CN101218369A - 用于材料沉积的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将材料例如颗粒材料沉积在表面上的装置和方法。该方法使用激波或压缩波以根据需要将颗粒材料投射到表面上。这使得可制备具有例如非常好的密度和均匀性的固体物体或涂覆表面。
Description
技术领域
本发明涉及材料沉积领域。具体地，本发明涉及用于沉积颗粒或粉末材料以便该材料形成物体或涂层的方法和装置。
背景技术
当生成制造物品时，使用例如铸造、锻造等工艺来使材料形成预期形状并具有特定应用寻求的整体力学特性。但是，在许多应用中，物体的表面暴露在各种恶劣环境例如磨损、腐蚀和高温环境中。这些环境会使得物体的表面及其特性恶化，最终导致其故障。热喷涂(TS)工艺被用于沉积数微米到数毫米厚的涂层以防止被涂覆表面的恶化。越来越多的制造商使用TS技术制造高品质的有竞争力的产品。TS包含常常具有共同目的的多种工艺：修改/改变现有物体的表面特性以提高它们的性能和/或增加它们的寿命。可选择地，TS工艺允许材料沉积以生成具有特殊形状或形式的物体。
通常，TS工艺的共同之处是将粉末、线或杆形式的原料材料加热到熔滴或半熔滴状态，其优选地被加速到达将被涂覆的表面上。在撞击时，颗粒变形，粘附在衬底上并凝固(如果它们被熔融的话)建立层状结构以形成希望的涂层。加热或熔化原料颗粒的热源可以是例如焰弧(由燃料燃烧产生)或电弧(由气体电离产生)。颗粒由朝向衬底的加热气体流加速。可通过彼此相对地移动喷涂装置或衬底实现完整的涂层，并且多次喷涂可获得希望的涂层厚度。
TS工艺可用于通过在大量不同材料的物体/表面上涂覆金属、合金、陶瓷、聚合物、金属陶瓷或碳化物涂层来修改或提高其表面特性。TS涂层被用于多种工业产业和产品例如燃气轮机和蒸汽轮机、汽车发动机、生铁和炼钢生产及研磨机、舟船制造和修理、化学处理工厂、电气设施、造纸产业、国防和航空设施、食品加工厂和采矿业。
涂覆在不同衬底上的涂层通常根据它们的功能被分组。一些重要的涂层功能是：耐磨性、耐化学性、提供热绝缘、耐腐蚀性、导电性或电阻、生物适应性、辐射屏蔽、粘合性以及仅做装饰用。如果需要的话，涂层可提供一种以上的功能。
在撞击之前的颗粒温度和速度是确定涂层质量的重要参数组合。历史上，TS工艺已经朝更高颗粒撞击速度发展，因为这通常会导致粘合强度提高且残余应力减小的更浓厚的/致密的涂层。以前，这已通过使推进剂气体/混合物加速通过会聚-发散喷嘴达到超音速以增加推进剂/颗粒动量传递来实现。但是，当颗粒在撞击之前完全熔融时，高颗粒速度会变得有害。在此情况下，施加在熔融颗粒上的力会大得足以导致在撞击时颗粒破裂和/或飞溅。得到的涂层不够浓厚并且不具有足够强的粘合强度。因此，通常当颗粒速度增加时降低颗粒温度以避免出现此现象。
在撞击之前的颗粒的化学和显微结构组成也是影响涂层特性和质量的重要参数。大多数现有的TS工艺都由于高度活性的推进剂气体混合物而缺乏对撞击之前的颗粒的化学组成和显微结构的控制，颗粒被喷射到该气体混合物中以被加速并可选地被加热。这会导致颗粒氧化、它们的显微结构和/或化学组成改变。因此，难以预测涂层化学组成和显微结构并基于所需的涂层特性调整原料材料。出于相同原因，由于因颗粒和涂层的加热而在涂层内遇到的晶粒生长，使用TS工艺生成纳米晶体涂层是一个挑战。
尽管TS涂层广泛用于所有工业产业，但是制造商一直要求生产具有更高性能和更持久的TS涂层和物体。
发明内容
至少在优选实施例中，本发明的一个目的是提供一种用于沉积粉末或颗粒材料以便该材料形成物体或涂层的方法。
至少在优选实施例中，本发明的一个目的是提供一种用于沉积粉末或颗粒材料以便该材料一旦沉积则形成物体或涂层的装置。
在一个方面，本发明提供了一种方法，该方法用于将颗粒材料沉积在衬底的表面上，以便在沉积时或之后该颗粒材料至少部分地与所述表面和/或颗粒材料本身熔合以形成该表面上的实体(solid mass)或涂层，该方法包括以下步骤：
(1)将所述颗粒材料放置在具有喷涂端并容纳有气体或气体混合物的管状构件内；
(2)使至少一个激波/冲击波朝所述喷涂端沿所述管状构件行进，并朝所述表面离开所述管状构件，至少一些所述颗粒材料随着所述激波或在其附近行进，并且被以这样的速度投射到所述表面上，即该速度足以导致在撞击所述表面时所述颗粒材料和/或所述表面至少发生部分变形，并且所述颗粒材料与所述表面和/或已经被沉积在所述表面上的颗粒材料(如果存在的话)熔合。
在另一个方面中，本发明提供了一种装置，该装置用于将颗粒材料沉积在衬底的表面上，以便在沉积时或之后该颗粒材料至少部分地与所述表面和/或颗粒材料本身熔合以形成实体或涂层，该装置包括：
用于接收所述颗粒材料的管状构件，所述管状构件具有喷涂端并容纳有气体或气体混合物；
激波发生器，该激波发生器用于生成至少一个激波，并使所述至少一个激波朝所述管状构件的所述喷涂端沿所述管状构件行进，并朝所述表面离开所述管状构件，至少一些所述颗粒材料随着所述激波或在其附近行进，并且被以这样的速度投射到所述表面上，即该速度足以导致在撞击所述表面时所述颗粒材料和/或所述表面至少发生部分变形，并且所述颗粒材料与所述表面和/或已经被沉积在所述表面上的颗粒材料(如果存在的话)熔合。
在本发明的尤其优选的实施例中，颗粒材料在被放置到本发明的装置的管状构件内之前被加热。
在其他方面，本发明还包括由根据本发明的方法或使用本发明的装置的颗粒材料的沉积形成的材料。这种材料可表现为衬底上的涂层或局部涂层的形式，或表现为近终形状(near net shape)的形式。
附图说明
图1示意性地示出在激波生成之前的本发明的装置的实施例；
图2示意性地示出在激波生成之后不久的本发明的装置的实施例；
图3示意性地示出在图2所示的实施例之后不久的本发明的装置的实施例；
图4示意性地示出在图3所示的实施例之后不久的本发明的装置的实施例；
