本发明属于等离子体，涉及一种等离子体喷涂装置及方法。
背景技术：
1、随着现代工业的快速发展，人们对材料性能的要求日益提高，特别是在航空、汽车、能源等关键领域，材料需要承受高温、高压、腐蚀等极端环境。因此，开发一种能够在材料表面形成高强度、高耐磨、高耐腐蚀性的涂层技术显得尤为重要。等离子体材料处理喷涂技术在此背景下应运而生。它利用等离子体产生的高温高速气流，将喷涂材料熔融或半熔融后喷涂到基体表面，形成一层均匀、致密的涂层。
2、目前，等离子体材料处理喷涂技术，在材料表面强化和改性方面扮演着重要角色。高能等离子体喷涂技术的发展，使得该技术能够制备高质量的陶瓷涂层、厚涂层和纳米结构涂层。该技术采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层。这种技术能使基体表面具备耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。
3、然而，尽管等离子喷涂技术具有诸多优点，但其局限性也不容忽视。例如，等离子喷涂技术的操作过程需要精确控制。喷涂温度、喷涂速度、喷涂距离等参数都会影响最终的涂层质量和性能。但是目前等离子体喷涂设备缺乏自动化的精确控制系统，这大大增加了设备的操作难度因此，操作人员需要具有丰富的经验和较高的技术水平，以确保喷涂过程的稳定性和可靠性。此外，目前大部分的等离子体喷涂装置无法在使用过程中动态配比喷涂材料，只能喷涂单一粉料，或者需要预先将粉料按一定比例混合，操作流程十分繁琐。同时，目前的等离子体喷涂设备在等离子喷涂过程中，材料的利用率较低，且由于加热熔融不充分，并且气体流速流向不稳定，导致喷涂材料不能很好的附着在被喷涂物体表面，此类喷涂设备在喷涂加工过程中会产生大量排放物，不仅增加了生产成本，还可能对环境造成一定的污染。
4、因此，亟需一种有效的等离子体喷涂的装置及方法，实现精细控制并且优化喷涂效果。
技术实现思路
1、为了达到上述目的，本发明提供一种等离子体喷涂装置及方法，解决了现有等离子体喷涂中无法精确控制喷涂过程、材料利用率低及喷涂效果不佳的问题。
2、本发明所采用的技术方案是，
3、一种等离子体喷涂装置，包括：高压电源、阳极护罩，阳极护罩内设置气体空腔，气体空腔底部安装阴极导流探头，阴极导流探头顶端设有导流螺纹并穿过气体空腔伸入气体空腔内部；高压电源安装在阳极护罩内，与阴极导流探头、阳极护罩相连；阳极护罩外侧安装电磁调控模块外壳，电磁调控模块外壳顶部开孔，孔与气体空腔顶部之间通道为喷口，阳极护罩上安装气体输入管路、送粉接口；气体输入管路一端与气量控制阀相连，另一端连接气体空腔；送粉接口一端与粉量控制阀连接，另一端伸入喷口内；
4、还包括：外壳，外壳内固定安装气泵、送粉器、流量控制端，气泵出口安装气量控制阀；送粉器出口安装粉量控制阀；流量控制端与气量控制阀、粉量控制阀连接；电磁调控模块外壳内表面缠绕磁导线圈；磁导线圈与气体空腔顶端连接；电磁调控模块外壳上安装电磁调控电源、电磁控制端，电磁调控模块外壳一侧内表面均匀安装电场极片；电磁控制端与电场极片连接；电磁调控电源与磁导线圈、电场极片、电磁控制端连接。
5、进一步的，所述送粉接口有三个；三个送粉接口处于喷口内的一端之间成120°；所述粉量控制阀有三个。
6、进一步的，所述外壳内还包括：水泵、循环水槽；水泵出口管路上固定连接水量控制阀，水量控制阀与流量控制端连接；水泵依次与水量控制阀、循环水槽相连；循环水槽与气体空腔连接。
7、进一步的，所述流量控制端还连接pid控制器，pid控制器与气量控制阀连接；流量控制端固定在阳极护罩外部。
8、进一步的，所述电磁调控模块外壳与阳极护罩同轴固定并与阳极护罩连接，电磁调控模块外壳为中空圆筒状绝缘材料；所述磁导线圈缠绕面积小于电磁调控模块外壳筒身面积；所述电场极片设在磁导线圈未缠绕的电磁调控模块外壳筒身上；所述电场极片个数l大于等于3。
9、进一步的，所述气体输入管路连接气体空腔的一端设有两个分支管路，两个分支管路分别穿过阳极护罩顶部、底部，伸入气体空腔内部，两个分支管路设在气体空腔内上部、下部。
