CN100535189C - 无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法和装置，该方法首先选择与基体材料相同的管线材料，把需要送粉材料填入管线内；将填满粉体的管线安在供丝装置上，通过步进电机转速来控制管线移动速度，使管线端头对准等离子体射流高温核心或金属表面熔池，再采用等离子体射流工艺，进行材料表面熔敷处理，在点火期间启动步进电机定量均匀送粉。该装置包括底盘上固定定位轴滑道；程控电机和控制器通过导线联结；激振仪转轴和底盘连接；送丝主动论装在程控步进电机轴上，压紧弹簧安在送丝主动论轴与丝从动论的轴上，定位轴的顶部安装导向轮，下部插装在定位轴滑道中用定位栓固定；等离子体发生器安置在底盘的前方，等离子体发生器的下方安置被处理基底。

Description

无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法及装置

技术领域

本发明涉及一种定量送粉方法及装置，特别是涉及一种无携带气体纳/微米粒度粉末材料均匀定量输送方法。

背景技术

零部件表面性能的优劣是决定其使用寿命的关键，所以人们在材料表面处理方面开展了多年研究，表面熔敷是采用激光或等离子体高能束流对材料表面进行加热使其熔化并在表面形成熔池，同时采用不同送粉方法向熔池中输送异质材料粉末。通过多相材料间的对流混合和快速凝固形成异质颗粒强化表面改性层。表面熔敷作为材料表面改性技术已有几十年的应用历史。这种技术通常是将要涂敷于工件表面的材料粉体送入温度为2000K以上的高能束流中，使粉体颗粒在其中加热熔化，以一定的速度冲击工件表面，最终以机械结合、冶金结合、或化学结合的方式附着于工件表面，承受特殊环境的机械、温度和化学腐蚀等载荷作用，起到对零部件的保护。这种表面改性技术已在航空航天、机械、化工、生物工程等领域得到了广泛应用，以提高零部件表面耐磨损、抗腐蚀、或隔热性能，延长部件使用寿命。

由于多种复杂原因，目前表面熔敷技术只用于安全可靠性要求不很高的部件上。除了用于加热粉体颗粒的高温高速气体射流本身的因素以外，用于添加的粉体材料性能也是影响涂层组织、性能和质量的主要因素。现有表面熔敷供粉技术一般是以惰性气体作为运粉气体，对于颗粒直径过小的粉体材料，由于其自身集聚力作用，流动性很差，供粉过程中粉体材料极容易贴附于管壁内表面，造成管路等通道堵塞，很难实现定量均匀送粉。实际上，现有供粉技术和供粉装置只适用于粒度大于5微米流动性较好的粉体材料。曾有分别或综合采用改变送粉器通道结构、增加搅拌功能、施加振动和在适当位置安装拨动件拨离附着粉体等机械方法减轻供粉通道的堵塞现象。但是，对于未经特殊处理的平均粒径小于5微米或纳米的粉体材料，由于粉体材料自身表面高黏附性等特点，采用这些方法仍然难以实现均匀定量送粉。

大粒度粉体产生的表面改性层，其组织结构、孔隙率及微缺陷分布都难以控制。工艺可控性和成品材料性能稳定性差，对规定性能要求的产品成品率低。目前的熔敷层材料，只是在局部涂层发生剥落破坏也不会造成严重故障的零部件上试用。粗颗粒粉体熔敷制备的涂层表面粗糙度高，往往不能作为材料成品直接使用，一般还需进行表面研磨加工。所以也不能用于形状复杂的零部件表面改性。研究结果表明：随着熔敷粉体颗粒粒径的减小，涂层表面粗糙度也随之减小。可见，为提高熔敷工艺的重复可控性、减小熔敷层表面粗糙度、改善其内部微组织结构和均匀性，采用小粒度粉体进行熔敷层材料制备是一种有效措施。

本发明的目的是在克服上述热喷涂和熔敷工艺供粉技术缺陷，为制备微组织结构致密、孔隙分布均匀和表面粗糙度低的涂层，提供一种以机械传输粉体的供给方法，即将粒径尺度小至纳米量级的粉体材料，均匀定量地供入高温高速气体射流的定量送粉方法和装置，以改进现有熔敷制备工艺和技术。

