CN101208447A - 用于气体动力施加涂层的装置和施加涂层的方法 - Google Patents
用于气体动力施加涂层的装置和施加涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及在物品表面施加涂层的技术，尤其涉及使用无机粉末气体动力施加涂层的方法，它可以用于机械工程的不同分支领域。压缩气体输送到加热器(1)，加热至使颗粒不会粘在喷嘴壁上需要的温度。被加热的气体进入超音速喷嘴(2)，在其中它顺序穿过喷嘴的收缩部、喉部(3)和扩散部，并加速至超音速。待喷射的粉末通过粉末注入部件(5)引入所述超音速气流中。粉末颗粒在喷嘴的加速部(7)内由高速气流加速，而后它们被引向基片表面。本发明的要点是公开了设置于粉末注入点下游且被用于加速粉末的喷嘴部的参数，从而提高被喷射粉末的沉积效率并维持使用升高温度的压缩气体和使用含硬质颗粒的粉末的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及在表面施加涂层的技术，尤其涉及使用无机粉末气体动力施加涂层的方法。它可以用于机械工程的不同分支领域，尤其用于金属部件的形状和尺寸的恢复，以及用于金属部件的制造和修理以提高它们的不渗透性、耐蚀性、耐热性或其他特性。
背景技术
气体动力喷射方法是通过采用高速细固体颗粒射流处理基片来制造金属和金属-陶瓷混合涂层的有效技术。在这些方法中，颗粒通过牵制效应在高速气流中加速。只使用压缩气体、主要是压缩空气来加速颗粒，不使用任何可燃气体。
现有技术中已知一种用于施加涂层的方法和装置[1994年授权的美国专利No.5,302,414]。采用该方法，涂层通过以下步骤施加：将金属粉末引入压缩气流，在超音速喷嘴(Laval型喷嘴)内加速气体-粉末混合物，并将加速的粉末颗粒引向基片。加速的颗粒撞击到基片上，同时具有足以粘附到基片表面上的动能。涂层采用颗粒尺寸为1至50微米的粉末颗粒制成。粉末颗粒的动能转变为充分的机械变形时，粉末颗粒在撞击并粘附在基片上之前既不会融化也不会开始软化。
这种方法和装置的改进[2000年授权的美国专利No.6,139,913和2001年授权的美国专利No.6,283,386]包括正确地选择气流横截面以允许通过颗粒尺寸高达106微米的颗粒形成涂层。
这些方法的主要缺点是，粉末在经过Laval喷嘴喉部之前被注射到被加热的压缩气流内。因为被加热的主气流(气体流)处于高压下，粉末的注射需要昂贵且复杂的高压粉末输送(粉末供应)系统。粉末颗粒和被加热的主气流都必须通过喷嘴喉部，并且颗粒经常粘在喷嘴扩散部和喉部的壁面上，堵塞喷嘴。这需要完全停止系统并清洁喷嘴。因此，气体温度必须足够低，以便不会发生颗粒软化和粘附在喷嘴壁上的情况。结果该温度经常不足以形成有效的涂层。此外，使用硬质颗粒粉末时，喷嘴喉部会出现相当严重的磨损，从而导致喷嘴提前损坏。
另一些现有技术的涂层方法[2004年授权的美国专利No.6,756,073；RU 2205897，2001年；RU 2100474，1997年；2002年授权的美国专利No.6,402,052]没有这些缺陷。这些发明使用超音速喷嘴，并且采用预热压缩气体供应给喷嘴。气体在经过喷嘴的收缩部、喉部和扩散部时，在喷嘴内加速并形成超音速流。粉末颗粒在喷嘴喉部之后的点(喉部下游)引入所述气流中。它们由超音速气流加速并引向基底(基片)表面。
在这些方法中，粉末颗粒不经过喷嘴喉部。这允许提高气体温度，而不必担心颗粒会粘在喷嘴壁上并阻塞或堵塞喷嘴喉部。由于加速粉末颗粒的气流的速度大致与气体温度的平方根成正比，气体温度的提高将导致粉末颗粒在喷嘴内获得的速度的提高，并因此提高它们在撞击后粘附在基片上的可能性。因此，它有可能提高颗粒沉积的效率。
但是，由于粉末仅仅在喷嘴喉部下游引入，可用于粉末颗粒加速的喷嘴部的总长度会大大地缩短。缩短的加速距离会减小由于提高气体温度而实现的涂层沉积效率的提高。
与所要求保护的技术方案最相似的是2004年授权的CA 2270260中的装置和方法。该装置包括压缩气体加热器；直接与压缩气体加热器连接且包括设置在喷嘴收缩部和扩散部之间的喉部的超音速喷嘴(Laval喷嘴)；用于向喷嘴内供应粉末的单元，粉末引入(注入)喷嘴喉部下游的喷嘴内。
