CN100455696C - 一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法 - Google Patents

Abstract

一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，涉及一种喷射沉积方法。针对现有的喷射沉积方法不能得到高质量坯锭的弊端，本发明提供一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，使喷射沉积设备内的金属熔液(1)与电荷源(2)连接，在金属熔液喷嘴(3)与坯锭(4)之间设置电场和磁场，电场方向和磁场方向都与金属熔液喷射轴线垂直，且控制从喷嘴(3)喷出的金属液滴所受电场力和所受磁场力的方向相反。本发明采用电磁场联合约束的方法，可以对喷射沉积中喷射出来的金属液滴进行分离，将分离出的具有较小尺寸的金属液滴来做坯锭，从而使坯锭的质量得到大幅度的提高，利于推广应用。

Description

一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法

技术领域

本发明涉及一种喷射沉积方法。

背景技术

现有的喷射沉积方法只能作简单的喷射成型，对于雾化后的不同尺寸的金属液滴，现有的喷射沉积方法不具有分离功能，众所周知，当沉积到坯锭上的金属液滴尺寸均匀、较细小时，坯锭的质量才会提高，然而现有喷射沉积方法不能对具有不同粒径的雾化金属液滴进行分离，即雾化后喷出的大小不同粒径的金属液滴必须全部沉积到坯锭上，这就使得产品质量无法提高。

发明内容

针对现有的喷射沉积方法不能得到高质量坯锭的弊端，本发明提供一种可按粒径不同将喷射过程中的金属液滴进行分离的喷射沉积方法。

一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法是，使喷射沉积设备内的金属熔液1与电荷源2连接，在金属熔液喷嘴3与坯锭4之间设置电场或磁场，电场方向或磁场方向与金属熔液喷嘴3轴线的延长线垂直；另一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法是，使喷射沉积设备内的金属熔液1与电荷源2连接，在金属熔液喷嘴3与坯锭4之间设置电场和磁场，电场方向和磁场方向都与金属熔液喷射轴线垂直，且控制从喷嘴3喷出的金属液滴所受电场力和磁场力的方向相反。

本发明采用电场、磁场、以及电磁场联合约束的方法，可以对喷射沉积中喷射出来的具有不同粒径的金属液滴进行分离，因而可以容易地控制具有较小粒径的液滴喷射到坯锭上，因此可以得到高质量的产品，利于推广应用。

附图说明

图1是现有喷射沉积设备结构示意图，图2是具体实施方式一的结构示意图，图3是具体实施方式三的结构示意图，图4是具体实施方式五所述结构示意图，图5是具体实施方式六所述结构示意图，图6是具体实施方式七所述结构示意图，图7是电场和磁场同时作用时液滴的受力分析示意图，图8是图3的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法。现有的喷射沉积方法是在坩埚6内装入金属熔液1，参照图1，将喷射腔体7设置在坩埚6的下方，金属熔液1经坩埚下端的喷嘴3喷出，经雾化系统10雾化后喷射到坯锭4上沉积即可。由于现有的喷射方法不能够对不同粒径的金属液滴进行分离，所以雾化后从喷嘴3喷出的大小不同的金属颗粒只能没有选择地前进喷射到坯锭上，由于颗粒大小直接影响着沉积质量，所以本实施方式使现有的喷射沉积设备内的金属熔液1与电荷源2连接，目的在于使金属熔液1带电，然后在现有的喷射沉积设备的金属熔液喷嘴3与坯锭4之间设置电场，电场的方向与金属熔液喷嘴3轴线的延长线垂直。这样，带电的金属熔液1从喷嘴3喷出后即受到横向电场力的作用，由于不同粒径的金属颗粒在电场力作用下向同一方向做不同角度的偏转，所以通过调整坯锭4的位置可以使具有较小粒径范围的金属液滴喷射到坯锭上，从而提高了坯锭质量。本实施方式所述电荷源2是起电机，也可以是其它能够使金属熔液带电的装置。所述电场的设置方法为，参照图2，在金属熔液喷射轴线的两侧分别设置一个金属板8，两个金属板8分别与电源的正极和负极连接，带正电的金属板和带负电的金属板之间就会形成电场，本实施方式使电场的方向与金属熔液喷射轴线垂直。在实际使用时，电场的方向发生向上或向下偏转也可以起到对不同粒径金属颗粒的分离作用，所以都在本发明的保护范围之内。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同之处在于，所述电场的设置是一个金属板8与电源的正极连接，另一个金属板与地连接，金属板与地连接代替与负极连接，具有方便简单容易操作的优点。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同之处在于用磁场代替电场。使喷射沉积设备内的金属熔液1与电荷源2连接，参照图3，在金属熔液喷嘴3与坯锭4之间设置磁场，磁场方向与金属熔液喷嘴3轴线的延长线垂直。本实施方式所述磁铁是永磁铁，参照图3、图8，将永磁铁的N极和S极分别设置在金属熔液喷嘴3轴线延长线的两侧，这样N极和S极之间就产生磁场，磁场力即会对喷射出的带电金属颗粒产生影响使其发生偏转，从而实现与具体实施方式一相同的对不同粒径的金属颗粒进行分离的目的。同样，在实际使用时，磁场的方向发生向上或向下偏转也可以起到对不同粒径金属颗粒的分离作用，所以都在本发明的保护范围之内。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，所述磁铁是电磁铁。相对于永磁铁，电磁铁具有可调磁场力大小的作用，可以根据不同情况进行调整，应用灵活，能够更好的实现所述目的。

