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一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍的制作方法

文檔序號:3424193閱讀:302來源:國知局
專利名稱:一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,屬于表面工程領(lǐng)域中材 料表面改性的裝置。
背景技術(shù)
冷噴涂(Cold Spraying),也稱為冷氣動力噴涂(Cold Gas Dynamic Spraying)或 動力噴涂(Kinetic Spraying),是由熱噴涂技術(shù)拓展而來的一種新型的、先進(jìn)的表面 涂層技術(shù)。冷噴涂是基于空氣動力學(xué)與高速碰撞動力學(xué)原理的過程,首先將高壓(一 般1.5 3.5MPa)氣體導(dǎo)入收縮-擴(kuò)張型拉伐爾(Laval)噴嘴,氣體流過噴嘴喉部后產(chǎn) 生超音速流動,然后由送粉氣(壓力一般略高于主氣)將噴涂粉末沿軸向從噴嘴上游 送入氣流中,粉末粒子經(jīng)過整個噴嘴被加速到300 1200 m/s以上的高速度,形成高 速粒子流,與基體碰撞發(fā)生劇烈的塑性變形而沉積形成涂層。在這一過程中,工作氣 體通常預(yù)熱,根據(jù)噴涂材料不同,溫度一般在100 600°C,但遠(yuǎn)低于噴涂材料的熔點。 因此,"冷"是相對傳統(tǒng)熱噴涂的概念。另外,最重要的一點是粒子沉積完全靠粒子 所獲得的動能實現(xiàn),所以確切地說,冷噴涂應(yīng)為動能噴涂(Kinetic Energy Spraying)。 由于采用低溫噴涂,可避免地在熱噴涂過程中發(fā)生的氧化(針對金屬材料)、相變、 分解、化學(xué)反應(yīng)、晶粒長大(針對納米結(jié)構(gòu)材料)、熱應(yīng)力等不利影響。
80年代中期,前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)研究所的Papyrin等在 做超音速風(fēng)洞試驗時發(fā)現(xiàn)示蹤金屬粒子沉積到靶子上,由此正式提出了冷氣動力噴涂 的概念,獲得一系列俄羅斯專利1618777 U990年)、1618778 (1990年)、1773072 (1992年)等,又于1994年獲得美國專利5302414,于1995年獲得歐洲專利0484533。 中國專利01128130公開了一種與美國專利5302414類似的冷氣動力噴涂裝置。VanSteenkiste等就動力噴涂方法與裝置申請了美國專利6139913 (2000年),他們主要采 用高壓壓縮空氣作為工作氣體,所采用粒子直徑(>65pm)也大于Papyrin等所用細(xì)小 金屬粒子(l-50)im)。美國Inovati公司也推出f所謂的動力金屬化(Kinetic Metallization)系統(tǒng),美國專利6074135 (2000年)與6715640 (2004年),其實質(zhì)是 動能噴涂,該系統(tǒng)主要特點是通過特殊設(shè)計的直通噴嘴,采用低壓(小于lMPa) He 氣實現(xiàn)金屬陶瓷(如WC-Co)涂層的制備,當(dāng)然也可用于制備其他涂層,但該系統(tǒng)必 須使用He氣,盡管耗氣量比其他冷噴涂系統(tǒng)低,成本依然較高。另外,俄羅斯Obninsk Center for Powder Spraying 、波蘭Metal Forming Institute 、力口拿大University of Windsor 等聯(lián)合研究,開發(fā)了便攜式冷噴涂系統(tǒng),(在俄羅斯注冊0¥1^5丁 ,在加拿大注冊 SST ),該系統(tǒng)的主要特點是采用小于IMPa (—般0.7MPa)的壓縮空氣作為工作氣 體,從而降低成本,噴涂材料一般為Cu、 Al等軟金屬或者混入陶瓷的復(fù)合粉末,但 該系統(tǒng)不太適合大面積噴涂作業(yè),主要適用于修補(bǔ)或小面積噴涂。以上不同冷噴涂設(shè) 備中噴槍結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,功能單一。