在该装置中，粉末颗粒不经过喷嘴喉部，因此不会磨损其壁面。这使得能够使用含硬质陶瓷颗粒的粉末。而且，因为在超音速部(位于喉部下游)中气体温度比在亚音速部(位于喉部前面)和喷嘴喉部中的气体温度低很多，所以该装置允许提高压缩气体温度，而不会因为颗粒粘在喷嘴壁上堵塞喷嘴。
然而，由于喷嘴喉部下游的粉末注入点的改变(即粉末在喷嘴内部引入而不是在喷嘴之前引入)，缩短了可用于颗粒加速的喷嘴部的长度。因此，粉末颗粒的最终速度减小，随之带来的就是被喷射的粉末沉积效率的降低。
发明内容
本发明的目的是提高被喷射粉末的沉积效率以及维持提高压缩气体的温度和使用含硬质颗粒的粉末的可能性。
这一目的通过现有技术的用于气体动力施加涂层的装置来实现，该装置包括压缩气体加热器、超音速喷嘴(Laval喷嘴)、用于向喷嘴内供应粉末的单元，所述超音速喷嘴与气体加热器直接连接并具有设置在收缩部和扩散部之间的喉部，其中粉末注入部件设置在喷嘴喉部的下游，用于向喷嘴内供应粉末的单元具有一个或多个粉末供应装置，所述粉末供应装置通过管道与用于将一种或多种粉末注入所述喷嘴内的部件连接，设置在粉末注入部件下游并用于加速粉末的喷嘴部制造成具有满足以下关系式的参数：
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-喷嘴出口处的横截面面积；
Sinj-喷嘴在粉末注入部件处的横截面面积；
L-用于加速粉末的喷嘴部的长度；
B-喷嘴在粉末注入部件处的横截面的最小尺寸。
根据被处理表面的形状和成分以及在涂层上要完成的任务，喷嘴的横截面可以是圆形或矩形。
为了方便装置的实际应用，用于粉末加速的喷嘴部(加速部)可以制造成可更换元件。在这种情况下，它可以连续扩散或具有一个或多个圆柱段。用于向喷嘴内注入粉末的部件可以制造成位于喷嘴壁中的孔(或多个孔)或制造成管子的形式，所述管子穿过喷嘴喉部且出口位于喉部下游(后面)；这样，用于注入粉末的两个或更多的部件可以制造成确保粉末供应口与喷嘴喉部的距离相等。
为了易于改变被喷射粉末的成分，每个供应装置可以与其用于向喷嘴内注入粉末的部件连接。为了简化结构，两个或更多的供应装置可以与用于向喷嘴内注入粉末的同一部件连接。为了方便装置的实际应用，压缩气体的加热可以由电加热器提供。
比较分析表明所要求保护的技术方案不同于原型之处在于，设置在粉末注入部件下游且用于加速淀粉的喷嘴部具有满足以下关系式的参数：
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-喷嘴出口处的横截面面积；
Sinj-喷嘴在粉末注入部件处的横截面面积；
L-用于加速粉末的喷嘴部的长度；
B-喷嘴在粉末注入部件处的横截面的最小尺寸。
由此可以判断本发明符合新颖性的规定。
上述目的也可以通过现有技术的气体动力施加涂层的方法来实现，该方法包括：加热压缩气体；将加热的压缩气体供应到超音速喷嘴(Laval喷嘴)内，所述超音速喷嘴具有设置在收缩部和扩散部之间的喉部，在喷嘴内形成超音速气流；将粉末注入喷嘴喉部下游(喉部后面)的超音速气流中；在喷嘴内通过气流加速粉末；将所述加速后的粉末引向基片表面；以及形成涂层，所述粉末喷射到喉部下游的超音速气流内，所述粉末包括一种或多种物质的颗粒，其中一种物质是金属和/或合金，喷嘴喉部下游的气流形成为满足以下关系式：
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-在喷嘴出口处气流的横截面面积；
Sinj-在粉末注入点处气流的横截面面积；
L-喷嘴中从粉末注入点到喷嘴出口处气流的长度；
B-在粉末注入点处的气流横截面的最小尺寸。
根据所需的涂层性质，应用金属粉末和/或陶瓷与金属粉末的机械混合物作为形成涂层的粉末，或者同时注入不同硬度的几种粉末到超音速气流内，陶瓷粉末作为其中一种粉末。所用粉末的颗粒尺寸在1微米至100微米之间，这些粉末包括金属和陶瓷粉末。
本发明的要点如下所述。
气体动力喷射粉末材料后，涂层由不同的颗粒形成，由于这些颗粒的动能转变为粘合能，因此在撞击基底之后它们基本上粘附在基底的表面上。