本发明提供的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法，包括以下步骤：

(1)选择与基体材料相同的薄壁管线材料，例如对于不锈钢基体可选择外径为2mm、壁厚为0.1mm的不锈钢管线材料，把需要送粉的纳/微米添加粉体材料填入管线内，填入过程中不断对管线施加振动使粉体尽可能压实致密；其中涂层材料制备要求添加粉体材料与基底材料成分完全不同；

(2)将填满粉体的管线安装在类似通常供丝的装置上；

(3)通过调节供丝装置的步进电机转速来控制管线移动速度，根据需要预先设定移动速度；

(4)通过调节管线端头的定位机构，使管线端头对准等离子体射流高温核心或金属表面熔池的位置，确保添加粉体材料送入等离子体射流高温核心或金属表面熔池并沉积于工件表层；

(5)采用等离子体射流工艺进行材料表面熔敷处理时，熔敷处理的工艺参数由等离子体发生器和被处理材料性能确定；在点火期间启动步进电机即可实现定量均匀送粉。若是向金属表面熔池供粉，可以对供丝机架适当施加微振动以增加附加粉末在熔池中的流动性达到改善效果的目的。

在上述的技术方案中，所述的管材插入等离子体射流端的定位轴上，调节控制距离在10-20mm内。

在上述的技术方案中，在步骤(5)中把需要输送的纳/微米添加粉体材料填入管线内，填入过程中不断对管线施加振动，其振动频率为50-2000Hz。

本发明提供的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉系统如图1所示，该送粉系统包括底盘1、程控步进电机2、程控电机底座5；其中在底盘1上固定程控电机底座5，程控步进电机2固定在电机底座5上；其特征在于：还包括送丝主动论3，送丝从动论4，压紧弹簧6，丝材7，转轴8，导向轮9，定位轴10，定位轴滑道11，定位栓12以及激振仪13和控制器14；其中在底盘1上还固定所述的定位轴滑道11；程控电机2和控制器14通过导线联结；激振仪13的转轴和底盘1直接连接；送丝主动论3安装在程控步进电机2的轴上，压紧弹簧6安装在送丝主动论3轴与从动论4的轴上，使两轮间产生一定强度的挤压力；定位轴10的顶部安装有导向轮9，下部插装在定位轴滑道11中，通过定位栓12固定在定位轴滑道11中；等离子体发生器15安置在底盘1的前方，其安装位置高于导向轮9，等离子体发生器15的下方安置被处理基底18(即被处理工件)。

在上述的技术方案中，所述的程控电机2可根据需求设定转速，调节范围为0.1-1000转/分。

在上述的技术方案中，所述的激振仪13的振动频率为5-2000Hz。

本发明提供的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法十分简单，类似于通常丝材喷涂的供丝方法。即把填满粉体材料的管线安装在供丝机架上，设定步进电机档位以控制管线移动速度。调节管线插入端位置使其对准射流高温区核心或基底表面熔池。在点火期间启动步进电机即可实现定量均匀送粉。若是向熔池供粉，可以对供丝机架适当施加微振动以增加附加粉末在熔池中的流动性达到改善效果的目的。

初步的试验结果表明，采用本发明方法不仅可以很好地进行纳/微米颗粒粉体的定量送粉，而且可以很好地对平均粒度小于10微米的粉体进行定量送粉。可以通过提高步进电机转速和加大送粉管线尺寸两种手段提高送粉率。本发明的系统工作原理本身不会限制送粉量(克/秒)，而最大送粉量取决于高温气体射流对粉体的加热能力。使用本发明方法在金属表面进行等离子体熔敷涂层制备，涂层表面性能、粗糙度、沉积面积、厚度方向的沉积速率等特性取决于射流功率、供粉量、工件相对于喷枪移动速度和移动方式等工艺条件。采用亚微米粒度的氧化铝粉进行等离子体熔敷得到附着力很好和表面粗糙度较低的表面改性层。

本发明的特点在于：

1.本发明的系统结构简单、操作方便，特别是可利用系统中程控电机可根据实验供粉量的大小，设定转速，调节范围为0.1-1000转/分。可以随时更换不同半径的送丝主动论3，改变丝材传输速度；更换不同尺寸的管线可以设定丝材传输速度不变情况下改变送粉量。这两方面因素分别决定了供粉量的大小。