图5为示出在本发明的典型装置内行进的激波、接触面、第一个和最后一个膨胀波随时间变化的位置的时间-位置(t-x)图的一个示例；
图6为示出在特定位置(x2)的本发明的典型装置内的与时间有关的气体速度的速度-时间(u-t)图的一个示例；
图7为示出在特定时间(t2)的本发明的典型装置内的与位置有关的气体速度的速度-位置(u-x)图的一个示例；
图8为示出在特定时间(t2)的本发明的典型装置内的与位置有关的气体压力的压力-位置(p-x)图的一个示例；
图9为示出在特定时间(t2)的本发明的典型装置内的与位置有关的气体温度的温度-位置(T-x)图的一个示例；
图10为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像(Cu表现为浅灰色层，Al表现为深灰色层)；
图11为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像；
图12为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的铜涂层的扫描电镜图像(Cu表现为浅灰色层，Al表现为深灰色层)；
图13为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的铜涂层的扫描电镜图像；
图14示出本发明的优选方法；
图15示出本发明的优选方法；
图16为使用本发明的装置沉积的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像；
图17为使用本发明的装置沉积的纳米晶体铝合金(Al-12Si)涂层的扫描电镜图像；
图18为铝6061衬底表面上的由非晶态不锈钢粉末生成的不锈钢涂层的光学显微图像。不锈钢粉末在插入喷枪之前被预先加热到350-400℃。箭头指示在撞击时嵌入或部分嵌入衬底的具有很少变形或没有变形的不锈钢颗粒。
定义
涂层：是指根据本发明的方法实现的在衬底的表面上的任何部分或完整覆盖层。优选地，一旦形成，则该涂层基本是坚固的，至少是不易于磨破或者通过对衬底的手动操作而与表面分离。
冷喷涂：是指选定的本发明的方法以及现有技术的那些方法，所述方法在将颗粒材料加速和投射以便沉积在表面上之前，不充分地加热颗粒材料以使该材料甚至是部分熔化。通常，例如，冷喷涂技术依赖于颗粒材料的颗粒和/或衬底的变形，以导致颗粒材料和/或衬底之间发生一定程度的熔合(而不是在所述颗粒相互撞击和/或撞击衬底的表面之前导致所述颗粒材料通过加热使其呈现熔化状态)。
压缩波：是指任何形式的波，通常是能量低于激波的波，其是由激波发生器形成的并且适合于优选地以有组织的方式与其他压缩波合并(coalescence)以形成激波。这种压缩波通常在激波发生器内的压力被释放时或者当通过化学或爆炸反应生成激波时形成。
熔合：是指材料在相互接触时粘附，尤其是关于当根据本发明朝衬底投射材料时材料的颗粒相互粘附或粘附在衬底的表面上。这种熔合可包括但不局限于机械粘合和/或冶金粘合。通常，这种颗粒和/或衬底在它们之间进行撞击时至少发生部分变形。
近终形状：是指由根据所选择的本发明的方法和/或使用所选择的本发明的装置沉积的分层材料生成的具有特定三维形状的物体。
粉末/颗粒材料/原料粉末：这些术语可相互交换，并且是指适于与本发明的方法和装置共同使用以在经受文中讨论的方法的处理时形成物体或涂层的粉末状/颗粒形式的任何材料。
优选地：除非另外说明，否则术语“优选地”的使用是指本发明的最广泛实施例的优选特征。
推进剂气体混合物/气体/气体混合物：可包含基本无其他气体或材料的单种气体，或可选择地根据需要可包括各种气体的混合物。优选地，在温度和压力条件的全部范围内在本发明的方法期间该气体基本对于颗粒材料和/或本发明的装置是惰性的。
静止的(quiescent)：在本申请的上下文中是指静止气体，其是根据本申请的教导的激波目前没有通过其中行进的任何气体或气体混合物。除了缺少激波之外，静止气体另外可包含任何内部流体运动、温度或在有限空间内的气体的其他特性。在激波通过气体后、另一个激波从中通过之前，气体可返回静止状态或部分静止状态。
激波：是指由例如适于使颗粒材料在管状构件内例如朝该管状构件的喷涂端运动的任何设备生成的激波。在本发明的方法或装置的其他可选择实施例中，可通过化学或爆炸反应生成激波。通常但非必要，激波由激波发生器生成的压缩波的累积与合并产生。根据本发明的装置，这种合并在激波发生器内例如可在激波发生器和管状构件之间或者在通入压缩波的管状构件之后的管状构件内发生。在所选择的实施例中，激波例如沿管状构件通过可使管状构件内的气体/气体混合物的压力和温度增加例如多达几℃和kPa或更大。
激波发生器：是指能够生成一个或多个激波，或者能够生成适于合并成一个或多个激波的多个压缩波的任何设备。这种设备可例如包括一些形式的容纳气体或气体混合物的室，以及增加该室内的气体或气体混合物的压力的部件。在释放这种压力时，生成并释放激波(或至少适于形成激波的压缩波)。在一个示例中，压缩波可进入本发明的装置的管状构件，并随后在该管状构件内合并以形成通过该管状构件的长度的激波。但是，至少在优选实施例中，这种激波可在任何形式的波进入管状构件之前形成。在所选择的实施例中，激波发生器还可包含引起适于生成激波的化学或爆炸反应的部件。
实体：是指根据本发明的方法的材料沉积生成的任何三维物体。
喷涂：是指从本发明的装置投射颗粒材料。这种喷涂可包括从该装置以高度定向和集中的方式或以比较随意的方式进行的任何形式的颗粒喷射。喷涂还包括本发明的这样的实施例，其中本发明的装置或至少本发明装置的喷枪相对于衬底或衬底表面移动。
衬底：具有一表面的体部，使用本发明的方法将材料沉积在该表面上以提供表面涂层或用于制造实体例如近终形状的基础。该体部可包括与被沉积在表面上的材料不同或相同的材料。此外，该体部可选地可包括或不包括已经沉积在该体部的表面上的表面材料层。