具体实施方式一至具体实施方式四所述电场或磁场对雾化金属液滴进行分离的原理如下：

设雾化金属液滴为球形，其半径为R，密度为ρ，质量为m，重力加速度为g，重力为G，并设其所带电荷的面密度为σ(与液滴半径无关)，所带电荷数为q，所受电场力为F，磁场力为f，力产生的加速度为a，电场强度为E，磁感强度为B，其喷射速度为v，在力的作用下其偏离中心线的距离为S，从喷嘴喷出到沉积到坯锭上的时间为t(设备一定t为常数)。

A.仅仅在电场约束下(具体实施方式一、二所述方案)，某一金属液滴所的电场力F＝q×E＝4πR²σE，而金属液质量为m＝4/3πR³ρ，故电场力产生的加速度为 $a=F/m=\frac{3\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ρ}}\×\frac{E}{R},$ 而偏移位移S＝1/2at²，当电场强度E一定时，所以S＝k×1/R(k为常数)，也即偏移量与半径成反比，半径越小的金属液滴偏的越远，故可以起到将不同尺寸的金属液滴分开的作用。

B.在磁场作用下(具体实施方式三、四所述方案)与在电场作用下的效果类似，最终也可以得到S＝k₁×1/R(k₁为常数)，故在磁场作用下与在电场作用下的结果几乎一致。

具体实施方式五：与具体实施方式一、二、三、四不同之处在于，本实施方式在喷嘴3和坯锭4之间同时设置电场和磁场。参照图4，使喷射沉积设备内的金属熔液1与电荷源2连接，在喷嘴3与坯锭4之间设置电场和磁场，电场方向和磁场方向都与金属熔液喷嘴3轴线的延长线垂直，且控制从喷嘴3喷出的金属液滴所受电场力和磁场力的方向相反。所述磁场可以用线圈来产生，其磁感强度的大小要根据电场强度的大小来确定，当要控制其磁力大小时，可以通过改变通入其中的电流大小来实现。设雾化带电金属液滴为球形，重力为G，所带电荷数为q，所受电场力为F，磁场力为f，电场强度为E，磁感强度为B，其喷射速度为v，某一金属液滴所的电场力F＝q×E，所受的磁场力为f＝B×v×q。由于金属液滴较小，又是向下喷射，因此可以忽略重力影响，则当带电金属液滴受力平衡时(即F＝f时)带电金属液滴可竖直通过，代入公式计算可得：F＝q×E＝f＝B×v×q即E＝B×v，也即只有具有特定速度的金属液滴才能垂直通过，而在喷射沉积过程中，直径越小的金属液滴飞行速度越快，因此，若设定某一小直径的带电金属液滴不偏转，则尺寸越大的液滴偏转的越厉害，也就起到了分离作用。

