CN100391617C - 冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷嘴，特别是涉及一种用于冷喷涂的拉乌尔(Laval)型超音速喷嘴。一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。本发明的喷嘴喷出的粉末颗粒速度高、颗粒束流为不发散的平行束流，并且不发生粘喉，耐磨性好，使用寿命长。

Description

冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴

(一)技术领域

本发明涉及一种喷嘴，特别是涉及一种用于冷喷涂的拉乌尔(Laval)型超音速喷嘴。

(二)背景技术

冷气动力喷涂(简称冷喷涂)技术是基于空气动力学原理的一项喷涂技术，其原理是利用高压气体携带粉末颗粒进入高速气流，通过缩放管(超音速喷嘴)产生超音速双相流，粉末颗粒经超音速喷嘴加速后在完全固态下撞击基体，通过产生强烈的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。高压气体从气源被分成两路，一路进入送粉器携带粉末颗粒；另一路进入加热器而被加热，从而提高气流的速度。与热喷涂技术不同的是，冷喷涂不形成高温，完全依靠气流对粉末颗粒的携带加速作用，因此喷嘴就成为冷喷涂技术的关键。为此俄罗斯、美国及欧共体均开发了各自的喷嘴，俄罗斯、美国及欧共体专利(其中，俄罗斯专利，专利号分别为1674585(1991)、1603581(1993)、1618778(1993)、1773072(1993)、2010619(1994)；欧洲专利，专利号为0484533A1(1992)；美国专利，专利号为5302414(1994))公开了一种冷气动力喷涂装置，其中送粉器与超音速喷嘴连为一体，采用电机带动转鼓推动粉末进入气体粉末混合室，在送粉器的下端有一个压缩气体入口，并通过两个出口分别将气体导入送粉器转鼓低端和粉末上部以平稳送粉室压力，在喷嘴结构上扩散段为锥形。专利号为0042508A1公开了一种冷气动力喷涂装置，在喷嘴结构上扩散段均为锥形，虽便于加工，但压力损失大，不易实现最佳喷射速度，寿命比较短。

中国专利，专利申请号为01128130.8，公开号为CN1403210A公开了一种收缩段为维托辛基曲线形光滑连续收缩，扩散段为轴对称位流式结构的喷嘴。这一喷嘴在收缩段和扩散段均加速气流，但这一喷嘴对粉末颗粒的携带距离短，产生的颗粒速度较低。并且颗粒流在离开喷嘴后由于气流的发散出现颗粒流发散，形成发散角较大的颗粒流，沉积效率较低。

另外，为了进一步提高气流的速度，一般情况下要对压缩气体进行加热，这样对喷嘴耐热耐高压性能要求更高。目前的冷喷涂喷嘴由金属材料制备，耐高温性能较低。也有采用烧结碳化钨材料制备的喷嘴，但非常昂贵。并且以上的喷嘴在喷涂低熔点的金属材料时容易在喉部发生粘接。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，该喷嘴用于冷喷涂的粉末颗粒速度高、颗粒束流为不发散的平行束流，并且不发生粘喉，耐磨性好，使用寿命长。

本发明是这样实现的：一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。

上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述扩散段分为膨胀段、消波段和准直段三段，三段曲线先平滑递增、减缓、再减缓，椭圆曲线段的纵轴端面与准直段的轴对称圆柱面相切。

上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述喷嘴收缩段、喉部直线段和扩散段的外壁由氧化钇全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制成，喷嘴喉部等径直线段和扩散段内壁由氮化硼陶瓷材料制成。

上述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，所述喷嘴喉部的截面积与喷嘴出口端的截面积之比为1∶2.0至1∶4.0，最佳范围为1∶2.5至1∶3.0。所述喷嘴喉部等径直线段长度为5毫米至15毫米，最佳范围为8毫米至12毫米。所述喷嘴扩散段的椭圆长短半轴之比为3至10，最佳范围为5至7。

本发明具有如下优点：

(1)气流速度高。本发明的喷嘴收缩段和扩散段均为光滑的曲线，收缩段采用维托辛基曲线，扩散段采用椭圆轴对称位流结构，减小了气流能量损失，气体流速高，对粉末颗粒的加速大。