10、进一步的，所述高压电源、阴极导流探头、阳极护罩组成等离子体发生模块；气体输入管路、送粉接口、气体空腔、喷口构成导流喷涂模块；气泵、送粉器、水泵、气量控制阀、水量控制阀，粉量控制阀、流量控制端构成综合流量控制模块；电磁调控模块外壳、电场极片、磁导线圈、电磁调控电源、电磁控制端组成电磁调控模块。
11、本发明所采用的另一技术方案是，
12、一种等离子体喷涂方法，包括以下步骤：
13、s1：将不同喷涂材料装入送粉器中，将气瓶接入气泵，接通等离子体喷涂装置电源，启动等离子体喷涂装置，等离子体发生模块、导流喷涂模块、综合流量控制模块、电磁调控模块中各组成部件均启动；在流量控制端中选择喷涂材料输入模式、配比、目标气速；输入模式即单种粉料输入或多种粉料输入；在电磁控制端中选择所需磁场强度、电场方向；
14、s2：通过气泵将气瓶内气体送入气体空腔中，进行排气净化处理；
15、s3：在等离子体发生模块中，高压电源、阴极导流探头、阳极护罩产生高温等离子体电弧，气体被电离，形成等离子体射流，经由喷口喷出；
16、s4：形成等离子体二相射流并进行粉料流速、气速调控；
17、s5：对等离子体二相射流进行磁场、电场调控。
18、进一步的，所述s4包括：
19、s41：在综合流量控制模块中，流量控制端通过送粉器将粉料按照设定配比通过粉量控制阀、送粉接口送入喷口中，粉料在喷口内被高压气体气流打碎，与离子体射流混合，形成等离子体二相射流；粉料流速通过粉量控制阀除以粉量控制阀管径得到；
20、s42：在综合流量控制模块中，流量控制端通过pid控制器，根据当前气速，使用气量控制阀将气体流速调节至目标气速；计算公式如下：
21、
22、其中，u(k)指第k时刻的控制器输出，u(k)可转换为气量控制阀的开度指令；kp指比例增益，e(k)指第k时刻的误差，即第k时刻目标气速与当前气速的差，ki指积分增益，表示从初始时刻到第k时刻误差的累积和，kd指微分增益，e(k)-e(k-1)表示第k时刻与第k-1时刻的误差之差；当前气速为气量控制阀的流量除以气量控制阀管径得到。
23、进一步的，所述s5包括：
24、s51：在电磁调控模块中，电磁控制端根据所需磁场强度，通过调节电磁调控电源通过磁导线圈的电流强度，调节磁导线圈产生的磁场强度，进行等离子体射流的收束、发散；
25、s52：电磁控制端根据所需电场方向，通过电磁调控电源对电场极片中任意l-1个电场极片进行充电，使用负载对剩余电场极片进行放电，使得任意l-1个电场极片具有相同大小的正电势，剩余电场极片具有相同电势大小的负电势，将经过磁场调节的等离子体射流进行喷涂方向的调控。
26、本发明的有益效果是：
27、本发明在等离子喷涂装置中加入粉料流速、气速控制、结构导流、电场调控、磁场调控后，将会带来一系列的有益效果，这些效果主要体现在涂层质量、喷涂效率以及操作过程的精确性和稳定性等方面。
28、1、本发明通过对喷涂气体、喷涂粉末的流量、流速进行精确控制，可以确保喷涂材料以最佳状态喷射到基体表面。气速控制不仅有助于实现高效喷涂，还能减少喷涂过程中的材料浪费和环境污染。
29、2、本发明通过阴极导流探头的结构优化，当高压气体经过导流喷涂模块时，气体会因阴极导流探头上的螺旋导流螺纹而形成扰流和环流，利用此现象，在喷口处充分融合三路送粉器向装置内输送的粉料，实现在末端充分混合被喷涂原料。如果不添加此装置，送入管内的粉料将不能充分混合；并且带电性质不统一，进而影响后续的电磁、电场调控。因此，通过导流螺纹对高压气体的导流和扰动，使其与粉末的结合效率大幅提升，有助于高效产生等离子体，充分提升被喷涂物体以及喷涂材料的表面能，帮助提升喷涂效率与涂层质量。
30、3、本发明的综合流量控制模块通过对气路、水路和粉路的控制，可以精确把控用户的喷涂需求，简化了用户的喷涂步骤，提高了生产效率；此外，模块内部的送粉器可通过粉量控制阀按比例输送三种不同成分的粉料，此送粉器可以灵活使用，提高了等离子体喷涂效率，解决了目前等离子体喷涂装置混合粉料难的问题。
31、4、由于等离子体二相射流为正电等离子体，使用电场可以进行非接触式的射流调节。电场调控射流方向，可以实现喷涂射流喷涂角度的精确调控。通过调整电场方向，可以影响等离子体射流的分布和运动状态，从而实现对喷涂材料熔融和喷涂过程的精确控制。这有助于形成更加均匀、致密的涂层，提高涂层的质量和性能，以优化整体的喷涂效果，显著提升了操作过程的精确性和稳定性。因此，本装置可以针对不同喷涂材料以及工艺要求采用不同工作模式，达到最佳效果。