表面：是指衬底的表面或包含已经根据本发明被沉积的材料的表面。此外，衬底的表面可包括该衬底的材料的表面，但是也可包括已经沉积在该衬底的材料上的颗粒材料的表面。
管/管状构件：是指具有这样的构造的任何构件，该构造适合于激波从中通过以便以适合于根据本发明的教导沉积在表面上的方式加速并可选地加热该管内的颗粒材料和/或气体或气体混合物。该管可以是直的或弯的，可具有均匀或不均匀的横截面面积/口径，可具有圆形/正方形/任何其他横截面构型，并且可由任何材料包括但不局限于金属/塑料/聚合物/树脂/合金等构成。表达“管状构件”涉及圆筒、管、枪管、喷枪、枪等。通常但是非必要，管状构件将包含通过从该处发出的激波投射颗粒材料的喷涂端。另外，管状构件的与喷涂端相对的端部可优选地连接到激波发生器。喷涂端或与该喷涂端相对的端部(邻近激波发生器)中的任何一个或全部可包括阀。例如，在所选择的实施例中，可相对于管状构件内的压力提高激波发生器内的压力，并且在管状构件和激波发生器之间的阀的打开会导致激波生成并离开该激波发生器沿该管状构件通过。在其他实施例中，阀可位于管状构件的两个端部，这两个端部可根据需要选择性地打开和/或关闭。这样，可在激波生成并通过管状构件之前调节该管状构件的内部条件(气体浓度、颗粒材料、压力、温度等)，并且当激波生成时两个阀可同时(或几乎同时)打开，从而允许从管状构件的喷涂端喷射颗粒材料。在所选择的实施例中，管状构件可还包括用于在激波通过管状构件时或之前将颗粒材料放置在其中的一些形式的入口。更优选地，恰好在激波通过管状构件之前将颗粒材料放置在管状构件内。
坚固的(unyielding)：是指由根据本发明的方法的颗粒材料的沉积生成的涂层或实体的特性。术语“坚固”是用于将涂层或实体的本质与颗粒材料区分开，颗粒材料如果被重力或其他外力影响以流动则将流动。相反，根据本发明生成的涂层或实体包含已经至少部分地熔合在一起和/或与衬底表面熔合的颗粒材料，从而当小的外力作用在该材料上时该材料通常不能流动。
具体实施方式
本发明涉及用于在已有表面上喷涂高性能、弹性涂层的热喷涂(TS)处理，并且还涉及用于生成高性能、弹性成形的物体的近终形状制造。在优选实施例中，本发明涉及一种用于简单且有效地朝衬底加速和可选地加热粉末颗粒的新的方法和装置。该可选的加热可例如在激波接触粉末颗粒或驱动粉末颗粒移动时发生。该新方法和装置可实现这样的颗粒速度和温度范围，即该范围会导致较少的归因于所使用的推进剂气体混合物的非活性本质和/或用于加速所使用的推进剂气体混合物的机械装置的粉末降解。可获得的速度和温度范围以及对在撞击衬底之前的颗粒的化学组成和显微结构的非常好的控制可导致与现有技术的方法可实现的那些相比质量更高的涂层或近终形状。本发明还包括使用激波发生器以产生移动的激波，该激波可产生最初静止的气体的速度和温度。此流动气体然后被用于将粉末颗粒加速并可选地加热到希望的撞击速度和温度。
本发明的方法包括生成激波或合并成激波的压缩波，并迫使其通过在静止气体中容纳原料粉末的喷枪。
在所选择的实施例中，本发明使用被指引通过容纳静止气体的喷枪的压缩波。压缩波行进到该喷枪内并合并成激波，该激波朝喷枪的出口移动。激波通过喷枪会诱导后面的最初静止的气体的流动和可选的加热。此气流被用于朝衬底加速并可选地加热最初存在于喷枪内的原料材料。优选地，此工艺以预定的频率循环进行。此外，喷枪和待喷涂的表面可相对于彼此移动以便在更大表面区域上喷涂。
如上所述，激波的通过可导致或不导致喷枪内颗粒材料的加热。优选地，颗粒材料的任何加热都将不足以(或至少基本上不足以)导致颗粒材料的甚至部分熔化。这样，颗粒材料将基本上以固体形式被从喷枪喷出，并且在撞击衬底的表面时变形和/或熔合。在所选择的实施例中，本发明的方法包括使用预加热步骤，在激波通过之前甚至在颗粒材料进入喷枪之前预加热颗粒材料。此预加热使颗粒材料的温度相对于周围温度升高，但是优选地预加热不足以使颗粒材料熔化或部分熔化。通常，颗粒材料的这种预加热可将颗粒材料加热到20℃到1200℃，但是预加热温度可根据应用、颗粒材料的本质和/或颗粒材料将沉积在其上的衬底甚至超出此范围变化。在一些实施例中，需要进行预加热以确保颗粒材料的延性或展性足以允许材料在撞击表面时变形和/或熔合。下文将参照示例详细说明这种实施例。优选地，颗粒材料的任何预加热将导致在颗粒材料注入喷枪期间和之后、在颗粒材料通过喷枪期间以及颗粒材料从喷枪喷出并喷射到衬底上时颗粒材料的温度升高。例如，颗粒材料可在注入喷枪之前被预加热，然后差不多在注入喷枪之后马上遇到激波，从而颗粒材料在从喷枪喷射出之前不会有时间发生任何明显程度的冷却。在其他实施例中，喷枪内的气体可被预加热，并且这足以使颗粒材料在进入或通过喷枪期间获得足够的热量，以获得必要的延性或展性品质。
本发明的方法可通过任何合适的装置执行，该装置包括用于生成一个或多个激波的任何部件，和使用这些激波以根据需要将颗粒材料投射到表面上的任何部件。尽管下文将参照特定装置及其组件进一步说明本发明，但是这种装置及其组件绝不是限制本发明的方法的范围。
喷枪
喷枪的构造可具有很大的变化。例如，喷枪可包含圆形、矩形、正方形或适于实现希望的喷涂特性的任何需要的横截面形状的管或筒。优选地，筒的内部形状可适合于将在其上喷涂的物件或将形成的希望的涂层或固体物体的形状。喷枪的横截面优选地是均匀的，但是在特定实施例中可沿喷枪的长度改变例如以补偿空气动力学效应如沿喷枪长度的边界层效应。
在工艺开始时，至少在所选择的实施例中，喷枪可在一端封闭(喷枪入口)而在另一端打开(喷枪出口)，并充满静止气体。该气体优选地是惰性气体例如氦或氮或它们的混合物，但是还可使用其他气体和混合物。在工艺开始时或接近开始时喷枪内--优选地在喷枪入口附近--存在一定数量的原料材料。
