CN101116849B - 一种冷喷涂用的拉阀尔喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面处理工程的热喷涂领域，涉及一种用于冷喷涂钛和铝金属涂层的快速成型式超音速缩放管结构的拉阀尔喷嘴，主体结构包括主气路进口、主进粉气路、付进粉气路、压力探头接口、温度探头接口、超音速喷嘴、固定螺栓、气室体、气塞结构和垫片，其特征在于气室体和气室分体结构经固定螺栓固连为轴线对称式一体结构的喷嘴主体，喷嘴主体后端部中心处制有主进粉气路，主进粉气路上侧斜插式制有主气路进口，喷嘴主体的气室体上下两侧分别制有压力探头接口和温度探头接口，主气路进口和主进粉气路在喷嘴体内自空中分别汇于并相通于超音速喷嘴，其超音速喷嘴的喷口处制有付进粉气路；本发明可明显的降低颗粒沿界面方向的速度，可通过普通典型的喷嘴进行喷涂。

Description

一种冷喷涂用的拉阀尔喷嘴

技术领域：

本发明属于表面处理工程的热喷涂领域，具体涉及一种用于冷喷涂钛和铝金属涂层的快速成型式超音速缩放管结构的拉阀尔喷嘴。

背景技术：

冷喷涂铝和钛等需要高临界速度的金属时，需要将载气和金属同时加热，又因为铝和钛的表面活性很强，在高温下很容易与氧反应，使制得的冷喷涂涂层孔隙率高，氧化程度也高，导致涂层性能降低。同时，传统的热喷涂拉阀尔缩放管在用于冷喷涂时，由于结构不合理，使得涂层形成方式不适合冷喷涂涂层的快速均匀制备。

冷喷涂工艺原称冷气动力喷涂法(CGSM：Cold gas-dynamic sprayMethod)。20世纪80年代中期，俄罗斯科学院设在西伯利亚诺沃西比尔斯克市的理论与应用力学研究所，在进行超音速风道负载颗粒流的实验时，对宇宙飞船侵蚀所进行的观测中，主持该项工作的A.N.PAPYRIN教授得出一个惊人的发现：当颗粒速度超过某一定值时，颗粒的磨损效应会转化成很强的粘附力。带着这一认识，A.N.PAPARIN教授移居美国，并接受一家汽车制造财团的支持。1994年底申报专利并在一次热喷涂会议上首次提出冷喷涂。在这位俄国教授日后的工作中，有两位人物起了关键作用：一位是德国林德(LINDE)气体公司的P.Heinrich，他是德国热喷涂协会的一名执委；另一位是汉堡联部武装部队大学的Kreye教授。由于他们的参与，促成建立了“热喷涂主管中心”，成为该大学与气体公司的联合项目。在此后的二年中，对这项新工艺的优势及潜在特点在汉堡及慕尼黑采用相同的设备做了系统的研究。其中，该大学注重理论问题，LINDE气体公司则集中开发设备的应用问题。2000年末，冷喷涂首次获得工业应用，近期又建立了冷气工艺有限公司，成为一家持有执照的冷喷涂装置的供应商。

冷喷涂作为一种新兴的表面处理工程新技术，是传统热喷涂技术的提高与发展。冷喷涂工艺的原理是在低温固态下，高速冲击使颗粒和底层表面的金属破碎实现原子结构结合，通过较大的塑性变形而沉积于基体表面上形成致密、结合牢固的涂层。其具体原理是：高压源使气体产生高压，推动工作气及送粉载气加速；加热器设有两套，分别使载气及工作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，喷枪后部是腔膛，在此处粉末与工作气混合，经喉管进入喷咀。工作气是产生高速的介质，在进入枪膛前在加热器预热到100-600℃，以加大颗粒(1～50um)流速至300～1200m/s。载气在另一加热器受热后，经送粉器成轴向将粉末送入喷枪，喷嘴结构为收敛-扩散型laval喷嘴，以使气体得到加速。喷嘴有不同的几何形式，喷涂气流随喷嘴的不同而呈不同的的流动状态，其中喷嘴也是冷喷涂工艺过程中相当重要的一个部件。

目前，美国专利US6722584，中国专利00253384.7，96211942.3和200510083138.3等对冷喷涂用拉阀尔(laval)喷嘴进行了设计。但是这些喷嘴对于喷涂易粘易氧化的铝和钛等涂层并不适合，特别是未考虑冷喷涂快速成型时的边界效应，通常在喷涂涂层边缘存在边缘效应，影响喷涂成型的速度和效果，且其喷嘴的结构复杂，制造工艺也繁琐。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，寻求提供一种用于金属冷喷涂的拉阀尔式喷嘴，能将喷涂软质材料时粉体对喷嘴喉部的堵塞现象减小到最小，而在喷涂硬材料时，喷嘴不容易磨损。还在于提供一种可以将出口部位的粉末速度控制在较集中的速度值范围，为快速成型及制备物理性能均匀的涂层提供可能。

为了实现上述目的，本发明主体结构包括主气路进口、主进粉气路、付进粉气路、压力探头接口、温度探头接口、超音速喷嘴、固定螺栓、气室体、气室结构和垫片；气室体和气室分体结构经固定螺栓固连为轴线对称式一体结构的喷嘴主体，喷嘴主体后端部中心处制有主进粉气路，主进粉气路上侧斜插式制有主气路进口，喷嘴主体的气室体上下两侧分别制有压力探头接口和温度探头接口，主气路进口和主进粉气路在喷嘴体内腔中分别汇于并相通于超音速喷嘴，其超音速喷嘴的喷口处制有付进粉气路；超音速喷嘴的前部结构采用普通喷嘴结构，为圆锥形渐缩段，后部为圆形至方形渐变式结构，至出口处；将缩放管渐缩段部分加工成圆锥形，喉部到出口由圆形向长方形狭缝过渡，缩放管的膨胀比在5.0～9.0之间，在出口处的速度分布均匀，有效降低冷喷涂钛涂层的孔隙率和解决铝涂层的氧化问题，将出口部位的粉末速度控制在较集中的速度范围，为快速成型及制备物理性能均匀的涂层提供可能。