(2)粉末颗粒速度高。气体流速高对粉末颗粒的加速大，所以粉末颗粒的速度高。另外，本发明的喉部设计成等径直线段，在最高气体密度区加速粉末颗粒，在扩散段中的消波段之后增加了准直段，经这两个气流等速的加速后，粉末颗粒的速度可以接近或达到气流的速度，因此本发明喷嘴粉末颗粒的速度高。

(3)喷涂粉末颗粒的粒径范围大。本发明的喷嘴具有一个喉部的等径直线段，此处的气流密度最高，对粉末颗粒的拖曳效率高，粉末粒径较大的颗粒在此处被加速到音速或接近音速，与气流的速度相近。到达扩散段随着气流速度超过音速，粉末颗粒的速度也超过音速。在扩散段中准直段部分可进一步加大粉末颗粒的速度，使粒径较大的颗粒的速度超过临界速度，形成有效的沉积。

(4)沉积效率高。本发明的喷嘴通过收缩段，喉部等径直线段和扩散段可以将粒径分布范围较大的粉末颗粒粒子全部加速到临界速度以上，形成有效的沉积，因此沉积效率高。

(5)喷嘴使用寿命长。喷嘴采用高强度、高硬度和高韧性的陶瓷材料制备，耐磨性好，使用寿命长。

(6)喷嘴不发生粘喉。喷嘴喉部采用氮化硼陶瓷制备，氮化硼陶瓷与金属不发生浸润，因此在喷涂低熔点的材料时也会因粉末颗粒中粒径小的金属颗粒的部分熔化而发生粘喉现象。

(7)可在较高温度下喷涂低熔点的材料。本发明喷嘴外壁均采用高强度、高硬度和高韧性全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制备，耐高温耐高压的性能优异，因此可以进行较高温度喷涂；喉部采用了不与金属发生浸润的氮化硼陶瓷制备，因此较高温度下金属粉末颗粒的熔化对喷嘴无影响。因此本发明喷嘴可进行较高温度下低熔点材料的喷涂。

(8)喷涂温度高，本发明喷嘴采用了耐高温陶瓷，可以在较高温度下对具有纳米结构的难熔材料进行喷涂。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴结构示意图；

图2为冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴采用复合陶瓷制备的材料结构示意图。

图中：1收缩段，2喉部(喉部等径直线段)，3膨胀段(初始扩散段)，4扩散段，5消波段，6准直段，7喷嘴外壁(包括收缩段和喉部与扩散段外壁)，8喉部等径直线段和扩散段内壁。

(五)具体实施方式

参见图1、图2，一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴包括了喷嘴的几何结构和喷嘴制备材料。

1.喷嘴的几何结构。

本发明的喷嘴内径采用收缩段1、喉部等径直线段2和扩散段4三段构成，喷嘴内部的曲线均为轴对称设计和光滑过渡。收缩段1采用维托辛基曲线，喉部2为等径直线段，而扩散段4采用椭圆轴对称位流式结构。所述的光滑连续的维托辛基曲线可将气流均匀加速到音速，减少气流能量损失。喉部2的等径直线段中气流的速度为音速或接近音速，在收缩段4中虽然气体的速度达到音速，可是粉末颗粒速度却远远低于气体的速度，而在喉部2的等径直线段中由于气流的拖

作用可以提高粉末颗粒的速度，同时由于此处的气体密度最大，因此其拖

效率最高，所以喉部2的等径直线段是本发明与其他喷嘴所不同的一个特点，在此段中的气流特征为平直音速流。在扩散段4采用椭圆轴对称位流式结构，可以分成膨胀段3、消波段5和准直段6三段结构，三段曲线是椭圆曲线加上近似平行于喷嘴轴线的直线，曲线呈先平滑递增、减缓、再减缓。扩散段流道的任何位置的横截面是圆。膨胀段3横截面大于喉部2横截面，膨胀段3气体发生径向流动，达到超音速，形成超音速泉流，即由平直音速流向泉流过渡形成完全的泉流，在消波段5把这个超音速泉流转变成均匀平行于轴线的流动，从而减少流动阻力，使气流最大限度地得以加速；由于椭圆轴对称结构的特点，气流经扩散后形成的是一个与喷嘴中心轴线平行的平等束流，这是本发明与其它喷嘴结构根本不同的又一个特点。在准直段6气流速度变化很小，但对粉末颗粒的拖

