CN100406130C - 冷气动力喷涂方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用冷气动力喷涂方法将金属粉末材料喷涂到试样或工件表面以制备涂层的方法和装置。一种冷气动力喷涂方法，其特征是将工作气体加热并输入一个与拉乌尔型喷嘴等效的喷嘴流道上游的汇聚段内，工作气体经过喷嘴喉部后在下游发散段膨胀并加速；将待喷涂的金属粉末颗粒直接送入喷嘴的下游发散段并由其中的工作气体加速；其中喷嘴内部导流端子内开有送粉孔道，导流端子的侧面开有均布的至少两个出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线有一夹角。本发明可避免待喷涂粉末对喷嘴喉部的粘圬和堵塞，不仅可提高喷嘴入口的工作气体温度喷涂较大的粉末颗粒，而且喷嘴的作用与常规拉乌尔喷嘴等效，但更便于加工制造。

Description

冷气动力喷涂方法和装置

(一)技术领域

本发明涉及一种制备涂层的方法和装置，尤其涉及一种利用冷气动力喷涂方法将金属粉末材料喷涂到试样或工件表面以制备涂层的方法和装置。

(二)背景技术

制备涂层的常规手段是采用各种热喷涂方法，这些方法包括：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速氧燃料喷涂(HVOF)。上世纪末出现了一种基于空气动力学原理的新型的涂层制备方法——冷气动力喷涂(简称冷喷涂或动力学喷涂)。在冷气动力喷涂过程中，待喷涂的粉末颗粒被某种“冷”气喷射装置驱动和加速到很高的速度，同时并不发生熔化。具有很高动能的粉末颗粒撞击待喷涂的试样或工件表面，形成牢固、致密的附着层。撞击过程中粉末颗粒的塑性变形以及由此产生并释放的热量提供了涂层在试样或工件表面的附着力和结合力。加热喷射气体可以提高粉末颗粒的温度从而使其在撞击过程中更易于发生塑性变形，同时加热气体也提高了气流的流速以及粉末颗粒的速度。气体温度可以高达800℃，但必须低于所喷射的粉末颗粒的熔点以确保粉末颗粒在气流中不发生熔化。这样，就可以避免常规的热喷涂过程中存在的氧化、相变和热应力等问题。

在冷气动力喷涂的喷射装置中，高压气源提供高压气体，推动工作气体及送粉载气加速；加热器设有两套，分别使工作气体及载气预热到一定的温度；送粉器是在带压的状态下将粉末送入喷枪内，喷枪后部与前膛相连，在此处粉末与工作气体混合并进入喷嘴。工作气体是产生高速的介质，在进入前膛前在加热器预热到100-600℃，以加大颗粒流速。载气在另一加热器受热后，经送粉器呈轴向将粉末送入喷枪。喷嘴结构为汇聚-发散型拉乌尔(Laval)喷嘴，其中流道最狭窄处为喷嘴的喉部，喉部的上游为喷嘴的汇聚段，下游为发散段。在拉乌尔喷嘴中，工作气体从汇聚段的1.5～3.5MPa的压力经喉部到达发散段膨胀到常压并加速，从而形成超音速气流。

目前的冷气动力喷涂都是采用具有拉乌尔喷嘴来实现超音速的。拉乌尔喷嘴可以有不同的几何形式，其主要特征参数包括：几何轮廓(如，发散段的横截面是圆形还是矩形)、发散段的长度以及出口横截面面积与最细部位(喉部或颈部)横截面面积之比(简称特征比)。

通常，待喷涂的粉末颗粒通过送粉管注入拉乌尔喷嘴的喉部上游，即喷嘴的汇聚段。这一区域的压力与送粉管的输入压力接近，最高可达3.5MPa，这也意味着这里所使用的送粉器必须是一种高压送粉器。然而，在如此高的压力下粉末颗粒的输送会遇到很多问题，象送粉管末端的紊流就是上述装置的弱点之一。如果按照常规的方法将粉末送到喷嘴上游，该弱点就使得粉末与工作气体的混合不均匀且难以准确集中地通过喷嘴的汇聚段汇聚到流道中最狭窄的部分(喉部)。

冷气动力喷涂最重要的参数是粉末颗粒到达基板之前的速度。对于给定的材料，存在一个临界速度，只有速度超过该临界值的粒子才能黏附在基板上形成涂层。为了达到临界速度，喷嘴的内壁必须保持畅通，无粉末粘圬和塞积。拉乌尔喷嘴的喉部横截面直径只有1.5-3.5mm，这不仅加大了喷嘴的制造难度和成本，而且易于导致粉末颗粒对流道尤其是喉部的磨损、粘圬和堵塞。粘圬和塞积即便没有造成喷涂过程中断，也会影响喷涂工艺和涂层的内在质量。由于工作气体的温度和喷射速度受限制，常规冷气动力喷涂方法能够喷射的粉末颗粒直径有限(在1-50μm之间)，最大不能超过50μm。