本发明按超音速喷嘴原理结构设计，并利用流体力学软件FLUENT计算铝颗粒在喷嘴(通常的圆锥型喷嘴)中的加速行为，其中按理论计算膨胀比(4×L_e×W_e/πD_t ²)为9的气体马赫数分布，出口为3.81马赫，与理论计算一致，分别为温度和膨胀比对颗粒出口速度的影响，这为轴向位置铝颗粒的加速行为。对于直径为20um的铝颗粒，采用该喷嘴，在420K(150℃)即可达到铝的临界速度。各种铝的熔点为680℃左右，允许的操作温度约230℃，工艺温度远小于熔点的1/3，一般都不会对喷嘴喉部产生堵塞。在喷钛时，温度在700℃左右，高于钛金属熔点(1672℃)的1/3，很容易对喷嘴造成堵塞。针对于此，将粉末的送粉口开在喷嘴的喉部之后，送粉口的直径在2～4mm，开在此，以略高于送气口压力送粉，经FLUENT计算，对于颗粒的速度影响小于20m/s。

本发明实际喷涂时，轴向颗粒仅占很小一部分，所以对于不同部位的颗粒，其速度相差很大，传统的圆锥型喷嘴，在喷嘴出口的横向方向下降很快，导致喷涂时，出口直径为10mm的喷嘴定点喷涂时，有效沉积直径仅有2mm～3mm(涂层厚度0.5mm)，采用改进的方形出口喷嘴2mm×10mm，定点喷涂时，有效沉积面积可达到2mm×6mm。

本发明喷嘴的结构加工时分为对称两部分加工，利用线切割技术，分别在两块不锈钢上掏出一半的结构，再将两半焊接起来，形成完整的超音速喷嘴，其中D_t可控制在1.5mm～3mm之间，出口的尺寸可控制在2mm×10mm～3mm×15mm之间，但是必须控制在出口的面积是喉部面积的5～9倍；超音速部分长度在150mm～240mm之间。

本发明与现有技术相比，通过合理设计冷喷涂喷嘴的结构和加速特性，可明显的降低颗粒沿界面方向的速度降，同时通过设计典型的喷嘴进行喷涂。

附图说明：

图1为本发明的组装结构原理示意图。

具体实施方式：

本发明实施时的主体结构包括主气路进口1、主进粉气路2、付进粉气路11、压力探头接口3、温度探头接口4、超音速喷嘴5、固定螺栓6和7、气室体8、气室9和垫片10；气室体8和气室9分体结构经固定螺栓6和7固连为轴线对称式一体结构的喷嘴主体，喷嘴主体后端部中心处制有主进粉气路2，主进粉气路2上侧斜插式制有主气路进口1，喷嘴主体的气室体8上下两侧分别制有压力探头接口3和温度探头接口4，主气路进口1和主进粉气路2在喷嘴体内腔中分别汇于并相通于超音速喷嘴5，其超音速喷嘴5的喷口处制有付进粉气路11；超音速喷嘴5的前部结构采用普通喷嘴结构，为圆锥形渐缩段，后部为圆形至方形渐变式结构，至出口处。

本发明喷嘴的结构加工时分为对称两部分加工，利用线切割技术，分别在两块不锈钢上掏出一半的结构，再将两半焊接起来，形成完整的超音速喷嘴，其中D_t可控制在1.5mm～3mm之间，出口的尺寸可控制在2mm×10mm～3mm×15mm之间，但是必须控制在出口的面积是喉部面积的5～9倍；超音速部分长度在150mm～240mm之间。

实施例：

按本发明设计制备的喷嘴，其超音速部分180mm，喷嘴喉部Φ2，出口尺寸2mm×10mm，收敛段长40mm，收敛角度60度。载气温度200℃常温下喷出铝试样，其中结合力大于20MPa，沉积效率大于80％，定点喷涂的沉积部分大约5mm高。

Claims (2)

1.一种冷喷涂用的拉阀尔喷嘴，主体结构包括主气路进口、主进粉气路、付进粉气路、压力探头接口、温度探头接口、超音速喷嘴、固定螺栓、气室体、气室结构和垫片，其特征在于气室体和气室分体结构经固定螺栓固连为轴线对称式一体结构的喷嘴主体，喷嘴主体后端部中心处制有主进粉气路，主进粉气路上侧斜插式制有主气路进口，喷嘴主体的气室体上下两侧分别制有压力探头接口和温度探头接口，主气路进口和主进粉气路在喷嘴体内腔中分别汇于并相通于超音速喷嘴，其超音速喷嘴的喷口处制有付进粉气路；超音速喷嘴的前部结构采用普通喷嘴结构，为圆锥形渐缩段，后部为圆形至方形渐变式结构，至出口处。

2.根据权利要求1所述的冷喷涂用的拉阀尔喷嘴，其特征在于将缩放管渐缩段部分加工成圆锥形，喉部到出口由圆形向长方形狭缝过渡，缩放管的膨胀比在5.0～9.0之间，在出口处的速度分布均匀。

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