另外一個冷噴涂過程中常遇到問題是,噴涂Sn、 Zn、 Al以及低熔點合金時會出 現(xiàn)噴嘴內(nèi)壁的粒子粘附或堵塞,從而影響噴涂。目前采用2種方法解決以上問題,一 是將送粉氣入槍噴嘴口延伸到Laval噴嘴喉部以下某個區(qū)域(如中國專利 200510027430、中國專利200510083138.3、美國專利2004166247),但這樣容易在送 粉管末端產(chǎn)生湍流或紊流,從而影響噴涂質(zhì)量。二是直接從Laval噴嘴喉部以下某個 區(qū)域送入(如中國專利200510030914、美國專利2002/0071906、美國專利2003190414、 W098/22639、 EP1445033與RU2229944),但以上方法噴嘴設(shè)計與加工時也存在困難, 如粉末送入角度問題。
發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處,本實用新型提出一種利用粉末制備涂層的動能噴 涂噴槍,可用于制備純金屬、合金、金屬基復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)材料涂層或塊材。該 裝置屬于一種多功能設(shè)備,針對不同的噴涂材料,系統(tǒng)可方便地工作在不同的氣體條 件、送粉條件下。
技術(shù)方案
一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,其特征在于包括槍體l、測溫接頭2、測 壓接頭3、氣體入口接頭4、夾持把柄5、噴嘴6與軸向送粉導(dǎo)氣嘴7;槍體l的下端 連接夾持把柄5,后端連接氣體入口接頭4,噴嘴6通過螺紋連接到噴槍1的前端,軸 向送粉導(dǎo)氣嘴7通過螺紋連接到槍體1的內(nèi)部,測溫接頭2和測壓接頭3設(shè)計在槍體 l的上部,測溫接頭2和測壓接頭3的下端與槍體1連通;所述的氣體入口接頭4之 一入口接頭4-l位于槍體l的直后端,入口接頭4-2位于槍體l的斜后端。
所述的噴嘴6為收縮擴(kuò)張型Laval噴管,噴嘴平直段6-1直徑在8 30mm,噴嘴 喉部6-3直徑在1.5 4mm,噴嘴出口 6-6直徑在3 12mm,噴嘴平直段6-1長度在 10 50mm,噴嘴收縮段6-2長度在10 50mm,噴嘴擴(kuò)張段6-5長度150 300mm, 距離噴嘴喉部10 30mm處有2個對稱分布的送粉用粉末入口 6-7,所述的粉末入口 6_7與噴嘴中心軸線夾角在25 60°之間,并且相交至噴嘴送粉匯流點6-4;所述的噴 嘴送粉匯流點6-4距離噴嘴喉部6-3為10 30mm。
上述結(jié)構(gòu)中槍體用于使流入的工作氣體氣流穩(wěn)定后再流入噴嘴;測溫接頭、測壓 接頭分別將噴嘴入口的溫度與壓力信號傳遞到控制部件;氣體入口接頭用于導(dǎo)入氣流 到槍體;夾持把柄用于固定噴槍(如與機(jī)械手連接);噴嘴用于產(chǎn)生超音速氣流,以 加速粉末粒子,并可以從噴嘴擴(kuò)張段(下游)送粉;軸向送粉導(dǎo)氣嘴用于將粉末從后部軸向中心送粉至噴嘴(上游)。 有益效果
本實用新型的利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,是一種操作簡單的、成本低的、 多工作模式的動能噴涂噴槍。該裝置可用于制備純金屬、合金、金屬基復(fù)合材料、納 米結(jié)構(gòu)材料涂層或塊材。該裝置屬于一種多工作模式的涂層制備設(shè)備,針對不同的噴