为了解决拉乌尔喷嘴的粘圬和堵塞问题，专利WO98/22639、US2002/0071906、US2003190414、EP1445033和RU2229944提出：从拉乌尔喷嘴发散段的侧方将待喷涂粉末颗粒注入流道(喉部的下游)，而不是象通常那样将粉末送到拉乌尔喷嘴的汇聚段(喉部的上游)。为此，需要在拉乌尔喷嘴发散段的侧壁开送粉孔以便与送粉管连接。这些发明可以有效地解决喷嘴的堵塞和磨损问题，有利于突破工作气体温度和喷射速度，但在拉乌尔喷嘴侧壁开孔增加了喷嘴的加工难度，同时也使得送粉管路复杂化。

专利US2003190414和EP1445033采用直接将待喷涂粉末颗粒注入流道下游发散段的方法，可以将工作气体的温度提高到600℃至700℃而不至于导致下游的待喷涂粉末熔化，从而使可以冷气动力喷涂的最大粉末颗粒直径达到106μm[US2003190414]，甚至达到250μm[EP1445033]。但是，虽然这种方法有利于突破工作气体温度、喷射速度以及粉末颗粒直径的局限，但较高的工作气体温度(专利US2003190414甚至允许将温度提高到1650℃)不仅增加了待喷涂粉末氧化或相变的几率，而且会给高压工作气体加热器的螺旋管、气体管路、喷枪前膛以及喷嘴的选材、制造、使用和维护带来了一系列问题

专利US2004166247也采用了将粉末颗粒直接送达喷嘴发散段的技术方案，但不需要在喷嘴的侧壁开送粉孔。其方法是：将送粉管沿着喷嘴流道自上游汇聚段穿过喉部直接插到下游发散段，粉末颗粒由送粉管的端部沿流道中轴线直接送进发散段的流道。该发明能够有效解决喷嘴的堵塞和磨损问题，喷嘴的加工也很简便。其缺点是，送粉管末端易于产生紊流。通常，送粉管的内径在3mm左右，即便管壁只有0.5mm厚，端部的横截面外圆直径也有4mm左右。这样，在送粉管端部对应的喷嘴发散段的有效横截面面积就有了12mm²以上的突变，这必将在该部位造成湍流或紊流。由于在喷嘴下游的发散段工作气体的速度业已达到超音速，上述湍流或紊流将对粉末颗粒的平稳加速产生不利影响。这种影响显然要比送粉管出口在喷嘴上游的情况严重的多。此外，送粉管端部是工作气体速度场的一个死角，其速度远低于该部位工作气体的平均速度，在该部位送出的粉末颗粒无法得到有效的加速。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种冷气动力喷涂方法和装置，可以有效避免待喷涂粉末对喷嘴喉部的粘圬和堵塞，保持常规送粉机构的外部管路系统从而避免送粉管路的复杂化，还可以不仅仅依靠提高喷嘴入口的工作气体温度喷涂尺寸较大的粉末颗粒，而且喷嘴的作用与常规拉乌尔喷嘴等效，但更便于加工制造。

本发明是这样实现的：一种冷气动力喷涂方法，其特征是

将工作气体加热并输入一个与拉乌尔型喷嘴等效的喷嘴流道上游的汇聚段内，工作气体经过喷嘴喉部后在下游发散段膨胀并加速；

将待喷涂的金属粉末颗粒直接送入喷嘴的下游发散段并由其中的工作气体加速；

其中：

待喷涂的粉末颗粒是经过连接送粉管端部的一个导流端子内的送粉孔道送达喷嘴下游发散段的；

送粉管末端以及导流端子的轴线与喷嘴流道的中轴线重合，导流端子的尖端指向工作气体的流动方向，即喷射方向；

导流端子的侧面开有均布的至少两个出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线有一夹角，出粉孔出口偏离喷嘴流道的中轴线，位于导流端子的侧面并处于喷嘴下游发散段内。

上述的冷气动力喷涂方法，所述工作气体流道是由喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓形成的，喷嘴下游扩散段导流端子与喷嘴外部本体之间所形成的空间的横截面面积与常规拉乌尔喷嘴相应位置的横截面面积相等，即A₁-a＝A，其中A₁、a和A分别是喷嘴外部本体内腔、导流端子以及常规拉乌尔喷嘴流道相应位置的横截面面积。

上述的冷气动力喷涂方法，所述喷嘴喉部对应喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓之间所形成的环形区域中横截面最小处，即A₁-a_*＝A_*，其中a_*和A_*分别是导流端子和常规拉乌尔喷嘴喉部的横截面面积。

上述的冷气动力喷涂方法，所述导流端子上出粉孔的轴线与喷嘴中轴线的夹角为10°至60°；导流端子上出粉孔出口位于喷嘴喉部至导流端子尖端之间，与喷嘴喉部的距离是喷嘴喉部至导流端子尖端之间距离的三分之一至二分之一。

上述的冷气动力喷涂方法，所述喷嘴入口的工作气体温度在200℃至700℃之间。待喷涂的金属粉末颗粒直径在5μm至250μm之间。

一种冷气动力喷涂装置，包括加热器、前膛、布流器、送粉器、管路、喷嘴，高压气体分二路进入加热器和送粉器，管路连接加热器和前膛，工作气体经前膛进入布流器，通过布流器进入喷嘴本体，送粉器经送粉管进入喷嘴，其特征是喷嘴包括喷嘴外部本体和内部导流端子，导流端子的中轴线与喷嘴流道的中轴线重合，导流端子的尖端指向工作气体的流动方向；喷嘴流道包括上游汇聚段、喉部、下游发散段；导流端子内开有送粉孔道，送粉孔道连接外部的送粉管，导流端子的侧面开有均布的至少两个出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线有一夹角，出粉孔出口偏离喷嘴流道的中轴线，位于导流端子的侧面并处于喷嘴下游发散段内；工作气体流道是由喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓形成的。