作用较大，可进一步提高粉末颗粒的速度，同时减少外部环境的影响，将粉末颗粒流的发散角降低，形成平行束流，这是本发明与其它喷嘴结构根本不同的再一个特点。在气流离开喷嘴后速度会进一步增加，颗粒速度也相应增加。本发明的喷嘴不仅在加速过程中能量损失小，流动阻力小，可以获得更大的气流速度；同时可以最大程度提高粉末颗粒的速度，这是冷喷涂的关键，还可以降低粉末颗粒流束的发散角形成平行束流，提高喷涂的效果和涂层的质量，减少涂层孔隙率。

本发明的超音速喷嘴的结构设计原理由流体力学公式给出，对于一维定常流动，考虑可压缩气体，则有：

v²/2+K/K-1·P/ρ＝常数            (1)

ρ·v·S＝常数                    (2)

P/ρ^k＝常数                       (3)

由以上三个公式，可得

ds/s＝(M²-1)dv/v                  (4)

式中：S管道截面积；M＝v/v_sonic(马赫数)；ρ气体密度；K气体常数；P气体压力；v气体流速。由式(4)可知，当v＜v_sonic时，dv符号与ds符号相反，即：随着喷嘴截面积变小(ds为负值)，流体速度增加，当经过足够收缩，流体速度可在管道喉部截面处达到声速。当v＞v_sonic时，dv符号与ds符号相同，即：随着喷嘴截面积变大(ds为正值)，流体速度增加，流体速度可在经过管道喉部截面后，获得超音速。

喉部2的等径直线段的有效距离应在5-15mm之间，最佳范围在8-12mm之间。

喷嘴内径的几何曲线结构还在于，喷嘴收缩段1与枪膛的气室相连，气室的内径与维托辛基曲线的底线光滑相连。维托辛基曲线的尖端与喷嘴喉部2的等径直线段光滑过渡。喉部2的等径直线段与扩散段4的膨胀段3椭圆线光滑过渡，椭圆曲线的纵轴(短轴)端点与准直段6的轴对称圆柱面相切，喷嘴的出口横截面是圆，所以椭圆曲线段的纵轴半径即为喷嘴的出口半径，根据椭圆方程

$\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1---\left(5\right)$

喷嘴的出口半径为b。根据式(4)可知，喷嘴的出口截面面积与喉部2的等径直线段截面面积之比趋决定出口处气流速度的关键因素，也是决定颗粒速度的关键因素，由冷喷涂中颗粒临界速度一般小于1500m/s以及式(4)可知，喷嘴喉部2的等径直线段直径与出口直径之比(φ_喉/φ_出口)的范围在1∶2.0至1∶4.0之间，最佳范围为1∶2.5至1∶3.0之间。

喷嘴扩散段4中膨胀段3的曲率是气流径向流动的关键，而椭圆方程中长短半轴a/b的值为膨胀段3曲率的关键。a/b太大则气流加速慢，太小则气流径向流动大，易产生激波紊流，a/b值的范围在3-10之间，最佳范围为5-7。

2.喷嘴制备材料。

本发明所采用喷嘴制备材料为复合陶瓷结构。这是因为：冷喷涂采用的气体温度一般在650℃左右，有时可达800℃，气体压力3.5MPa左右，因此喷嘴要同时具备耐高温、抗热震和耐高压的性能。本发明超音速喷嘴的喉部2为等径直线段，为了提高气流的速度，压缩气体在进入喷嘴前已具有较高的温度，在喉部2等径直线段这一位置由于气体的密度最大，温度也将增加，同时传递给粉末颗粒的热量较大，粉末颗粒的温度将升高，在喷涂低熔点的金属材料时，部分直径非常小的颗粒可能发生表面的熔化。即使不发生熔化现象，也可能由于高速颗粒与喉部2的磨擦而出现粘喉的现象。所以喷嘴的材料要同时具备耐高温、抗热震、耐高压和不与金属粘接的多种功能。本发明的超音速喷嘴材料采用了复合陶瓷材料制备而成。即：第一、喷嘴收缩段1、喉部直线段2和扩散段4的外壁7均由3.5-5mol％氧化钇全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制成；这两种陶瓷均具备高强度和高韧性，能够耐冷喷涂气体的高压和耐气体的高温(可达2200℃)，同时这两种陶瓷的抗热震性能优异，满足喷嘴的热震性能要求。第二、喷嘴的喉部2等径直线段部分和扩散段4的内壁8采用氮化硼陶瓷材料制备，氮化硼与金属不发生浸润现象，可有效防止金属粘喉现象，且熔点极高抗热震性非常好。