因此，颗粒粘附在表面的可能性主要取决于它们的速度。每个具体颗粒的速度越高，它粘附在基片表面的可能性越大，并因此从整体来看粉末的喷射效率(沉积效率)越高。
在所有用于气体动力施加粉末材料涂层的装置中，颗粒通过牵制效应在高速气流中加速。加速斯托克力与气流速度和颗粒速度的差值成正比。在有限的加速时间内，颗粒不可能达到气流的速度，总是落在气流后面。颗粒在气流中运动的长度越长，它落后的程度就越小，即颗粒的速度越接近气体速度。
显然，应当尽可能地延长用于粉末颗粒加速的喷嘴部(加速部，即从粉末注入点延伸到喷嘴出口的喷嘴部)。在这种情况下，颗粒在气流中运动的长度越长，并因此它们被加速到越大的速度。
实际上，结果几乎不是这样。随着喷嘴加速部长度的逐渐增加，起初会导致颗粒速度的增大以及粉末喷射到基片上的效率的提高。但是，继续增加加速部的长度，则会观察到颗粒沉积效率在降低。
初看起来，这可以归因于由气流在喷嘴壁上的摩擦产生的气流阻滞。实际上，在用于气体动力喷射的装置中，一般使用高度延长的喷嘴，这些喷嘴的长度比喷嘴的横截面尺寸长几十倍。在这种情况下，气体在喷嘴中的阻滞可能很严重，并且当气体减速到颗粒速度以下，颗粒开始减速而不是加速。
但是，在实际应用中，已经发现随着喷嘴加速部长度的增加，沉积效率正好在喷嘴内气体充分减速之前开始降低。也就是说，使用某种长度的喷嘴加速部，喷嘴内气体的速度始终保持比颗粒速度大很多。因此采用这种长度的喷嘴加速部，喷嘴内的粉末颗粒必定获得较高的速度。但是实际上，实际的喷射效率出乎意料地降低。
这种结果可以由下文解释。
注入气流中的粉末颗粒必然具有横向于气流的速度分量。这种速度分量出现在颗粒刚引入气流时以及随后在气流中的颗粒轨迹的演变阶段，这种颗粒轨迹的演变是由于颗粒碰撞以及由流动不连续性引起的颗粒扩散。颗粒在喷嘴内的加速受沿喷嘴轴线方向的高速气流的影响。因此，实际上在粉末颗粒刚引入加速气流后，粉末速度的横向分量变得比纵向分量(沿气流方向)低很多。但是，它确实存在并且作者认为它很重要。观点是速度不严格沿着喷嘴轴线方向的颗粒可能撞击到喷嘴壁上，自然会损失它们的一些纵向速度。此外，在喷嘴壁附近总是存在气体边界层，该气体边界层的速度比主气流的速度低很多。具有横向速度分量的颗粒可能进入该气体边界层并在其中慢下来。
在颗粒横向速度的统计离散(statistical dispersion)相同的情况下，颗粒进入喷嘴近壁区域的可能性随着喷嘴横截面的减小和喷嘴长度的增加而增大。因此，观察到的效果不仅与喷嘴长度有关，而且与其加速部的横截面及其扩散程度(喷嘴横截面在气流方向上的增大)有关。
因此，随着喷嘴加速部的延长，会在同一时间出现两个过程。首先，没有撞击喷嘴壁的颗粒的速度增大。其次，到达近壁区域的颗粒以及在撞击喷嘴壁或在气体边界层减速之后损失部分速度的颗粒的数量增加。
结果，随着喷嘴长度的增加，喷嘴内颗粒的最大速度增大，而那些高速颗粒占颗粒总流量的比例下降。因此，如果喷嘴制造得更长，颗粒的平均速度首先是增大的，随后就下降。
实际上，这种效果本身通过粉末沉积效率的变化可清楚地看出。在这一过程中，粉末沉积效率在一定的喷嘴加速部长度范围内的变化很微小。在这一范围内，气流对颗粒的加速过程和颗粒在喷嘴近壁区域内的减速过程大致相等，因此粉末沉积效率的变化很微小。
大量试验显示，均衡颗粒加速和减速过程的效果可以通过选择一定的喷嘴加速部几何参数来达到，也就是说，大量试验显示，如果能确保喷嘴加速部的基本几何参数之间有一定的关系，就可以达到均衡颗粒加速和减速过程的效果，即
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-在喷嘴出口处气流的横截面面积；
Sinj-在粉末注入点处气流的横截面面积；
L-喷嘴中从粉末注入点到喷嘴出口处气流的长度；
B-在粉末注入点处的气流横截面的最小尺寸。
在喷嘴参数超出所述范围的边界时，可以观察到沉积效率降低。尤其，在喷嘴的最小横截面尺寸和横截面面积一定的情况下，过短和过长的喷嘴的沉积效率比那些长度在所述范围内的喷嘴的沉积效率低。
在研究过现有技术之后并没有其他工程技术方案中披露了以上所显示的特征。因此，所要求保护的技术方案满足创造性规定和具有创造性。
附图说明
在附图中示出了本发明，其中：
图1是要求保护的装置的结构布置图，
图2是超音速喷嘴的示意图。