2.本发明的丝材可根据不同用途进行专门预制。对于熔敷处理，管线材料可以选用与基底相同的材料制备。而对于喷涂涂层制备，管线材料需要选用与添加的粉体相同的材料制备。例如喷涂陶瓷涂层时，管线可用陶瓷烧结工艺制备。

3.本发明不受添加粉体材料性质影响。由于流动性差的粉体可能黏附在通道壁面上，造成通道堵塞，携带气体无法工作，以致影响供粉。所以本发明不用携带气体，取而代之用机械传输方法进行粉体传输。因此，本发明在实施粉体传输时不会受粉体材料性质的影响。适合于无球化处理、纳米和微米粒度的各种粉体材料，并对粒度均匀性无任何要求。

4.本发明的管线送粉端部带有可调节结构，管线主从动轮表面采用了增加摩擦的措施，消除管线与轮间的打滑现象。

5.初步的试验结果表明，采用本发明的方法不仅可以很好定量地对平均粒度10微米以下的粉体进行送粉，而且可以很好地对纳米颗粒的粉体进行定量送粉。使用本发明的方法对金属表面进行层流等离子体射流熔敷处理得到性能明显改善的表面处理层。

附图说明

图1所示本发明的无携带气体纳/微米颗粒粉体均匀定量送粉系统图

图2所示无携带气体送粉过程示意图

图面说明：

1-底盘           2-程控步进电机           3-送丝主动论

4-送丝从动论     5-程控电机底座           6-压紧弹簧

7-丝材           8-转轴                   9-导向轮

10-定位轴        11-定位轴滑道            12-定位栓

13-激振仪        14-控制器                15-等离子体发生器

16-等离子体射流  17-等离子体高温核心      18-被处理基底

19-粉体          20-发生器阳极出口        21-金属表面熔池

22-基底移动方向

具体实施方式

实施例1

参考图1，制作一本发明提供的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉系统。图2中示意性地标出了等离子体发生器15，等离子体射流16，等离子体高温核17，被处理基底18等附带工作部件。

本实施例的装置中程控电机5和控制器14为市场购置产品。在一金属底盘1上固定程控电机底座5和定位轴滑道11，程控步进电机2固定在电机底座5上；底盘1下面安装程控电机的控制器14和激振仪13。该激振仪13可为购置产品，也可以自己研制，例如激振仪为电机转轴上安装有偏心轮的转动系统；送丝主动论3安装在程控步进电机2的轴上，压紧弹簧6安装在送丝主动论3轴与丝从动论4的轴上，所述的定位轴10的顶部安装有导向轮，下部插装在定位轴滑道11中，通过定位栓12固定在定位轴滑道11中；一等离子体发生器15，可以市场上购买的或者自制等离子体发生器，安置在底盘1的前方，其安装位置高于导向轮，所述的等离子体发生器15下方安置被处理工件。

实施例2

参考图2，本实施例在实施例的定量送粉装置中，采用无携带气体纳/微米颗粒粉体均匀定量送粉方法，进行不锈钢材料表面三氧化二铝粉体等离子体熔敷处理的具体步骤：

1.选择管线尺寸为Φ2×0.1mm的不锈钢管，和粉体19选用粒度为5-75μm的三氧化二铝粉，并将三氧化二铝粉体材料进行灌装到不锈钢管丝材7中；

2.通过控制器14预先设定程控电机5的电机转速、时间、匹配的控制器可以连续或间断地控制电机旋转模式的相关技术指标，其中转速调节范围为0.01-1200转/分，实际供粉量为0.5-12g/min，丝材移动速度为0.2-48mm/s；

3.调节送粉系统中的导向轮9、定位轴10和定位轴滑道11使不锈钢管伸出端对准等离子体射流高温核心17，旋转控制器14上的不锈钢管进度速度连续可调旋纽实现供粉量控制；

4.开启等离子发生器15，根据不锈钢材料表面三氧化二铝粉体等离子体熔敷的要求，设置等离子发生器的工作参数为：输入功率5-8kW、工作气体流量100～250cm³/s和等离子体核心温度16000℃，进行等离子体射流工艺对不锈钢材料表面熔敷处理，得到熔敷层厚度约为1.2-1.6mm。