涂材料,可方便地選擇使用不同的工作氣體。可工作在高壓(1.0 4.0MPa)或低壓 (0.4 1.0MPa)的氣體條件下,氣體溫度可在室溫 800'C之間,粉末可從噴槍后部 軸向中心送入噴槍噴嘴(上游),也可從噴嘴擴(kuò)張段(下游)送入。制備復(fù)合材料時 最多可同時采用3個裝有不同粉末的送粉器送入噴槍(1個上游送粉與2個下游送粉)。 該設(shè)備的可控性較好,操作簡單。
本實用新型動能噴涂噴槍可實現(xiàn)高壓與低壓噴涂,亦可實現(xiàn)后部軸向中心送粉與 噴嘴擴(kuò)張段送粉。工作范圍廣,操作方便。另外,軸向送粉導(dǎo)氣嘴7通過螺紋連接到 槍體l,其出口距離噴嘴喉部的距離可方便調(diào)節(jié)。


圖l:為本實用新型噴槍結(jié)構(gòu)示意(a) 噴嘴下游送粉結(jié)構(gòu)示意圖,
(b) 后部軸向中心送粉結(jié)構(gòu)示意圖2:為本實用新型下游送粉噴嘴結(jié)構(gòu)示意l槍體,2測溫接頭,3測壓接頭,4-l氣體入口接頭,4-2氣體入口接頭,5夾持 把柄,6噴嘴,6-l噴嘴平直段,6-2噴嘴收縮段,6-3噴嘴喉部,6-4噴嘴送粉匯流點, 6-5噴嘴擴(kuò)張段,6-6噴嘴出口, 6-7粉末入口, 7軸向送粉導(dǎo)氣嘴。
具體實施方式
現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述 實施例1:
噴嘴6為關(guān)鍵部件,參見圖2,本實用新型噴嘴為采用計算流體動力學(xué)(CFD)
軟件FLUENT優(yōu)化設(shè)計的簡單收縮擴(kuò)張型Laval噴管。采用噴嘴下游送粉方式,噴嘴 設(shè)計如下噴嘴平直段直徑16mm,噴嘴喉部直徑2mm,噴嘴出口直徑5mm,噴嘴平 直段長度20mm,噴嘴收縮段長度25mm,噴嘴擴(kuò)張段長度170mm,粉末入口角度45。, 噴嘴送粉匯流點距離噴嘴喉部20mm。兩個粉末入口各通過一個接頭與從送粉器出來 的管路連接;噴嘴出口 6-6處氣流速度馬赫數(shù)在1.5 7之間。如果噴嘴加工西難,可 采用分段加工再連接組裝的方法,保證加工方便。
參見圖l(a)與圖2,采用噴嘴擴(kuò)張段送粉時,預(yù)熱后(溫度在100 80(TC之間) 的工作氣體(壓力在0.4 4.0MPa之間)經(jīng)過氣體入口接頭4-l導(dǎo)入到槍體1 (此時氣 體入口接頭4-2被封閉),然后流入噴嘴6的上游平直段6-l,經(jīng)過噴嘴收縮段6-2的 壓縮效應(yīng),在噴嘴喉部6-3達(dá)到音速,然后在噴嘴擴(kuò)張段6-5產(chǎn)生超音速流動,其中 槍體處氣體溫度與壓力通過測溫接頭2與測壓接頭3獲得,用于在線監(jiān)測。與此同時, 攜帶待噴涂粉末的送粉氣體(壓力在0.4 1.0MPa之間,溫度在室溫 60(TC之間)從 噴嘴粉末入口 6-7進(jìn)入下游噴嘴擴(kuò)張段6-5,匯流點6-4距離噴嘴喉部10 30mm,經(jīng) 高速工作氣流加速后(粒子速度在200 1200m/s之間)。粒子飛出噴嘴出口 6-6后, 撞擊基體,如果粒子速度超過臨界速度(在150 1000m/s之間),就可以形成涂層。 當(dāng)采用后部軸向中心游送粉時,參見圖l(b)。首先將軸向送粉導(dǎo)氣嘴7裝入槍體 1,更換沒有加工下粉末入口的噴嘴(或者將噴嘴粉末入口密封),將氣體入口接頭 4-l作為送粉氣體入口,將氣體入口接頭4-2作為工作氣體入口;與噴嘴擴(kuò)張段送粉同 樣的工作原理,預(yù)熱后(溫度在100 80(TC之間)的工作氣體(壓力在0.4 4.0MPa之間)經(jīng)過氣體入口接頭4-2導(dǎo)入到槍體l,然后流入噴嘴6的上游平直段6-l,經(jīng)過 噴嘴收縮段6-2的壓縮效應(yīng),在噴嘴喉部6-3達(dá)到音速,然后在噴嘴擴(kuò)張段6-5產(chǎn)生超 音速流動,同時槍體1處氣體溫度與壓力通過測溫接頭2與測壓接頭3獲得。然后將 攜帶待噴涂粉末的送粉氣體(壓力在0.4 1.0MPa之間,溫度在室溫 60(TC之間)從 氣體入口接頭4-l送入到軸向送粉導(dǎo)氣嘴7,然后進(jìn)入噴嘴收縮段6-2 (軸向送粉導(dǎo)氣 嘴7出口距離噴嘴喉部6-3為10 30mm),經(jīng)高速氣流加速后而獲得高速度。