具体实施方式
该装置包括压缩气体加热器1、具有喷嘴喉部3的喷嘴2、包括粉末供应装置4和通过管道6与供应装置连接的粉末注入部件5的粉末供应单元、设置在粉末注入部件的下游直到喷嘴出口的喷嘴加速部7，所述喷嘴加速部7例如可以制造成还包括圆柱段9(图2)的可更换元件8(图2)。
运行中，压缩气体输送到加热器1以加热至所需温度。被加热的气体进入超音速喷嘴2，在喷嘴2中加热气体顺序经过喷嘴的收缩部、喉部3和扩散部，并加速到超音速。待喷射的粉末通过粉末注入部件5引入所述超音速气流中。粉末颗粒在喷嘴加速部7由高速气流加速，随后被引到基片表面上。
根据被处理表面的形状和成分以及在涂层上要完成的任务，喷嘴的横截面可以是圆形或矩形。
为了使用硬质材料的粉末(特别是陶瓷颗粒)，喷嘴加速部可以全部或部分制造成可更换元件8(图2)。在这种情况下，可以容易地更换被硬质颗粒磨损的喷嘴部。
为了弥补在喷嘴壁上气流的阻滞，喷嘴加速部可以全部或部分制造成发散状。
为了简化喷嘴结构，其加速部可以有一个或多个圆柱段9(图2)。
根据喷嘴的特定结构，一个或多个注入粉末的部件可以制造成位于喷嘴壁上的孔(图1)，或制造成穿过喷嘴候部的管子(图2)。两个或更多的粉末注入部件可以制造成确保粉末供应口与喷嘴候部的距离相等(图1)。
为了能容易地改变被喷射的粉末，每个供应装置都可以与独立的粉末注入部件连接。两个或更多的粉末供应装置可以与同一个粉末注入部件连接，以简化装置的结构(图1)。
为了方便装置的实际应用，压缩气体加热器可以是电加热器。发明的具体例子
下面将通过表1和表2中给出的具体例子对本发明进行说明。
图1示出了涂层重量的测量结果。这些涂层使用恒定值为B＝3.6mm、Sinj＝10mm2和Sout＝18mm2，长度不同的圆形喷嘴喷射。压缩空气的温度为370℃。在所有情况下，使用相同数量的粉末，其包括：
a)铝(60％，wt.)和氧化铝(40％，wt.)颗粒，
b)铜(70％，wt.)和氧化铝(30％，wt.)颗粒，
c)锌(60％，wt.)和氧化铝(40％，wt.)颗粒。
表1
| L，mm | 190 | 170 | 150 | 130 | 110 | 90 |
| B.(Sout/Sinj-1)/L | 0.015 | 0.017 | 0.019 | 0.022 | 0.026 | 0.03 |
| 涂层质量，g | 12 | 14 | 15 | 15 | 13 | 11 |
| 涂层质量，g | 16 | 18 | 19 | 19 | 17 | 14 |
| 涂层质量，g | 11 | 12 | 13 | 13 | 12 | 11 |
表2示出了涂层重量的其他测量结果。这些涂层使用恒定值为B＝3.6mm、Sinj＝15mm2和Sout＝30mm2，长度不同的矩形喷嘴喷射。在所有情况下，使用具有相同数量的粉末，其包括铝(60％，wt.)和氧化铝(40％，wt.)颗粒。压缩气体的温度如下：a)370℃，b)450℃，以及c)520℃。
表2
| L，mm | 200 | 180 | 160 | 140 | 120 | 100 |
| B.(Sout/Sinj-1)/L | 0.015 | 0.017 | 0.019 | 0.021 | 0.025 | 0.03 |
| 涂层质量，g | 7 | 8 | 10 | 10 | 9 | 8 |
| 涂层质量，g | 12 | 13 | 13 | 13 | 12 | 10 |
| 涂层质量，g | 16 | 17 | 18 | 18 | 15 | 12 |
两种情况下压缩气体都是压力为7bar的空气。
两个表表明，当量纲关系(dimensions relation)接近限定值时，涂层质量减小，这说明粉末沉积效率降低。
Claims (18)
1.一种用于气体动力施加涂层的装置，包括压缩气体加热器；超音速喷嘴(Laval喷嘴)，其直接与气体加热器连接并具有设置于收缩部和扩散部之间的喷嘴喉部；用于向喷嘴内供应粉末的单元，其中粉末注入部件设置在喷嘴喉部的下游，其特征在于，用于向喷嘴内供应粉末的单元包括一个或多个粉末供应装置，所述粉末供应装置通过管道与用于将一种或多种粉末注入所述喷嘴内的部件连接，位于粉末注入部件下游且用于加速粉末的喷嘴部制造成具有满足以下关系式的参数：