32、5、磁场调控能够实现喷涂射流口径大小的改变，能够使得等离子体二相射流进行收束或发散，本发明通过磁场进一步改善等离子体的状态。磁场能够改变等离子体的运动轨迹和速度，使其更加均匀地分布在喷涂区域。同时，磁场还能影响晶粒的生长方式，促进柱状晶向等轴晶转变，细化晶粒，从而提高涂层的致密度和性能。
1.一种等离子体喷涂装置，包括：高压电源(5)、阳极护罩(7)，其特征在于，阳极护罩(7)内设置气体空腔(19)，气体空腔(19)底部安装阴极导流探头(6)，阴极导流探头(6)顶端设有导流螺纹并穿过气体空腔(19)伸入气体空腔(19)内部；高压电源(5)安装在阳极护罩(7)内，与阴极导流探头(6)、阳极护罩(7)相连；阳极护罩(7)外侧安装电磁调控模块外壳(20)，电磁调控模块外壳(20)顶部开孔，孔与气体空腔(19)顶部之间通道为喷口(21)，阳极护罩(7)上安装气体输入管路(9)、送粉接口(10)；气体输入管路(9)一端与气量控制阀(15)相连，另一端连接气体空腔(19)；送粉接口(10)一端与粉量控制阀(24)连接，另一端伸入喷口(21)内；
2.根据权利要求1所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述送粉接口(10)有三个；三个送粉接口(10)处于喷口(21)内的一端之间成120°；所述粉量控制阀(24)有三个。
3.根据权利要求2所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述外壳(27)内还包括：水泵(13)、循环水槽(14)；水泵(13)出口管路上固定连接水量控制阀(22)，水量控制阀(22)与流量控制端(25)连接；水泵(13)依次与水量控制阀(22)、循环水槽(14)相连；循环水槽(14)与气体空腔(19)连接。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述流量控制端(25)还连接pid控制器，pid控制器与气量控制阀(15)连接；流量控制端(25)固定在阳极护罩(7)外部。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述电磁调控模块外壳(20)与阳极护罩(7)同轴固定并与阳极护罩(7)连接，电磁调控模块外壳(20)为中空圆筒状绝缘材料；所述磁导线圈(17)缠绕面积小于电磁调控模块外壳(20)筒身面积；所述电场极片设在磁导线圈(17)未缠绕的电磁调控模块外壳(20)筒身上；所述电场极片个数l大于等于3。
6.根据权利要求1所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述气体输入管路(9)连接气体空腔(19)的一端设有两个分支管路，两个分支管路分别穿过阳极护罩(7)顶部、底部，伸入气体空腔(19)内部，两个分支管路设在气体空腔(19)内上部、下部。
7.根据权利要求1所述的一种等离子体喷涂装置，其特征在于，所述高压电源(5)、阴极导流探头(6)、阳极护罩(7)组成等离子体发生模块(1)；气体输入管路(9)、送粉接口(10)、气体空腔(19)、喷口(21)构成导流喷涂模块(2)；气泵(11)、送粉器(12)、水泵(13)、气量控制阀(15)、水量控制阀(22)，粉量控制阀(24)、流量控制端(25)构成综合流量控制模块(3)；电磁调控模块外壳(20)、电场极片、磁导线圈(17)、电磁调控电源(18)、电磁控制端(26)组成电磁调控模块(4)。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的等离子体喷涂方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的等离子体喷涂方法，其特征在于，所述s4包括：
10.根据权利要求7所述的等离子体喷涂方法，其特征在于，所述s5包括：