上述的冷气动力喷涂装置，所述喷嘴下游扩散段导流端子与喷嘴外部本体之间所形成的空间的横截面面积与常规拉乌尔喷嘴相应位置的横截面面积相等，即A₁-a＝A，其中A₁、a和A分别是喷嘴外部本体内腔、导流端子以及常规拉乌尔喷嘴流道相应位置的横截面面积。

上述的冷气动力喷涂装置，所述导流端子上出粉孔的轴线与喷嘴中轴线的夹角为10°至60°；导流端子上出粉孔个数为2至6个，出粉孔出口位于导流端子的同一个横截面上，并沿该横截面的周边等间距均匀分布。

上述的冷气动力喷涂装置，所述喷嘴外部本体的内壁是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第一旋转体的表面，导流端子的外部轮廓是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第二旋转体的光滑表面，在喉部之前的喷嘴上游，第一旋转体是一个圆台，第二旋转体是一个圆柱，第一旋转体之内和第二旋转体之外的空间构成了等效拉乌尔喷嘴的汇聚段；在喉部之后的喷嘴下游直到导流端子的尖端，第一旋转体是一个圆柱，第二旋转体是由顶点位于导流端子尖端的曲线旋转得到的曲面锥体，第一旋转体之内、第二旋转体之外的空间构成了等效拉乌尔喷嘴的发散段，第二曲面锥体在喉部至导流端子尖端之间距离喉部x处的旋转半径 $r=\sqrt{R_1^2-{(R_{*}+\frac{R_1-R_{*}}{l_0}x)}^2},$

其中l₀为发散段长度，即喷嘴喉部至导流端子尖端之间距离，R₁为第一旋转体为圆柱的旋转半径，即喷嘴外部本体的内径，与圆形等效拉乌尔喷嘴发散段端口的横截面半径R₂相等，R_*为等效拉乌尔喷嘴喉部横截面半径。

上述的冷气动力喷涂装置，所述喷嘴发散段之后，即在内部导流端子尖端之后，外部本体平直段的长度是发散段长度的四分之一至三分之一。

上述的冷气动力喷涂装置，所述导流端子由两个组件组成，两个组件的接口对应喷嘴喉部或喉部的有效范围并通过螺纹连接在一起，其中喷嘴上游部分对应的组件采用外螺纹，下游部分对应的组件采用内螺纹。导流端子的两个组件采用不同的材料制造，其中处于喷嘴下游组件的材料的密度等于或低于上游组件的密度，上游组件的材料的耐热性能与下游组件相同或高于下游组件。

本发明是将工作气体加热到200℃至700℃并输入一个与拉乌尔型喷嘴等效的喷嘴流道上游的汇聚段内，气体经过喷嘴喉部(流道最狭窄的部分)后在下游发散段膨胀并加速；将颗粒直径5μm至250μm的待喷涂粉末颗粒直接送入喷嘴的下游并由其中的工作气体加速至300m/s到1200m/s。其中待喷涂的粉末颗粒是经过送粉管端部的一个导流端子直接送达喷嘴下游的发散段的；送粉管末端以及导流端子的轴线与喷嘴流道的中轴线重合，导流端子的尖端指向工作气体的流动方向(喷射方向)；导流端子的侧面开有两个或两个以上的出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线呈5°至75°角，以10°至60°较佳，出粉孔的出口偏离喷嘴流道的中轴线，位于导流端子的侧面并处于喷嘴下游的发散段内。

本发明的优点在于：

1.导流端子尖端不开出粉口，只对导流端子下游端组件外部轮廓的几何尺寸要求较高，因此可以加工成接近理论要求的形状。该部位喷嘴的有效横截面连续、平滑变化，没有突变，不会造成如专利US2004166247送粉管末端的湍流。

2.由于把出粉孔出口置于喉部之后的发散段，工作气体的温度甚至可以高于待喷涂粉末的熔点而不会引起粉末的熔化，因为工作气体经过喉部后，温度迅速降低，接触到粉末时温度已经远低于其熔点(有时甚至低于室温)了，从而突破了常规冷气动力喷涂对温度的限制。

3.导流端子侧面出粉孔的出口位于喷嘴的发散段，而此处的工作气体温度较低，可以避免粉末对喷嘴外部本体内壁与以及内部导流端子外壁的粘圬和塞积。

4.导流端子侧面出粉孔的出口位于喷嘴的发散段，此处的工作气体沿着平滑渐变的导流端子外表面高速流动，由于射流效应而对出粉孔内的粉末颗粒产生强烈的抽吸作用。相对于常规方法只依靠送粉管内载气对粉末颗粒的拖曳作用，这种抽吸作用不仅有利于送粉，而且还可以克服粉末颗粒在送粉管以及送粉孔道内部的粘圬和堵塞问题。