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-喷嘴出口处的横截面面积；
Sinj-喷嘴在粉末注入部件处的横截面面积；
L-用于加速粉末的喷嘴部的长度；
B-喷嘴在粉末注入部件处的横截面的最小尺寸。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，超音速喷嘴具有圆形横截面。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，超音速喷嘴具有矩形横截面。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，位于粉末注入部件下游且用于加速粉末的喷嘴部制成可更换元件的形式。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，位于粉末注入部件下游且用于加速粉末的喷嘴部制造成扩散状。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，位于粉末注入部件下游且用于加速粉末的喷嘴部具有一个或多个圆柱段。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，粉末注入部件制成喷嘴壁中的孔。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，一个或多个粉末注入部件制造成穿过喷嘴喉部且出口位于喉部下游的管子的形式。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个或更多的粉末注入部件制造成确保粉末注入口与喷嘴喉部的距离相等。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个粉末供应装置与其用于向喷嘴内注入粉末的部件连接。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个或更多的粉末供应装置与一个用于向喷嘴内注入粉末的部件连接。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，气体加热器是电加热器。
13.一种用于气体动力施加涂层的方法，包括：加热压缩气体；向超音速喷嘴(Laval喷嘴)内供应所述压缩气体，所述超音速喷嘴具有设置于收缩部和扩散部之间的喷嘴喉部；在喷嘴内形成超音速气流；将粉末注入喷嘴喉部下游的超音速气流中；在喷嘴内由气流加速所述粉末；将所述加速后的粉末引向基片表面；以及形成涂层，其特征在于，所述粉末注入喷嘴喉部下游的超音速气流中，所述粉末具有一种或多种物质的颗粒，其中一种物质是金属和/或合金，喷嘴喉部下游的气流形成为满足以下关系式：
0.015＜B·(Sout/Sinj-1)/L＜0.03
其中
Sout-在喷嘴出口处气流的横截面面积；
Sinj-在粉末注入点处气流的横截面面积；
L-喷嘴中从粉末注入点到喷嘴出口处气流的长度；
B-在粉末注入点处的气流横截面的最小尺寸。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，陶瓷和金属粉末的机械混合物用作为被喷射的粉末。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，具有不同硬度的颗粒的多种粉末同时注入超音速气流中。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，陶瓷粉末用作其中一种粉末。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，颗粒尺寸为1微米至100微米的金属粉末用作所述金属粉末。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，颗粒尺寸为1微米至100微米的粉末用作所述陶瓷粉末。
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