當(dāng)制備復(fù)合涂層時,可按照上述方法進(jìn)行噴涂。也可先將兩種粉末分別放入兩個 不同送粉器,分別由噴嘴6的兩個粉末入口 6-7送入到噴嘴擴(kuò)張段6-5。在上述過程中, 兩種粉末的比例通過調(diào)節(jié)兩路送粉氣流量實現(xiàn)。最多可采用三個送粉器送三種粉末(混 合粉末可算作一種), 一個從軸向中心送粉(從氣體入口接頭4-l導(dǎo)入),另外兩個 從兩個粉末入口 6-7送入,這樣氣體入口接頭4-2作為工作氣體入口。
權(quán)利要求1.一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,其特征在于包括槍體(1)、測溫接頭(2)、測壓接頭(3)、氣體入口接頭(4)、夾持把柄(5)、噴嘴(6)與軸向送粉導(dǎo)氣嘴(7);槍體(1)的下端連接夾持把柄(5),后端連接氣體入口接頭(4),噴嘴(6)通過螺紋連接到噴槍(1)的前端,軸向送粉導(dǎo)氣嘴(7)通過螺紋連接到槍體(1)的內(nèi)部,測溫接頭(2)和測壓接頭(3)設(shè)計在槍體(1)的上部,測溫接頭(2)和測壓接頭(3)的下端與槍體(1)連通;所述的氣體入口接頭(4)之一入口接頭(4-1)位于槍體(1)的直后端,入口接頭(4-2)位于槍體(1)的斜后端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,其特征在于所述的噴嘴(6)為收縮擴(kuò)張型Laval噴管,噴嘴平直段(6-1)直徑在8 30mm,噴嘴喉 部(6-3)直徑在1.5 4mm,噴嘴出口 (6-6)直徑在3 12mm,噴嘴平直段(6-1) 長度在10 50mm,噴嘴收縮段(6-2)長度在10 50mm,噴嘴擴(kuò)張段(6-5)長 度150 300mm,距離噴嘴喉部10 30mm處有2個對稱分布的送粉用粉末入口 (6-7),所述的粉末入口 (6-7)與噴嘴中心軸線夾角在25 60°之間,并且相交 至噴嘴送粉匯流點(6-4);所述的噴嘴送粉匯流點(6-4)距離噴嘴喉部(6-3) 為10 30mm。
專利摘要本實用新型涉及一種利用粉末制備涂層的動能噴涂噴槍,其特征在于槍體1的下端連接夾持把柄5,后端連接氣體入口接頭4,噴嘴6通過螺紋連接到噴槍1的前端,軸向送粉導(dǎo)氣嘴7通過螺紋連接到槍體1的內(nèi)部,測溫接頭2和測壓接頭3設(shè)計在槍體1的上部,測溫接頭2和測壓接頭3的下端與槍體1連通;所述的氣體入口接頭4之一入口接頭4-1位于槍體1的直后端,入口接頭4-2位于槍體1的斜后端。本實用新型動能噴涂噴槍可實現(xiàn)高壓與低壓噴涂,亦可實現(xiàn)后部軸向中心送粉與噴嘴擴(kuò)張段送粉。工作范圍廣,操作方便。另外,軸向送粉導(dǎo)氣嘴7通過螺紋連接到槍體1,其出口距離噴嘴喉部的距離可方便調(diào)節(jié)。
文檔編號C23C24/00GK201324710SQ20082022266
公開日2009年10月14日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者李文亞 申請人:西北工業(yè)大學(xué)
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