5.工作气体在喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外壁之间形成了一个高速流动的“冷”气膜，该气膜有如下两个作用：对喷嘴外部本体8内壁与内部导流端子9外壁之间狭窄区域内的粉末颗粒具有强烈的吹扫和洗刷作用，可以有效避免粉末对喷嘴外部本体8内壁以及内部导流端子9外壁的粘圬和塞积；如果正确地进行喷涂操作，即先供工作气体后送粉，送粉时导流端子9侧面的出粉口外已经存在上述气膜，粉末颗粒不能直接冲击喷嘴外部本体8的内壁，从而可以减少喷嘴的磨损。

6.由于导流端子侧面出粉孔的虚拟“拉乌尔喷嘴”作用：一方面粉末颗粒在通过出粉孔时会产生“自发”的预加速，再加上送粉孔道内载气的拖曳作用和出粉孔外工作气体的抽吸作用，粉末颗粒可以得到更有效的加速，从而可以不仅仅依靠提高温度而喷涂尺寸较大的粉末颗粒；另一方面，由出粉孔送出的待喷涂粉末颗粒速度提高、温度降低、压力降低，与工作气体的速度、温度和压力的差别减小，这不仅可以减少对喷嘴外部本体内壁的粘圬和塞积，而且可以减小工作气体速度场和温度场的波动。

7.本发明的喷嘴的作用与常规拉乌尔喷嘴相同，但喷嘴外部本体的发散段可以做成一个横截面直径等于等效常规拉乌尔喷嘴发散段最大直径的圆筒——一个形状简单、内径很大的直筒，加工十分方便，成本因此降低。

(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为本发明冷气动力喷涂装置示意图；

图2为喷嘴及相关联接件结构示意图；

图3为本发明的喷嘴立体剖面图；

图4为喷嘴内部的导流端子在喷嘴下游发散段的外部轮廓示意图。

图中：1高压气体，2加热器，3管路，4送粉器，5送粉管，6前膛，7布流器，8喷嘴外部本体，9导流端子，9-1导流端子上游段，9-2导流端子下游段，9-3导流端子内送粉孔道，9-4导流端子的出粉孔。

(五)具体实施方式

参见图1，一种冷气动力喷涂装置，其高压气体1分二路，一路经过加热器2加热的气体作为工作气体通过管路3进入前膛6，前膛6中工作气体的温度在200℃至700℃之间。接下来前膛6中的工作气体通过布流器7进入喷嘴外部本体8。与此同时，另一路少部分气体作为载气进入送粉器4并将待喷涂的粉末颗粒带出，通过送粉管5及喷嘴内部导流端子9直接送到喷嘴外部本体8下游的发散段。送粉管5在与导流端子9相联之前穿过了前膛6，这种管路的布排方式与常规冷气动力喷涂系统几乎一样，因此可以避免因“绕过前膛6而在喷嘴外部本体8侧壁开送粉孔(专利US2003190414和EP1445033)”而使送粉管路的复杂化的问题。同时，送粉管5在与喷嘴内部导流端子9相联之前穿过前膛6，还可以使送粉管5之内的载气和待喷涂粉末得到一定程度的预热和膨胀(增压)，这对实现下面将描述的虚拟“拉乌尔喷嘴”非常重要。

参见图2、图3，喷嘴由外部本体8和内部导流端子9组合而成，喷嘴的工作气体流道是由喷嘴外部本体8的内壁与喷嘴内部导流端子9的外部轮廓形成的。为了使本发明的喷嘴与常规拉乌尔喷嘴等效，自喉部算起直到发散段终点喷嘴外部本体8与喷嘴内部导流端子9之间所形成的空间的横截面面积必须与常规拉乌尔喷嘴一一对应，亦即喷嘴下游发散段中距离喉部x处的横截面面积

                           A₁-a＝A

或                         a＝A₁-A

其中A₁、a和A分别是本发明喷嘴外部本体8内腔、导流端子9以及常规拉乌尔喷嘴流道在x处的横截面面积。

上式就是使得本发明的喷嘴与常规拉乌尔喷嘴等效的基本方程。换言之，为了使本发明的喷嘴与常规拉乌尔喷嘴等效，喷嘴内部的导流端子9必须这样制造：喉部下游扩散段导流端子9的横截面面积a，应该等于本发明喷嘴外部的本体8相应位置横截面面积A₁与常规拉乌尔喷嘴流道相应位置的横截面面积A之差。

在x＝0处，A₁-a_*＝A_*最小，对应本发明喷嘴的喉部，其中a_*和A_*分别是导流端子9常规拉乌尔喷嘴流道喉部的横截面面积。

喷嘴上游汇聚段的末端与下游发散段的始端可以重合，也可以不重合。二者之间的距离，即喷嘴喉部的有效长度，在0mm至20mm之间。除非特别说明，否则以下所谓的“喉部”均指下游发散段的始端。此外，为了强化工作气体对待喷涂颗粒的加速效果，在喷嘴内部导流端子9的尖端之后，即喷嘴发散段的末端，喷嘴外部本体8还有一段平直的延长段——“平直段”。