一设备例如阀然后使喷枪入口打开并允许激波或压缩波进入喷枪。这些波朝喷枪出口行进，并且如果需要的话合并以形成朝喷枪出口行进的激波。此激波通过喷枪会诱导其后面的最初静止的气体的流动和加热。此气流然后沿筒的长度的至少一部分加速(并优选地加热)原料材料，使其在喷枪出口处并朝向衬底离开喷枪。在撞击衬底时，原料材料根据其撞击速度和温度至少部分地变形和/或至少部分地使衬底材料变形。这样，原料材料粘附在衬底上。不希望被理论限制，此粘附最可能包含机械粘合和/或冶金粘合以从而形成涂层。
在优选实施例中，筒或管状构件内的气体或气体混合物在连续的激波之间返回到或接近静止状态，或者返回到或接近大气压力。
此工艺优选地以预定频率循环地重复。
在本发明的优选实施例中，喷枪使得前述工艺可优选地以预定频率以循环方式重复。例如，为了有助于这一点，喷枪可用能够承受喷枪内的气体的压力和温度并且将使与气体和原料材料的反应最小化的材料制成。喷枪的长度可根据将被加速的原料材料和获得需要的涂层和涂层特性所需的颗粒撞击速度和温度而改变。优选地，喷枪的长度可从1cm到2m改变。如果应用需要喷枪可弯曲。
粉末注射
优选地，可在激波通过之前、在喷枪内的气体静止或接近静止的同时，使用机械装置例如与热喷涂工艺内所使用的相似或相同的粉末加料器在入口附近将原料粉末注入喷枪。当激波被“注射”入枪筒时(或者，当合并成激波的压缩波被注入时)并且当原料粉末被朝衬底加速时，阀封闭粉末加料器和喷枪之间的通道。在喷枪内的压力达到或接近环境压力水平之后该阀打开。然后，在循环工艺(即，激波脉冲)的情况下，在下一个激波通过之前在喷枪内注入另一批次的粉末。优选地，原料粉末在压力下被注入喷枪的内腔。这在如下情况下尤其有用，即，在激波之间喷枪的内部压力没有减小到或接近大气压力或者该装置周围环境的外部压力。
喷枪内的静止气体可被预加热。优选地使用可避免任何气体污染的电加热器来预加热气体。
在优选实施例中，可正好在激波通过喷枪之前将颗粒材料注入喷枪。
压缩波发生器
优选地使用通过阀连接到喷枪入口的压缩波发生器生成激波或压缩波。在阀打开之前，该发生器填充有气体、优选地为惰性气体例如氦或氮或它们的混合物，但是可使用其他气体和混合物。压缩波发生器内的气体优选地处于高于150kPa的压力下，并优选地处于高于0℃的温度下。只要它们能够承受气体的压力和温度，则发生器可以是管、柔性软管或其他容器。只要其能够承受气体的压力和温度则也可使用柔性软管。通过使用优选地处于200kPa和20MPa之间的压力下且优选地处于20℃和1200℃之间的温度下的气体填充此激波发生器生成激波。
一旦发生器充满处于希望的压力和温度下的气体，则迅速打开连接发生器和喷枪的阀，在发生器和喷涂管之间的界面处生成(压缩波)，从而使压缩波远离发生器移动并朝喷涂管的端部在喷涂管内的静止气体中行进。优选地，这些压缩波合并以形成诱导喷枪内的在其后面的气体流动的激波。同时，在发生器/喷枪界面处还生成膨胀波，该膨胀波在发生器内传播，降低发生器内的气体压力。
一旦已经被装入喷枪的颗粒已经撞击衬底(或者在颗粒撞击衬底之前不久)，则连接激波发生器和喷枪的阀关闭，并且发生器被再次填充以高压气体，同时新的固体颗粒被引入喷枪，如果希望的话可循环地重复该操作以建立涂层。
在优选实施例中，发生器内的气体可被预加热。优选地使用可避免任何气体污染的电加热器预加热气体。阀的打开和关闭优选地是自动的，其频率基于喷枪和发生器的操作参数和尺寸。
至少在优选实施例中，希望与使用现有的热喷涂装置和方法涂覆的涂层相比，使用本发明涂覆的涂层更浓厚、更坚固、更均匀、具有更低的残余应力、更高的粘合强度并且相对于最初的原料粉末发生更少的氧化、化学和/或显微结构改变。本发明的工艺允许非活性的气体/混合物推进剂同时达到高速和中等温度(在500-1500m/s和20℃-1200℃的范围内)。此温度范围以及行进期间的非活性环境导致涂层质量提高。
不希望被理论限制，至少在优选实施例中，文中所述的装置和方法与选定的现有技术的方法和装置相比提供了以下特殊特征：
1-该装置包括简单的喷枪几何构造，例如不具有达到高气体速度所需的会聚/发散喷嘴，从而该装置的设计和制造更简单且更便宜。
2-可根据应用使用各种喷枪横截面(圆形、正方形、矩形、椭圆形等)。
3-由于不存在会聚部分，所以在喷枪内不会发生(或至少减少了)原料颗粒的堵塞，因此可在不中断的情况下实现更长的喷涂时间，从而提高生产率。
4-由于简单的喷枪几何结构，喷枪截面可在数秒钟内被容易地改变以适应特定类型的材料对较长加速区域的要求或不同的操作参数。
5-由于喷枪的简单几何结构，该喷枪可被容易地弯曲以允许对内径或难以到达的表面进行喷涂。
6-原料的注射优选地在两个激波通过之间、在喷枪内的注射位置处的压力返回到或接近大气压力时进行。因此，可使用简单和便宜的粉末加料系统。
7-由于气流的瞬态本质，可实现加速颗粒的气体使用的接近最优化，这会导致操作成本降低。
8-已经记录到高沉积效率(高于70％)。
9-由于如果气体被预加热则在激波通过之后可实现高气体温度，所以可喷涂陶瓷。
10-由于喷枪不是会聚-发散喷嘴(忽略边界层效应)，所以颗粒暴露在准恒速的流中，使到颗粒的动量传递最大。
11-由于喷枪不是会聚-发散喷嘴(忽略边界层效应)，所以颗粒暴露在准恒温的流中，使到颗粒的热传递最大。
12-通过设定最初静止气体的温度和/或在激波通过之前或在进入本发明的装置的管状构件之前预加热颗粒材料，可预先设定颗粒在加速期间将暴露在其中的温度。
13-比现有技术的许多方法噪声低。
14-在特定实施例中，衬底需要稍微加热或无需加热。
15-可实现真正的冶金粘合而不仅仅是机械粘合。
16-没有可燃气体，本发明的装置和方法的安全性提高。
17-不需要真空系统。
与现有技术的冷喷涂装置和方法(其中，最初气体温度保持低于原料材料的熔化或软化温度)共有的特征如下：
1-原料材料没有熔化或软化，因此没有化学变化和/或相变。由于没有晶粒生长，所以可喷涂纳米晶体材料、亚稳态材料和温度敏感的材料。
2-如果使用氮或氦，则涂层和衬底发生很少的氧化或无氧化。