由于本发明的方法没有使用携带气体供粉，因此送粉过程不受粉体粒度影响。在等离子体熔敷过程中不锈钢管可以送到等离子体射流高温核心17，熔化的添加三氧化二铝粉体液滴在等离子体工作气体作用下，获得动能撞击到熔池中实现基底材料表面熔敷改性，熔敷层最大厚度约为1.6mm。该无携带气体纳/微米颗粒粉体系统可用于在激光熔敷情形，主要步骤同上。这时由于没有等离子体工作气体，丝材一般直接送到熔池中，并对丝材施加微振动以便增大粉体在熔池21中的流动提高材料表面改性效果。

实施例3，无携带气体纳/微米颗粒粉体均匀定量送粉技术用于陶瓷涂层材料制备。

图1和2所示无携带气体纳/微米颗粒粉体系统可用于在等离子体工艺的涂层材料制备。基本方法和步骤与实施例1相同。主要区别在于丝材7的制备。这时要求用于制备丝材的材料与添加粉体材料的成分相同。本实施例中以三氧化二铝耐磨涂层制备为例。可以购置三氧化二铝实心线材产品，直径约为2mm。或选用三氧化二铝管线，内部填满粒度为5-100μm三氧化二粉体。实际供粉量为3-7g/min。沉积的涂层厚度约为0.1-0.28mm。随发生器功率增大，可以提高供粉率以提高沉积率。

Claims (6)

1.一种无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法，包括以下步骤：

(1)选择与基体材料相同的薄壁管线材料，把需要送粉的纳/微米添加粉体材料填入管线材料内，填入过程中不断对管线材料施加振动使粉体尽可能压实致密；其中涂层材料制备要求添加粉体材料与基体材料成分完全不同；

(2)将填满粉体的管线材料安装在通常供丝的装置上；

(3)通过调节供丝装置的步进电机转速来控制管线材料移动速度，根据需要预先设定移动速度；

(4)通过调节管线材料端头的定位机构，使管线材料端头对准等离子体射流高温核心或金属表面熔池的位置，使添加粉体材料送入等离子体射流高温核心或金属表面熔池并沉积于基体材料表层；

(5)再进一步采用等离子体射流工艺，进行基体材料表面熔敷处理，熔敷处理的相应的工艺参数由等离子体发生器和基体材料的性能确定；在点火期间启动步进电机，实现定量均匀送粉。

2.按权利要求1所述的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法，其特征在于，还包括在向金属表面熔池供粉时，还对供丝机架适当施加振动。

3.按权利要求1所述的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉方法，其特征在于，在步骤(1)中把需要送粉的纳/微米添加粉体材料填入管线材料内，填入过程中不断对管线材料施加振动，其振动频率为50-2000Hz。

4.一种无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉系统，包括底盘(1)、程控步进电机(2)、程控步进电机底座(5)；其中在底盘(1)上固定程控步进电机底座(5)，程控步进电机(2)固定在程控步进电机底座(5)上；其特征在于：还包括送丝主动轮(3)、送丝从动轮(4)、压紧弹簧(6)、丝材(7)、转轴(8)、导向轮(9)、定位轴(10)、定位轴滑道(11)、定位栓(12)以及激振仪(13)和控制器(14)；其中在底盘(1)上还固定所述的定位轴滑道(11)；程控步进电机(2)和控制器(14)通过导线联结；激振仪(13)的转轴和底盘(1)直接连接；送丝主动轮(3)安装在程控步进电机(2)的轴上，压紧弹簧(6)安装在送丝主动轮(3)的轴与送丝从动轮(4)的轴上，使两轮间产生一定强度的挤压力；定位轴(10)的顶部安装有导向轮(9)，下部插装在定位轴滑道(11)中，通过定位栓(12)固定在定位轴滑道(11)中；等离子体发生器(15)安置在底盘(1)的前方，其安装位置高于导向轮(9)，等离子体发生器(15)的下方安置基体材料(18)。

5.按权利要求4所述的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉系统，其特征在于：所述的程控步进电机(2)根据需求设定转速，调节范围为0.1-1000转/分。

6.按权利要求4所述的无携带气体纳/微米粒度粉体均匀定量送粉系统，其特征在于：所述的激振仪(13)的振动频率为50-2000Hz。

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