如果本发明喷嘴外部本体8内腔、内部导流端子9以及常规拉乌尔喷嘴流道横截面都是正圆，换言之，喷嘴外部本体8的内壁是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第一旋转体的表面，而喷嘴内部导流端子9的外部轮廓是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第二旋转体的光滑表面：如上所述，在喷嘴的喉部，即x＝0处，喷嘴外部本体8与内部导流端子9之间的环形横截面面积A₁-a_*＝A_*最小。由于流道的横截面为正圆的常规拉乌尔喷嘴喉部的流道横截面直径通常在1.5mm至3.5mm之间，尤其是在2mm至3mm之间，上述最小环形横截面面积A₁-a_*＝A_*就在1mm²至10mm²之间，更好在2mm²至7mm²之间。通常，常规拉乌尔喷嘴的特征比

在5至20之间。如果使本发明喷嘴外部本体8自喉部至导流端子尖端的圆柱体的横截面面积A₁与常规拉乌尔喷嘴发散段终点流道的横截面面积A₂相等，即A₁＝A₂那么： $\frac{A_2}{A_{*}}=\frac{A_1}{A_1-a_{*}},$ 本发明喷嘴外部本体8自喉部至导流端子的尖端的圆柱体的横截面面积A₁与喷嘴喉部对应的导流端子横截面面积a_*之比

就在1.05至1.25之间。

值得注意的是，虽然本发明的喷嘴与常规拉乌尔喷嘴等效，但加工的难度和成本都显著低于常规拉乌尔喷嘴。常规拉乌尔喷嘴加工的难度在于狭长的发散段流道是尺寸精度要求较高的圆锥形，尤其是关键的喷嘴喉部更狭窄(流道横截面直径在1.5mm至3.5mm之间)，这是冷气动力喷涂用常规拉乌尔喷嘴非常昂贵的主要原因。与此不同的是，本发明的喷嘴外部本体8的发散段可以做成一个横截面直径等于等效常规拉乌尔喷嘴发散段流道横截面最大直径的圆筒——一个形状简单、内径很大的直筒，加工十分方便，成本因此降低。

在喉部之后的喷嘴下游直到导流端子9的尖端(喷嘴的发散段)，如果第一旋转体是一个半径为R₁的圆柱，则有

$R_1^2-r^2=R^2$

或 $r=\sqrt{R_1^2-R^2}$

其中r和R分别是本发明喷嘴内部导流端子9和圆形横截面常规拉乌尔喷嘴在距离喉部x处的旋转半径。

对于流道的横截面为正圆的常规拉乌尔喷嘴，喉部以及发散段终点的横截面圆半径分别为R_*和R₂，自喉部算起到发散段终点的轴向长度为(发散段长度)l₀，则发散段中距离喉部x处的横截面圆半径R为

$R=R_{*}+\frac{R_2-R_{*}}{l_0}x$

因此，有： $r=\sqrt{R_1^2-{(R_{*}+\frac{R_2-R_{*}}{l_0}x)}^2}$

如果使本发明喷嘴的外部本体8自喉部至导流端子的尖端的圆柱体的半径R₁与常规拉乌尔喷嘴发散段终点的流道横截面圆半径R₂相等，即R₁＝R₂(等价于A₁＝A₂)，则有

$r=\sqrt{R_2^2-{(R_{*}+\frac{R_2-R_{*}}{l_0}x)}^2}$

上式就是描述本发明喷嘴内部的导流端子9在喷嘴下游发散段几何形貌(第二旋转体)或外部轮廓的方程，其中上式右端所有的参数(R_*、R₂和l₀)都对应常规拉乌尔喷嘴的特征参数。因此，只要给定一个常规拉乌尔喷嘴，就可以按照上述方程制造出本发明相应的等效喷嘴。图4示出了本发明喷嘴内部的导流端子9在喷嘴下游发散段的外部轮廓，其中水平直线是喷嘴外部本体8的内壁轮廓线。图4是一个过喷嘴流道中轴线的纵向截面，其中只示出了中轴线上半截面。

参见图2，上述喷嘴外部本体8与前膛6装配在一起，布流器7固定在前膛6内，导流端子9连接在布流器7的凸台上。如图2和图3所示，导流端子9本身又由两部分组成：上游段9-1与下游段9-2，二者通过螺纹连接。其中上游段9-1为外螺纹、下游段9-2为内螺纹。由于上游的温度高于下游，上述连接方式更有助于利用热胀冷缩加强对该接口的密封。导流端子9的两个组件可以采用不同的材料制造。其中处于喷嘴下游的组件9-2的材料的密度等于或低于上游组件9-1的密度(以减少自重引起的导流端子9的挠曲)，而上游组件9-1的材料的耐热性能与下游组件9-2相同或高于下游组件9-2(上游的温度较高)。

送粉管5的末端直接插入导流端子上游段9-1，导流端子9内开有一个以喷嘴流道中轴线为轴心、直径与送粉管5内径相等的送粉孔道9-3。上游段9-1内的孔道与送粉管5连接，下游段9-2内的孔道与导流端子上的出粉孔9-4连通。