3-可重复利用没有粘附在衬底上的粉末。
4-可实现近终成形。
5-很少或没有过喷涂，所以遮蔽可减小到最小或不需要遮蔽。
6-需要最少的表面准备。
7-可生成可高度机械加工的涂层。
8-涂层的均匀的显微结构。
9-最小的残余应力。
10-没有有毒气体或化学反应。
11-宽范围的涂层(Cu、Al、Zn、Fe、铝合金、金属陶瓷等)。
12-可由于高撞击速度而消除喷涂之前的喷丸清理。
13-高速度允许以更大的喷射角实现高质量涂层。
14-减少衬底加热。
15-先进的操作模式，包括从一个脉冲到另一个脉冲以交替的顺序为多个粉末类型使用多个粉末加料口，允许生成功能分级的涂层。
16-涂层的高密度。
17-涂层的高导热性和导电性。
18-高度精炼的显微结构-高硬度。
19-很好地遵循衬底轮廓。
在回顾整个公开时，本发明的这些以及其他和另外的优点和特征对于技术人员是显而易见的。应理解，本发明也存在其他和不同的实施例，并且它的一些细节能够在许多明显的方面进行修改，这些都不会背离本发明的范围。因此，下面的示例和附图以及说明都在本质上被认为是示例性的而不是限制性的。
示例
示例1-激波通过之后在本发明的装置的喷枪内诱导的气体速度和温度
下表给出了激波通过之后在本发明的装置的喷枪内诱导的气体速度和温度随激波发生器内的初始压力和温度的变化。在表1和3中使用氦而在表2和4中使用氮。预测结果的表是基于本领域公知的一维气体动力学理论。
表1
| 激波发生器内的初始气体压力(Mpa) | 激波发生器内的初始气体温度(℃) | 在喷枪内诱导的气体速度(m/s) | 在喷枪内诱导的气体温度(℃) |
| 1 | 20 | 685 | 180 |
| 1 | 100 | 770 | 304 |
| 1 | 400 | 1060 | 768 |
| 1 | 800 | 1262 | 403 |
| 3 | 20 | 995 | 282 |
| 3 | 100 | 1121 | 434 |
| 3 | 400 | 1613 | 670 |
| 3 | 800 | 2013 | 815 |
| 5 | 20 | 1132 | 336 |
| 5 | 100 | 1373 | 454 |
| 5 | 400 | 1872 | 821 |
| 5 | 800 | 2400 | 1093 |
表2
| 激波发生器内的初始气体压力(Mpa) | 激波发生器内的初始气体温度(℃) | 在喷枪内诱导的气体速度(m/s) | 在喷枪内诱导的气体温度(℃) |
| 1 | 20 | 281 | 146 |
| 1 | 100 | 332 | 174 |
| 1 | 400 | 432 | 235 |
| 1 | 800 | 512 | 293 |
| 3 | 20 | 420 | 227 |
| 3 | 100 | 502 | 285 |
| 3 | 400 | 675 | 434 |
| 3 | 800 | 821 | 590 |
| 5 | 20 | 480 | 270 |
| 5 | 100 | 579 | 347 |
| 5 | 400 | 794 | 560 |
| 5 | 800 | 983 | 796 |
用于生成关于表1和2的更准确的预测的使用包含流体动力学的公知定律的一维气体动力学理论的改进的理论模型研究。这些改进的模型研究如下面的表3和4所示。
表3
| 激波发生器内的初始气体压力(Mpa) | 激波发生器内的初始气体温度(℃) | 在喷枪内诱导的气体速度(m/s) | 在喷枪内诱导的气体温度(℃) |
| 1 | 20 | 685 | 180 |
| 1 | 100 | 737 | 197 |
| 1 | 400 | 869 | 239 |
| 1 | 800 | 976 | 468 |
| 3 | 20 | 995 | 282 |
| 3 | 100 | 1079 | 315 |
| 3 | 400 | 1297 | 406 |
| 3 | 800 | 1480 | 493 |
| 5 | 20 | 1132 | 336 |
| 5 | 100 | 1233 | 378 |
| 5 | 400 | 1495 | 500 |
| 5 | 800 | 1720 | 621 |
表4
| 激波发生器内的初始气体压力(Mpa) | 激波发生器内的初始气体温度(℃) | 在喷枪内诱导的气体速度(m/s) | 在喷枪内诱导的气体温度(℃) |
| 1 | 20 | 286 | 135 |
| 1 | 100 | 307 | 146 |
| 1 | 400 | 359 | 229 |
| 1 | 800 | 401 | 557 |
| 3 | 20 | 420 | 212 |
| 3 | 100 | 455 | 234 |
| 3 | 400 | 542 | 298 |
| 3 | 800 | 615 | 441 |
| 5 | 20 | 484 | 254 |
| 5 | 100 | 524 | 284 |
| 5 | 400 | 629 | 370 |
| 5 | 800 | 719 | 454 |
示例2-根据本发明的装置的激波的实际生成和运动
不希望被理论限制，本发明人已经认真研究了在本发明的装置和方法呈现的特征背后的推论，如下所述。
参照图1，最初在喷枪内(区域1)的气体和最初在激波发生器内(区域4)的气体可具有不同的本质并处于不同的温度。区域1内的气体具有低于区域4内的气体的压力(通常是大气压力或更低)，区域4内的气体通常处于高于大气压力的压力。
参照图2，当阀被迅速打开时，由于在区域1和4之间的界面处发出的合并的压缩波而生成激波。此激波传播到喷枪内的静止气体内。同时，可在区域1和4之间的界面处生成和发出膨胀波。那些波没有合并而是全部单独地行进到激波发生器内的静止气体内。