本发明喷嘴喷涂粉末颗粒的粒径范围大。本发明喷嘴不仅考虑了气流的速度高，同时具有两段专为提高粉末颗粒速度的结构段，即喉部2的等径直线段和扩散段4末端的准直段6。粒径较大的颗粒在经收缩段1加速后，其速度与气流的速度相差仍然较大，如果直接进入到扩散段4虽然气流的速度超过音速，但是粉末颗粒速度仍为亚音速，如果不能在扩散段4的前1/3处超过音速，则最终的粉末颗粒的速度将因音障的作用而在出口处仍为亚音速状态。本发明的喷嘴具有一个喉部2的等径直线段，此处的气流密度最高，对粉末颗粒的拖曳效率高，粉末粒径较大的颗粒在此处被加速到音速或接近音速，与气流的速度相近。到达扩散段4随着气流速度超过音速，粉末颗粒的速度也超过音速。在扩散段4中准直段6部分可进一步加大粉末颗粒的速度，使粒径较大的颗粒的速度超过临界速度，形成有效的沉积。喷涂粉末粒径范围可为5-400μm，最佳范围为5-200μm。

实施例1

Laval型冷喷涂喷嘴外壁7为3.5mol％氧化钇全稳定的氧化锆陶瓷，氮化硼陶瓷为喉部和扩散段内壁8的冷喷涂喷嘴。扩散段4的长度为10mm，喉部等径段长度为6mm、a/b为5，喉部2直径与喷嘴出口的直径比为1∶2.5。喷涂铝锌合金粉，粒径范围为100-300μm。喷涂工艺参数为：氮气压力2.5MPa，温度400℃。实验结果为：颗粒的平均速度为600m/s，没有发生粘喉现象，颗粒没有发生氧化，沉积效率为85％。

值得指出的是，常规的冷喷涂技术制备铝锌合金粉末涂层，最高的颗粒粒径要小于100μm，气体压力在3.0MPa以上，温度小于250℃，沉积效率约为80％左右。当常规的冷喷涂喷嘴在喷涂铝锌合金粉时，如果温度超过300℃将发生粘喉现象。本发明技术制造的喷嘴由于采用了不与金属不发生浸的氮化硼陶瓷制备喉部2，喷涂温度选择400℃也没有出现粘喉现象，使用的压力小于常规的冷喷涂喷嘴，降低了成本，且沉积效率高于常规的冷喷涂喷嘴。

实施例2

Laval型冷喷涂喷嘴外壁7为氧化铝陶瓷，氮化硼陶瓷为喉部和扩散段内壁8的冷喷涂喷嘴。扩散段4的长度为15mm，喉部等径段长度为7mm、a/b为6，喉部2直径与喷嘴出口的直径比为1∶3。喷涂钛粉，粒径范围为200-300μm。喷涂工艺参数为：氮气压力3.0MPa，温度400℃。实验结果为：颗粒的平均速度为800m/s，没有发生粘喉现象，颗粒没有发生氧化，沉积效率为80％。

值得指出的是，常规的冷喷涂喷嘴制备钛粉末涂层，最大的颗粒粒径要小于100μm，气体压力在3.5MPa以上，沉积效率约为80％左右。本发明技术制造的喷嘴由于采用了喉部2等径直线段，因此使用较小的气体压力，就可以将粒径远远大于常规冷喷涂所用的钛粉加速到与常规冷喷涂喷嘴相当的速度，且沉积效率与常规的冷喷涂喷嘴相当。