进入喷嘴外部本体8的高温高压工作气体首先进入喷嘴外部本体8喉部上游的汇聚段，经过喷嘴外部本体8的喉部(喷嘴外部本体8外部本体与喷嘴内部导流端子9之间的狭缝)进入下游的发散段膨胀加速，膨胀加速了的工作气体温度和压力均急剧降低。在用氮作为工作气体喷涂颗粒直径25μm的铜粉末的情况下：在距离喉部l₀/5处，工作气体的速度达v₀的85％；l₀/4处，v₀的88％；l₀/3处，v₀的92％；l₀/2处，v₀的97％；；3l₀/4处，v₀的99％——其中l₀为喷嘴发散段长度，v₀为工作气体在发散段终点处的速度。

由此可见，如果将导流端子9上的出粉孔9-4的出口开在距离侯部l₀/4至3l₀/4处，工作气体的速度已经达到了v₀的88％至99％，有利于对粉末颗粒的加速。根据实验，如果将导流端子9上的出粉孔9-4的出口开在距离侯部l₀/3至l₀/2处，工作气体的速度已经达到了v₀的92％至97％，对粉末颗粒的平稳加速最有利。另外，由于此处的工作气体温度较低，可以减小来自出粉孔9-4的粉末对喷嘴外部本体8内壁以及内部导流端子9外壁的粘圬和塞积。

本发明喷嘴内部导流端子9上应该至少对称地开两个出粉孔9-4，也可以开三个出粉孔9-4，但这三个孔的出口应该沿导流端子9横截面周线均匀分布。通常，出粉孔9-4的个数在2至6个之间，这些孔的出口应该位于导流端子9的同一横截面上并沿截面周线均匀分布，每个出粉口9-4的尺寸形状也应该完全相同。

出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线的角度十分重要，理论上，该角度可以在0°至90°之间。但是，角度太小，出粉孔9-4的出口接近导流端子9的尖端，不仅孔道长、加工困难，而且其效果类似于将送粉管5延伸至喷嘴发散段的末端出粉模式(专利US2004166247)，会导致速度场和温度场的湍流或紊流。因此，该角度应该大于5°，最好大于10°。相反，如果该角度过大，导流端子9外壁高速流过的工作气体对出粉孔9-4内的流体(载气和粉末颗粒)不会产生射流的抽吸作用。为此，该角度不应大于75°。因此，如果将出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线的角度控制在5°至75°，尤其是控制在10°至60°，不仅便于加工制造，而且低压的工作气体沿着平滑渐变的导流端子9的外表面的高速流动，将由于射流效应而对出粉孔9-4内的粉末颗粒产生强烈的抽吸作用。这种抽吸作用不仅有利于送粉，而且可以克服粉末颗粒在送粉管5乃至导流端子9内部的粘圬和堵塞问题。

出粉孔9-4的尺寸和形状同样十分重要。通常采用圆孔，所有出粉孔9-4的横截面面积之和应该为导流端子9内部的送粉孔道9-3横截面面积的0.5至1倍，更好是0.5至0.75倍。如果出粉孔9-4的横截面面积之和过小，如小于0.5，那么每个出粉孔9-4的尺寸就太细，这即不利于加工制造，也不利于顺利送粉；反之，如果出粉孔9-4的横截面面积之和过大，如大于1，那么每个出粉孔9-4的尺寸就太粗，在送粉孔道9-3内就不能保持一定的压力，难以保证均匀顺畅地送粉，同时温度较高的粉末与导流端子9之外温度较低的工作气体混合还会破坏温度场的均匀性。如果使所有出粉孔9-4的横截面面积之和为送粉孔道9-3横截面面积的0.5至1倍，尤其是0.5至0.75倍，则送粉孔道9-3中的载气压力将在出粉孔9-4前沿有所提高。加之载气的粉末在送粉管5中经受的预热(经过前膛6时)造成的膨胀压力，在出粉孔9-4前沿送粉孔道9-3中的载气和粉末将比导流端子9之外的工作气体压力和温度都高。这样，出粉孔9-4上游存在压缩作用、下游存在扩张作用，因此出粉孔9-4就象一个拉乌尔喷嘴的喉部，上游(送粉孔道9-3)是汇聚段，下游(喷嘴外部本体8与内部导流端子9之间的区域)是发散段，从而构成一个虚拟的“拉乌尔喷嘴”。其结果是：一方面，粉末颗粒在通过出粉孔9-4时会产生“自发”的预加速作用，再加上出粉口外工作气体的抽吸作用和拖曳作用，粉末颗粒可以得到更有效的加速，从而可以不仅仅依靠提高温度而喷涂尺寸较大的粉末颗粒；另一方面，由出粉孔9-4送出的待喷涂粉末颗粒速度提高、温度降低、压力降低，与工作气体的速度、温度和压力的差别减小，不仅可以避免对喷嘴外部本体8内壁的粘圬和塞积，而且可以减少工作气体速度场和温度场的波动。