参照图3，激波在喷枪内的区域1内的静止气体内向右行进。激波速度依赖于区域1和4之间的初始压力比以及区域1和4中的初始温度。激波的经过增加了在其后面(区域2)的气体的压力和温度，并在激波后面诱导出向右的气体速度。
最初位于喷枪内的气体和最初位于激波发生器内的气体之间的界面称为接触面，并且其也向右移动，但是以低于区域2内的气体的速度移动。该接触面将区域2(容纳已经被激波加速的最初位于喷枪内的气体)和区域3(容纳最初位于激波发生器内的并且已经通过膨胀波膨胀的气体)分隔开。尽管通过此界面的熵的变化不连续，但是区域2和3内的压力如果不相同的话可相似。
参照图4，膨胀波在区域4内生成并连续传播，使区域4内的压力平滑地降低到在该膨胀波后面、在区域3内的较低值。
示例3-本发明的装置内的气体条件的分析
所生成的激波的强度、以及因此在四个区域内诱导出的气体速度和温度主要由喷枪和激波发生器内的初始气体条件确定。不希望被理论限制，本发明已经将气体动力学的基本理论应用于本发明的方法，以考虑在激波生成、激波通过本发明的装置以及颗粒被投射到衬底上期间本发明的装置内的条件。
图5为示意性地示出在本发明的典型装置内行进的激波、接触面、第一个和最后一个膨胀波随时间变化的位置的时间-位置(t-x)图的一个示例。
图6为示意性地示出在特定位置(x2)的该装置内的与时间有关的气体速度的速度-时间(u-t)图的一个示例。
图7为示意性地示出在特定时间(t2)的该装置内的与位置有关的气体速度的速度-位置(u-x)图的一个示例。
图8为示意性地示出在特定时间(t2)的该装置内的与位置有关的气体压力的压力-位置(p-x)图的一个示例。
图9为示出在特定时间(t2)的该装置内的与位置有关的气体温度的温度-位置(T-x)图的一个示例。
示例4-根据本发明的方法生成的衬底涂层的扫描电镜图像
图10为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像。
图11为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像。
图12为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的铜涂层的扫描电镜图像(Cu表现为浅灰色层，Al表现为深灰色层)。
图13为使用本发明的装置沉积的铝衬底上的铜涂层的扫描电镜图像(Cu表现为浅灰色层，Al表现为深灰色层)。
铜、铝合金、镍、钛和羟磷灰石是已经使用本发明的装置和方法成功喷涂的材料的示例。
从图10到13可注意到根据本发明的方法生成的涂层具有基本均匀的结构，具有高密度，并且在沉积的材料内或在沉积的材料和衬底表面之间的界面处具有很少的孔隙或者没有孔隙。
示例5-本发明的典型方法
图14示意性地示出本发明的典型方法。该方法用于将颗粒材料沉积在衬底的表面上，从而在沉积时或之后，颗粒材料至少部分地与所述表面和/或自身熔合以形成实体或涂层。如图所示，该方法包括步骤100和步骤101，在步骤100中，将所述颗粒材料放置在具有喷涂端的并容纳有气体或气体混合物的管状构件内；在步骤101中，使至少一个激波朝所述喷涂端沿所述管状构件行进，并朝所述表面离开所述管状构件，至少一些所述颗粒材料随着所述激波或在其附近行进，并且被以这样的速度投射到所述表面上，即该速度足以导致在撞击所述表面时所述颗粒材料和/或所述表面至少发生部分变形。
图15内示出本发明的优选方法。除了附加步骤102之外，此方法如果不相同于也类似于图14内所示的方法。在步骤102中，在将颗粒材料放置在管状构件内的步骤100之前预加热颗粒材料。优选地，预加热在不导致颗粒材料熔化的情况下加热颗粒材料。更优选地，预加热将颗粒材料加热到100℃到1200℃。在本发明的其他实施例(未示出)中，预加热颗粒材料的步骤102可在步骤100和101之间发生，或者与步骤100同时发生。
通过总体上阅读本说明书，另外的方法、另外的步骤和其他实施例将是显而易见的。
示例6-根据本发明的方法生成的衬底涂层的另外的扫描电镜图像
图16为使用本发明的装置沉积的纳米晶体铝合金涂层的扫描电镜图像。
图17为使用本发明的装置沉积的纳米晶体铝合金(Al-12Si)涂层的扫描电镜图像。
示例7-通过商用激光诊断系统测量的平均颗粒速度
进行研究以测量从本发明的装置喷射出的颗粒材料的速度。为此使用商用激光诊断系统。下面的表5给出了7次单独试验的结果：
表5
| 测量试验号 | 平均颗粒速度 |
| 1 | 605m/s |
| 2 | 707m/s |
| 3 | 698m/s |
| 4 | 691m/s |
| 5 | 701m/s |
| 6 | 705m/s |
| 7 | 718m/s |
示例8-根据本发明的方法生成的衬底涂层的光学显微图像，其中颗粒材料在进入本发明的装置的管状构件或喷枪之前被预加热
图18为使用本发明的装置沉积在铝衬底上的非晶态不锈钢粉末生成的不锈钢涂层的光学显微图像。不锈钢粉末在插入喷枪之前被预先加热到350-400℃。粉末然后在有时间充分冷却之前被注入喷枪，并且迅速遇到激波以从喷枪喷射出粉末并将其喷射到铝衬底的表面上。应注意，上部的深灰色层包含被压实以形成没有或基本没有间隙的基本均匀的层的不锈钢颗粒。这种不锈钢层的形成难以或基本上不可能在不预加热不锈钢粉末的情况下使用本发明的方法实现。
在不锈钢层(深灰色)和铝衬底(浅灰色)之间的界面处存在一些在撞击铝衬底时没有变形的不锈钢颗粒。相反，这些颗粒嵌入或部分嵌入铝衬底的较软的顶层。但是，当不锈钢层开始形成时，不锈钢颗粒的撞击可能/大概会导致颗粒变形和熔合以形成所示的层(深灰色)。
尽管已经参照一些实施例和示例说明了本发明，但是本发明的范围绝不局限于此。另外的用于粉末或颗粒材料的沉积的装置和方法在本发明的范围内。
Claims (53)
1.一种方法，该方法用于将颗粒材料沉积在表面上，以便在沉积时或之后该颗粒材料至少部分地与所述表面和/或颗粒材料本身熔合以形成该表面上的实体或涂层，该方法包括以下步骤：