具体实施方式六：与前述实施方式不同之处在于，本实施方式将盛装金属熔液1的坩埚6与喷射腔体7并排放置，参照图5，坯锭4设置在喷射腔体7内并使其与喷嘴3尽量处于同一平面上，使金属熔液1从喷嘴3内横向喷出，控制从喷嘴3喷出的金属液滴所受电场力和所受磁场力的方向与喷嘴3的轴线垂直且方向相反，参照图7，设雾化带电金属液滴为球形，其半径为R，密度为ρ，质量为m，重力加速度为g，重力为G，并设其所带电荷的面密度为σ(与液滴半径无关)，所带电荷数为q，所受电场力为F，磁场力为f，电场强度为E，磁感强度为B，其喷射速度为v，某一金属液滴所受的电场力F＝q×E，所受的磁场力为f＝B×v×q，则带电金属液滴不偏转的条件是：F＝f+G，代入公式可得：F＝q×E＝f+G＝B×v×q+mg，因为q＝4πR²σ；m＝4/3πR³ρ，所以化简可得：B×v×σ+(1/3)×ρ×r×g＝E×σ，式中r很小，即可以忽略等号左边第二项，于是得到：B×v×σ＝E×σ，也即只有具有特定速度、尺寸的金属液滴才能垂直通过，而在喷射沉积过程中，直径越小的金属液滴飞行速度越快，因此，若设定某一小直径的带电金属液滴不偏转，则尺寸越大的液滴偏转的越厉害，也就起到了分离作用。

具体实施方式七：本实施方式与前述实施方式不同之处在于，在前述实施方式所述电场、磁场或电磁场作用的基础上，再增加一个约束电场，即在金属熔液喷嘴3与坯锭4之间设置与喷嘴3轴线平行的约束电场。单独的约束电场产生的电场力可以使喷射出来的带电金属液滴都沉积到坯锭上，但由于金属液滴同时受到横向电场力或磁场力或电磁场力作用而将不同粒径的颗粒进行了分离，所以，在实际使用时，可以在喷射腔体7内并列设置两个或多个坯锭4，参照图6，这样，对于分离开的不同粒径范围的金属颗粒可以沉积到不同的坯锭上，以满足不同质量坯锭的不同工作需要，又避免了材料浪费。所述约束电场的设置方法为，参照图6，将直流电压源与电荷源极性一致的一端与喷嘴3相连，将直流电压源与电荷源极性相反的一端与坯锭4相连即可。

Claims (9)

1.一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于使喷射沉积设备内的金属熔液(1)与电荷源(2)连接，在金属熔液喷嘴(3)与坯锭(4)之间设置电场和磁场，电场方向和磁场方向都与金属熔液喷射轴线垂直，且控制从喷嘴(3)喷出的金属液滴所受电场力和所受磁场力的方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于使盛装金属熔液(1)的坩埚(6)与喷射腔体(7)并排放置，控制金属熔液(1)从喷嘴(3)内横向喷出，控制从喷嘴(3)喷出的金属液滴所受电场力和所受磁场力的方向与喷嘴(3)的轴线垂直且方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于所述电荷源(2)是起电机。

4.根据权利要求1或2所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于所述电场的设置方法为，在金属熔液喷射轴线的两侧分别设置一个金属板(8)，两个金属板(8)分别与电源的正极和负极连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于所述电场的设置方法为，在金属熔液喷射轴线的两侧分别设置一个金属板(8)，一个金属板(8)与电源的正极连接，另一个金属板(8)与地连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于所述磁场的设置方法为，在金属熔液喷射轴线的两侧分别设置磁铁的N极和S极。

7.根据权利要求6所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于所述磁铁是永磁铁或电磁铁。

8.根据权利要求1或2所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于在喷嘴(3)与坯锭(4)之间设置与喷嘴(3)轴线平行的约束电场。

9.根据权利要求8所述的一种可选金属液滴尺寸的喷射沉积方法，其特征在于约束电场的设置方法为，将直流电压源与电荷源极性一致的一端与喷嘴(3)相连，将直流电压源与电荷源极性相反的一端与坯锭(4)相连。

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