实施例1：

采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在10μm至30μm，基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为2.5MPa，温度250℃。喷嘴的形式如图3所示，外部本体8的发散段和平直段长度分别为60mm和20mm，对应的内部流道是直径为Ф7.4mm的直筒(圆柱)形。喷嘴喉部的有效长度为5mm。喷嘴内部导流端子9对应于喉部横截面圆的直径为Ф6.7mm，流道在喉部的环形横截面面积为7.75mm²，外部本体8圆柱体的横截面面积与喉部对应的导流端子9横截面面积之比为1.22。导流端子9-1和9-2分别采用铜和聚苯并咪唑制造，内部送粉孔道9-3的直径Ф2.5mm。导流端子9-2曲面锥体的旋转半径， $r=\sqrt{{7.4}^2-{(3.0+\frac{7.4-3.0}{60}x)}^2},$ 其中x为到喷嘴喉部的距离。在导流端子9上距离喉部20mm处开有对称分布的4个直径均为Ф1.0mm的出粉孔9-4，出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线呈45°角，所有出粉孔9-4横截面面积之和与送粉孔道9-3横截面面积之比为0.64。喷涂结果为：沉积率70％左右，涂层均匀良好。

实施例2：

采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在20μm至50μm，基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为2.5MPa，温度380℃。喷嘴的形式如图3所示，外部本体8的发散段和平直段长度分别为65mm和20mm，对应的内部流道是直径为Ф8.1mm的直筒(圆柱)形。喷嘴喉部的有效长度为10mm。喷嘴内部导流端子9对应于喉部横截面圆的直径为Ф7.6mm，流道在喉部的环形横截面面积为6.17mm²，外部本体8圆柱体的横截面面积与喉部对应的导流端子9横截面面积之比为1.14。导流端子9-1和9-2均采用铜制造，内部送粉孔道9-3的直径Ф3.0mm。导流端子9-2曲面锥体的旋转半径， $r=\sqrt{{8.1}^2-{(2.7+\frac{8.1-2.7}{65}x)}^2},$ 其中x为到喷嘴喉部的距离。在导流端子9上距离喉部25mm处开有对称分布的2个直径均为Ф2.0mm的出粉孔9-4，出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线呈15°角，所有出粉孔9-4横截面面积之和与送粉孔道9-3横截面面积之比为0.89。喷涂结果为：沉积率70％左右，涂层均匀良好。

实施例3：

采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在80μm至120μm，基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为3.0MPa，温度600℃。喷嘴的形式如图3所示，外部本体8的发散段和平直段长度分别为100mm和40mm，对应的内部流道是直径为Ф8.7mm的直筒(圆柱)形。喷嘴喉部的有效长度为10mm。喷嘴内部导流端子9对应于喉部横截面圆的直径为Ф8.3mm，流道在喉部的环形横截面面积为5.34mm²，外部本体8圆柱体的横截面面积与喉部对应的导流端子9横截面面积之比为1.10。导流端子9-1和9-2分别采用不锈钢和铜制造，内部送粉孔道9-3的直径Ф3.0mm。导流端子9-2曲面锥体的旋转半径， $r=\sqrt{{8.7}^2-{(2.5+\frac{8.7-2.5}{100}x)}^2},$ 其中x为到喷嘴喉部的距离。在导流端子9上距离喉部50mm处开有对称分布的2个直径均为Ф1.5mm的出粉孔9-4，出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线呈15°角，所有出粉孔9-4横截面面积之和与送粉孔道9-3横截面面积之比为0.50。喷涂结果为：沉积率65％左右，涂层均匀良好。

实施例4：

采用氮气作为工作气体，待喷涂铜粉末颗粒直径在160μm至210μm，基体为铝板。喷嘴进口处工作气体压力为3.0MPa，温度650℃。喷嘴的形式如图3所示，外部本体8的发散段和平直段长度分别为150mm和50mm，对应的内部流道是直径为Ф7.8mm的直筒(圆柱)形。喷嘴喉部的有效长度为15mm。喷嘴内部导流端子9对应于喉部横截面圆的直径为Ф7.5mm，流道在喉部的环形横截面面积为3.60mm²，外部本体8圆柱体的横截面面积与喉部对应的导流端子9横截面面积之比为1.08。导流端子9-2曲面锥体的旋转半径， $r=\sqrt{{7.8}^2-{(2.0+\frac{7.8-2.0}{150}x)}^2},$ 其中x为到喷嘴喉部的距离。导流端子9-1和9-2均采用IN718合金制造，内部送粉孔道9-3的直径Ф3.5mm。在导流端子9上距离喉部100mm处开有均匀分布的3个直径均为Ф1.5mm的出粉孔9-4，出粉孔9-4的轴线与喷嘴流道中轴线呈30°角，所有出粉孔9-4横截面面积之和与送粉孔道9-3横截面面积之比为0.55。喷涂结果为：沉积率接近60％，涂层均匀良好。

Claims (15)

1.一种冷气动力喷涂方法，其特征是

将工作气体加热并输入一个与拉乌尔型喷嘴等效的喷嘴流道上游的汇聚段内，工作气体经过喷嘴喉部后在下游发散段膨胀并加速；

将待喷涂的金属粉末颗粒直接送入喷嘴的下游发散段并由其中的工作气体加速；

其中：

待喷涂的粉末颗粒是经过连接送粉管端部的一个导流端子内的送粉孔道送达喷嘴下游发散段的；

送粉管末端以及导流端子的轴线与喷嘴流道的中轴线重合，导流端子的尖端指向工作气体的流动方向，即喷射方向；

导流端子的侧面开有均布的至少两个出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线有一夹角，出粉孔出口偏离喷嘴流道的中轴线，位于导流端子的侧面并处于喷嘴下游发散段内。