(1)将所述颗粒材料放置在具有喷涂端并容纳有气体或气体混合物的管状构件内；
(2)使至少一个激波朝所述喷涂端沿所述管状构件行进，并朝所述表面离开所述管状构件，至少一些所述颗粒材料随着所述激波或在其附近行进，并且被以这样的速度投射到所述表面上，即该速度足以导致在撞击所述表面时所述颗粒材料和/或所述表面至少发生部分变形，并且所述颗粒材料与所述表面和/或如果存在的话已经被沉积在所述表面上的颗粒材料熔合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该步骤(1)和(2)重复两次或更多次。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，该步骤(1)和(2)重复多次从而在一连串脉冲中沉积所述材料。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在使所述至少一个激波沿所述管状构件行进的步骤之前，该方法还包括以下步骤：
加热所述颗粒材料和/或所述气体或气体混合物。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，加热步骤包括将所述颗粒材料加热到这样的温度，即该温度足以提高所述颗粒材料的颗粒的延性和/或展性，但是基本上不足以使所述颗粒熔化或部分熔化。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于，加热步骤包括在将所述颗粒材料放置在所述管状构件内的步骤之前加热所述颗粒材料。
7.根据权利要求4的方法，其特征在于，加热步骤包括将颗粒材料加热到20到1200℃。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述至少一个激波沿所述管状构件通过使得加热在所述激波处或附近的所述气体或气体混合物，从而加热所述颗粒材料。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于，该气体或气体混合物在与所述颗粒材料和/或所述管状构件的反应性方面基本上保持惰性。
10.根据权利要求1的方法，其特征在于，颗粒材料以从大约500m/s到大约1500m/s的速度离开所述喷涂端。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于，颗粒材料在从大约20℃到大约1200℃的温度下离开所述喷涂端。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于，激波是由包含室的激波发生器生成的，该室容纳有气体或气体混合物，该气体或气体混合物的压力高于所述管状构件内的所述气体或气体混合物的压力，该室内的气体或气体混合物被释放到所述管状构件内以生成所述激波。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，在所述释放之前，所述室内的所述气体或气体混合物的压力为从大约200kPa到大约20MPa，并且所述管状构件内的所述气体或气体混合物的压力为或接近大气压力。
14.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述释放步骤包括打开所述室和所述管状构件之间的阀。
15.根据权利要求1的方法，其特征在于，激波是通过化学或爆炸反应生成的。
16.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述放置步骤包括通过所述管状构件的壁注射所述颗粒材料并注入所述管状构件的内腔。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述注射步骤在或接近所述激波沿所述管状构件通过时发生。
18.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述表面和所述管状构件可相对于彼此移动，以允许所述材料沉积在所述表面的希望的范围或区域上。
19.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述管状构件具有沿其长度基本上均匀的横截面面积。
20.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述管状构件的长度为从大约1cm到大约2m。
21.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述颗粒材料包括金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物或非晶态材料。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于，所述颗粒材料包括铜、铝、镍或羟磷灰石。
23.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述表面包含金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷或聚合物。
24.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述管状构件包含金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷或聚合物。
25.一种装置，该装置用于将颗粒材料沉积在表面上，以便在沉积时或之后该颗粒材料至少部分地变形并与所述表面和/或颗粒材料本身熔合以形成该表面上的实体或涂层，该装置包括：
用于接收所述颗粒材料的管状构件，所述管状构件具有喷涂端并容纳有气体或气体混合物；
