(dòng)，貯粉倉(cāng)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(lèi)型送粉器的性能對(duì)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(duì)粉末種類(lèi)形態(tài)沒(méi)有要求[16]；整個(gè)輸粉過(guò)程依靠氣體輸送，避免了機(jī)械摩擦對(duì)于不同粉末，都需要進(jìn)行送粉速率的標(biāo)定，整個(gè)輸粉過(guò)程依靠氣體輸送，僅依靠調(diào)節(jié)氣體壓差來(lái)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(shí)現(xiàn)微量送粉[17]；螺桿與粉筒內(nèi)壁產(chǎn)生機(jī)械摩擦，對(duì)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(duì)粉末干燥程度要求高，微濕粉末和超細(xì)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(dòng)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(guó)內(nèi)外熱噴涂送粉器的現(xiàn)狀

3.1 轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器

轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器是由B.Grunenwald和St.Nowotny設(shè)計(jì)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(rèn)可，商業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)已達(dá)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(guò)加入PLC來(lái)控制轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(dá)±1%。

美國(guó)Thermach公司生產(chǎn)的AT-1200型轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器通過(guò)采用閉環(huán)電子控制元件控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速，實(shí)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(yuǎn)程選擇模塊。荷蘭FST公司生產(chǎn)的PF-50型轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器功能與美國(guó)Thermach公司AT-1200型轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器類(lèi)似。美國(guó)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(guò)閉環(huán)反饋粉筒重量的減少量來(lái)提高送粉精度的。

美國(guó)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(chǎng)所的特點(diǎn)而獨(dú)樹(shù)一幟。

上述國(guó)外公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器，都在一定程度上完善了基本類(lèi)型轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器的不足，改進(jìn)的傾斜粉筒設(shè)計(jì)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(jìn)一步提高，等離子/超音速火焰噴涂選擇模塊和本地/遠(yuǎn)程選擇模塊增強(qiáng)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(jì)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(lái)，它較之前應(yīng)用于熱噴涂領(lǐng)域的轉(zhuǎn)盤(pán)式送粉器具有成本低、體積小、易于清掃的特點(diǎn)，并且其局部流化的方法保持了對(duì)于涂層質(zhì)量均勻性極其重要的粉末形態(tài)，同時(shí)，這也是沸騰床式送粉器相較于其它機(jī)械式送粉器的顯著優(yōu)點(diǎn)。以上這些特點(diǎn)促使其在熱噴涂各種工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，國(guó)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(guò)增加外圍控制模塊來(lái)實(shí)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(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)粉筒內(nèi)氣體壓力來(lái)保證載氣和粉筒內(nèi)之間的壓力差恒定，以此來(lái)穩(wěn)定送粉速率，其送粉精度可達(dá)±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(gè)可以稱(chēng)量粉斗和粉末重量的稱(chēng)重模塊上，隨著粉末輸送過(guò)程的進(jìn)行，粉斗整體重量不斷變輕，稱(chēng)重模塊將減少的重量以電信號(hào)的形式傳送給送粉器的處理器，同時(shí)微處理器會(huì)計(jì)算出當(dāng)前送粉速率，如果實(shí)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(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)粉斗內(nèi)的壓力來(lái)穩(wěn)定送粉速率。

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

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)沸騰床式送粉器并商業(yè)化銷(xiāo)售的代表性單位有北京航天振邦精密機(jī)械有限公司和中國(guó)農(nóng)機(jī)院表面工程技術(shù)研究所（北京金輪坤天特種機(jī)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(lèi)型送粉器的輸粉特性，工作時(shí)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(lèi)型的粉末。

國(guó)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(jì)了基于PIC單片機(jī)的送粉器控制系統(tǒng)，通過(guò)加入重量傳感器，實(shí)現(xiàn)了送粉過(guò)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(jì)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(guó)外生產(chǎn)螺桿式送粉器的代表性公司有英國(guó)Metallisation公司和美國(guó)Powder Feeder Dynamics公司，其中美國(guó)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(dá)±0.5%，同時(shí)該類(lèi)型送粉器的粉筒還具有半自動(dòng)清理功能。國(guó)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(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速精確控制送粉速率。此外，國(guó)外Ktech實(shí)驗(yàn)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(jì)量裝置設(shè)計(jì)而成的,它主要應(yīng)用在高壓冷噴涂系統(tǒng)中，同時(shí)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(jiǎn)稱(chēng)FGM）是指材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能逐漸呈梯度變化的一類(lèi)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(lái)逐一制備不同混合比例的涂層，另一種方法是在沉積過(guò)程中通過(guò)改變粉末的相對(duì)比例同時(shí)輸送兩種粉末來(lái)制備功能梯度材料涂層[24]。

為了實(shí)現(xiàn)功能梯度材料在等離子噴涂中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)學(xué)者艾輝等人[25]提出了微機(jī)化梯度功能材料送粉器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于單片機(jī)的梯度功能材料送粉器的設(shè)備。國(guó)外學(xué)者M(jìn).K.Al Mamun等人[24]采用沸騰床式送粉器，通過(guò)在其外圍增加控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的制備功能。其原理是通過(guò)電機(jī)調(diào)速來(lái)改變兩個(gè)儲(chǔ)粉筒內(nèi)的的粉末輸送速率，然后將其輸送到另一個(gè)粉斗內(nèi)，進(jìn)而可以得到不同混合比例的粉末材料。

4 .我國(guó)熱噴涂送粉器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，對(duì)高性能熱噴涂專(zhuān)用送粉器開(kāi)發(fā)研制的需求十分迫切,大量采購(gòu)國(guó)外先進(jìn)送粉器設(shè)備不是長(zhǎng)久之計(jì)，因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的科研單位緊跟用戶(hù)需求，在以下幾個(gè)方面研發(fā)熱噴涂專(zhuān)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(jì)上的改進(jìn)之外，加入高響應(yīng)反饋模塊來(lái)控制調(diào) 節(jié)送粉參數(shù)是高性能送粉器發(fā)展的趨勢(shì)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(guò)加入壓力傳感器來(lái)間接測(cè)量粉末流速。機(jī)械類(lèi)送粉系統(tǒng)則是要通過(guò)光學(xué)、靜電或電磁傳感器來(lái)測(cè)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(shí)，送粉速率都需要進(jìn)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(wú)需再對(duì)送粉速率進(jìn)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(shì)，所以功能梯度材料送粉器的研制將會(huì)是送粉器的一個(gè)發(fā)展方向[28～30]。

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

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