2.根据权利要求1所述的冷气动力喷涂方法，其特征是工作气体流道是由喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓形成的，喷嘴下游扩散段导流端子与喷嘴外部本体之间所形成的空间的横截面面积与常规拉乌尔喷嘴相应位置的横截面面积相等，即A₁-a＝A，其中A₁、a和A分别是喷嘴外部本体内腔、导流端子以及常规拉乌尔喷嘴流道相应位置的横截面面积。

3.根据权利要求2所述的冷气动力喷涂方法，其特征是喷嘴喉部对应喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓之间所形成的环形区域中横截面最小处，即A₁-a_*＝A_*，其中a_*和A_*分别是导流端子和常规拉乌尔喷嘴喉部的横截面面积。

4.根据权利要求1或2所述的冷气动力喷涂方法，其特征是导流端子上出粉孔的轴线与喷嘴中轴线的夹角为10°至60°。

5.根据权利要求4所述的冷气动力喷涂方法，其特征是导流端子上出粉孔出口位于喷嘴喉部至导流端子尖端之间，与喷嘴喉部的距离是喷嘴喉部至导流端子尖端之间距离的三分之一至二分之一。

6.根据权利要求1所述的冷气动力喷涂方法，其特征是喷嘴入口的工作气体温度在200℃至700℃之间。

7.根据权利要求1所述的冷气动力喷涂方法，其特征是待喷涂的金属粉末颗粒直径在5μm至250μm之间。

8.一种冷气动力喷涂装置，包括加热器、前膛、布流器、送粉器、管路、喷嘴，高压气体分二路进入加热器和送粉器，管路连接加热器和前膛，工作气体经前膛进入布流器，通过布流器进入喷嘴本体，送粉器经送粉管进入喷嘴，其特征是喷嘴包括喷嘴外部本体和内部导流端子，导流端子的中轴线与喷嘴流道的中轴线重合，导流端子的尖端指向工作气体的流动方向；喷嘴流道包括上游汇聚段、喉部、下游发散段；导流端子内开有送粉孔道，送粉孔道连接外部的送粉管，导流端子的侧面开有均布的至少两个出粉孔，出粉孔的轴线与喷嘴的中轴线有一夹角，出粉孔出口偏离喷嘴流道的中轴线，位于导流端子的侧面并处于喷嘴下游发散段内；工作气体流道是由喷嘴外部本体内壁与内部导流端子外部轮廓形成的。

9.根据权利要求8所述的冷气动力喷涂装置，其特征是喷嘴下游扩散段导流端子与喷嘴外部本体之间所形成的空间的横截面面积与常规拉乌尔喷嘴相应位置的横截面面积相等，即A₁-a＝A，其中A₁、a和A分别是喷嘴外部本体内腔、导流端子以及常规拉乌尔喷嘴流道相应位置的横截面面积。

10.根据权利要求8或9所述的冷气动力喷涂装置，其特征是导流端子上出粉孔的轴线与喷嘴中轴线的夹角为10°至60°。

11.根据权利要求10所述的冷气动力喷涂装置，其特征是导流端子上出粉孔个数为2至6个，出粉孔出口位于导流端子的同一个横截面上，并沿该横截面的周边等间距均匀分布。

12.根据权利要求8或9所述的冷气动力喷涂装置，其特征是喷嘴外部本体的内壁是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第一旋转体的表面，导流端子的外部轮廓是一个以喷嘴的中轴线为轴心的第二旋转体的光滑表面，在喉部之前的喷嘴上游，第一旋转体是一个圆台，第二旋转体是一个圆柱，第一旋转体之内和第二旋转体之外的空间构成了等效拉乌尔喷嘴的汇聚段；在喉部之后的喷嘴下游直到导流端子的尖端，第一旋转体是一个圆柱，第二旋转体是由顶点位于导流端子尖端的曲线旋转得到的曲面锥体，第一旋转体之内、第二旋转体之外的空间构成了等效拉乌尔喷嘴的发散段，第二曲面锥体在喉部至导流端子尖端之间距离喉部x处的旋转半径 $r=\sqrt{R_1^2-{(R_{*}+\frac{R_1-R_{*}}{l_0}x)}^2},$

其中l₀为发散段长度，即喷嘴喉部至导流端子尖端之间距离，R₁为第一旋转体为圆柱的旋转半径，即喷嘴外部本体的内径，与圆形等效拉乌尔喷嘴发散段端口的横截面半径R₂相等，R_*为等效拉乌尔喷嘴喉部横截面半径。

13.根据权利要求8或9所述的冷气动力喷涂装置，其特征是喷嘴发散段之后，即在内部导流端子尖端之后，外部本体平直段的长度是发散段长度的四分之一至三分之一。

14.根据权利要求8或9所述的冷气动力喷涂装置，其特征是导流端子由两个组件组成，两个组件的接口对应喷嘴喉部或喉部的有效范围并通过螺纹连接在一起，其中喷嘴上游部分对应的组件采用外螺纹，下游部分对应的组件采用内螺纹。

15.根据权利要求14所述的冷气动力喷涂装置，其特征是导流端子的两个组件采用不同的材料制造，其中处于喷嘴下游组件的材料的密度等于或低于上游组件的密度，上游组件的材料的耐热性能与下游组件相同或高于下游组件。

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