激波发生器，该激波发生器用于生成至少一个激波，并使所述至少一个激波朝所述管状构件的所述喷涂端沿所述管状构件行进，并朝所述表面离开所述管状构件，至少一些所述颗粒材料随着所述激波或在其附近行进，并且被以这样的速度投射到所述表面上，即该速度足以导致在撞击所述表面时所述颗粒材料和/或所述表面至少发生部分变形，并且所述颗粒材料与所述表面和/或如果存在的话已经被沉积在所述表面上的颗粒材料熔合。
26.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器可连续生成两个或更多个激波。
27.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器生成多个连续的激波，由此从所述管状构件的所述喷涂端生成所述颗粒材料的一连串脉冲。
28.根据权利要求21的装置，其特征在于，所述装置还包括预加热部件，该预加热部件在所述激波沿所述管状构件通过之前预加热所述颗粒材料和/或所述气体或气体混合物。
29.根据权利要求28的装置，其特征在于，该预加热部件将所述颗粒材料加热到这样的温度，即该温度足以提高所述颗粒材料的颗粒的延性和/或展性，但是基本上不足以使所述颗粒熔化或部分熔化。
30.根据权利要求28的装置，其特征在于，该预加热部件在将所述颗粒材料注入所述管状构件之前加热所述颗粒材料。
31.根据权利要求28的装置，其特征在于，该预加热部件将颗粒材料加热到20到1200℃。
32.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述至少一个激波沿所述管状构件通过使得加热在所述激波处或附近的所述气体或气体混合物，从而加热所述颗粒材料。
33.根据权利要求25的装置，其特征在于，在所述至少一个激波沿所述管状构件通过以及所述颗粒材料朝所述表面投射期间，该气体或气体混合物在与所述颗粒材料和/或所述管状构件的反应性方面基本上保持惰性。
34.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器生成具有这样的速度的激波，即该速度足以使颗粒材料以从500m/s到1500m/s的速度离开所述喷涂端。
35.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器生成具有这样的速度的激波，即该速度足以使颗粒材料在从20℃到1200℃的温度下离开所述喷涂端。
36.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器包含室，并且通过向该室填充压力高于所述管状构件内的所述气体或气体混合物的压力的气体或气体混合物、并将加压气体或气体混合物释放到所述管状构件内来生成每个激波。
37.根据权利要求36的装置，其特征在于，在所述释放之前，所述室内的所述气体或气体混合物的压力在大约200kPa和大约20MPa之间，并且所述管状构件内的所述气体或气体混合物的压力为或接近大气压力。
38.根据权利要求36的装置，其特征在于，所述装置还包括所述室和所述管状构件之间的阀，并且所述释放包括打开所述阀。
39.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述激波发生器包括化学或爆炸反应部件，并且由所述化学或爆炸反应部件导致的化学或爆炸反应生成所述激波。
40.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述装置还包括用于优选地在或接近通过所述激波发生器生成每个激波时将所述颗粒材料的一部分放置到所述管状构件内的入口部件。
41.根据权利要求25的装置，其特征在于，在所述管状构件的邻近所述激波发生器的、与所述喷涂端相对的端部处将所述颗粒材料的每一部分注入所述管状构件。
42.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述表面和所述管状构件可相对于彼此移动，以允许所述材料沉积在所述表面的希望的范围或区域上。
43.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述管状构件具有沿其长度基本上均匀的横截面面积。
44.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述管状构件的长度为从大约1cm到大约2m。
45.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述颗粒材料包括金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、聚合物或非晶态材料。
46.根据权利要求45的装置，其特征在于，所述颗粒材料包括铜、铝、镍、钛或羟磷灰石。
47.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述衬底包含金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷或聚合物。
48.根据权利要求25的装置，其特征在于，所述管状构件包含金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷或聚合物。
49.根据权利要求25到49中任一项的装置用于将颗粒材料沉积在表面上从而在所述表面上形成所述材料的至少一个层的应用。
50.通过根据权利要求1到24中任一项的方法沉积颗粒材料所形成的材料。
51.根据权利要求50的材料，其特征在于，该材料在衬底上形成涂层或局部涂层。
52.根据权利要求51的材料，其特征在于，该材料形成近终形状。
53.根据权利要求50的材料的应用。
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