实施例3

Laval型冷喷涂喷嘴外壁7为5mol％氧化钇全稳定的氧化锆陶瓷，氮化硼陶瓷为喉部和扩散段内壁8的冷喷涂喷嘴。扩散段4的长度为10mm，喉部等径段长度为8mm、a/b为6，喉部2直径与喷嘴出口的直径比为1∶2.8。喷涂铜粉，粒径范围为10-100μm。喷涂工艺参数为：氮气压力3.5MPa，温度800℃。实验结果为：颗粒的平均速度为1200m/s，没有发生粘喉现象，颗粒没有发生氧化，沉积效率为92％。

与常规冷喷涂喷嘴相比，常规冷喷涂喷嘴要使颗粒平均速度达到1200m/s，采用的氮气压力要4.0MPa以上，要降低压力必须采用氦气或者是氦气与氮气的混合气体，运行成本较高；并且铜颗粒的粒径要在50μm以下。原因为常规的冷喷涂喷嘴采用工具钢等合金制造，其高温强度较低，使用温度超过650℃将大大降低喷嘴的使用寿命。本发明技术制造的喷嘴采用了耐高温耐高压的陶瓷材料，因此气体的温度可以高达1000℃以上，本次实验选择800℃，使用较小的气体压力，就将粒径远远大于常规冷喷涂所用铜粉加速到临界速度，且沉积效率高于常规的冷喷涂喷嘴。

实施例4

Laval型冷喷涂喷嘴外壁7为5mol％氧化钇全稳定的氧化锆陶瓷，氮化硼陶瓷为喉部和扩散段内壁8的冷喷涂喷嘴。扩散段4的长度为15mm，喉部等径段长度为7.5mm、a/b为7，喉部2直径与喷嘴出口的直径比为1∶3.5。喷涂铜粉，粒径范围为5-25μm。喷涂工艺参数为：氮气与5％氦气的混合气体，压力为3.5MPa，温度800℃。实验结果为：颗粒的平均速度为2000m/s，没有发生粘喉现象，颗粒没有发生氧化，沉积效率为98％。

与常规冷喷涂喷嘴相比，常规冷喷涂喷嘴要使颗粒平均速度达到2000m/s，采用的气体要用纯氦气或是比例分数占60％以上的氦气与氮气混合气体，压力要4.0MPa以上，运行成本较高；并且铜颗粒的粒径要在50μm以下。原因为常规的冷喷涂喷嘴采用工具钢等合金制造，其高温强度较低，使用温度超过650℃将大大降低喷嘴的使用寿命。本发明技术制造的喷嘴采用了耐高温耐高压的陶瓷材料，因此气体的温度可以高达1000℃以上，本次实验选择800℃，使用较小的气体压力，粉末颗粒速度高，且沉积效率高于常规的冷喷涂喷嘴。

Claims (9)

1.一种冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，包括收缩段、喉部、扩散段，收缩段为维托辛基曲线，其特征是喉部为等径直线段，扩散段为椭圆轴对称位流式结构，喉部至扩散段的出口端为连续平滑递增，扩散段流道沿喷嘴轴线截面为一段椭圆曲线，收缩段、喉部、扩散段之间光滑过渡。

2.根据权利要求1所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是扩散段分为膨胀段、消波段和准直段三段，三段曲线先平滑递增、减缓、再减缓，椭圆曲线的纵轴端面与准直段的轴对称圆柱面相切。

3.根据权利要求1或2所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴收缩段、喉部直线段和扩散段的外壁由氧化钇全稳定的氧化锆或氧化铝陶瓷制成，喷嘴喉部等径直线段和扩散段内壁由氮化硼陶瓷材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴喉部的截面积与喷嘴出口端的截面积之比为1∶2.0至1∶4.0。

5.根据权利要求4所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴喉部的截面积与喷嘴出口端的截面积之比的范围为1∶2.5至1∶3.0。

6.根据权利要求1或2所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴喉部等径直线段长度为5毫米至15毫米。

7.根据权利要求6所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴喉部等径直线段长度的范围为8毫米至12毫米。

8.根据权利要求1或2所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴扩散段的椭圆长短半轴之比为3至10。

9.根据权利要求8所述的冷喷涂用复合陶瓷拉乌尔型喷嘴，其特征是喷嘴扩散段的椭圆长短半轴之比的范围为5至7。

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