CN102534453B - 一种用于模拟颗粒沉积成型的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热喷涂及快速成型领域，尤其涉及一种用于模拟颗粒沉积成型的试验装置及方法。本发明采用电弧加热的方式在钨坩埚内熔化材料，通过脉冲气体控制系统向钨坩埚内注入氩气，使钨坩埚与外界达到较大压差，从而使熔融金属从钨坩埚底部的孔喷射出，通过调整脉冲频率控制喷射熔滴的尺寸，调整氩气的注入方式，实现熔滴的逐滴喷射或均匀连续的喷射；通过调整升降平台位置可以控制熔滴的坠落高度；加热设备结合热电偶与温控仪可以控制基体的温度。本发明特别适合于难熔材料的熔化沉积，制备的高温熔滴尺寸均一、坠落高度、速度可调，且坠落位置精确。

Description

一种用于模拟颗粒沉积成型的试验装置及方法

技术领域

本发明属于热喷涂及快速成型领域，尤其涉及一种模拟单个熔化颗粒撞击基材逐层堆积形成涂层及工件的试验方法及其相关装置。

背景技术

热喷涂涂层是由大量高温熔滴撞击到基体表面变形、铺展、凝固冷却变形后形成的扁平颗粒逐层堆积形成的，涂层的质量与单个扁平颗粒的形成过程密切相关。然而，热喷涂形成的单个熔滴粒径小（直径为10～120μm）、熔滴撞击基体的速度快（100～300m/s），熔滴的扁平化过程作用时间短暂（10～20μs），很难直接观察单个熔滴的扁平化过程。在热喷涂领域，研究者普遍认为利用相似性原则设计的低速大熔滴下落模拟试验，可作为研究热喷涂涂层形成的重要手段。

喷射成形技术，是将熔融金属或合金通过高压惰性气体雾化，形成颗粒喷射流，直接喷射在相对较冷的基体上，经过碰撞、聚集、凝固而形成沉积件的制造方法。该方法集中了快速凝固、半固态加工以及近终型成形等工艺的优点，在工业领域有着广泛的应用。然而，喷射成形时由于雾化形成的金属熔滴大小不一，工艺控制不当时，零件致密度差，孔隙度高，产品质量不理想，采用尺寸、温度速度可调的模拟试验装置可以为分析工件喷射成型机理提供保障。

日本Fukumoto等人采用高频加热设备加热并熔化金属丝材，产生的金属熔滴长大到一定尺寸后就会在重力的作用下自由下落并撞击到基体表面，进而发生扁平变形。法国Vardelle等人采用感应等离子加热线圈熔化金属丝材，国内李长久以及华侨大学张素芝等人也是采用感应加热装置熔化金属丝材，设计了毫米级熔滴坠落试验装置。然而，高频加热设备和感应加热设备成本较高且加热能力有限，只能用于低熔点材料的模拟实验，而无法对陶瓷涂层，高熔点金属涂层（如钼）进行模拟实验。

发明内容

针对上述高温大熔滴坠落模拟试验装置中存在的缺陷，本发明旨在提出一种结构简单、经济方便的可用于模拟单个熔化颗粒撞击基材逐层堆积形成涂层及工件的方法及其相关装置。

本发明的目的由以下措施构成的技术方案来实现：

一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，包括升降台装置、熔化装置、脉冲气体控制系统、摄像装置，以及控温预热装置，其中，升降台装置包括丝杠、光杆、滑块、升降平台、底部平台，丝杠与光杆通过滑块连接，垂直固定在底部平台上，升降平台连接在滑块上；熔化装置固定在升降平台上，它包括钨坩埚、铜坩埚、以及电弧加热设备。电弧加热设备的钨极从铜坩埚顶部穿过，固定在靠近钨坩埚内壁处，钨坩埚放置在铜坩埚内部并与之焊接固定，铜坩埚侧壁连接三通气阀分为两路，一路通过管路连接脉冲气体控制系统，然后与氩气气瓶经减压阀减压后分出的高流量的气路连接，一路直接通过管路与氩气气瓶经减压阀减压后的小流量的气路连接；在钨坩埚正下方的底部平台上固定控温预热装置，包括加热设备、热电偶以及温控仪。在加热设备的上方放置基体，热电偶固定在基体上表面，然后与温控仪连接，在加热设备旁边固定摄像装置，拍摄高温熔滴的下落过程。

本发明的模拟颗粒沉积成型的试验装置，铜坩埚底部布置有环形水冷槽，顶部预置观察窗口；钨坩埚底部开孔，其直径范围在1.5～3mm之间；脉冲气体控制系统，可实现氩气的单次注入与连续注入，其脉冲频率在1～100Hz之间。

本发明同时提供一种上述的模拟颗粒沉积成型的试验装置所采用的成型方法，它包括以下步骤：

1)在钨坩埚中加入需熔炼的材料，并密封；

2)调整升降台到预定高度，打开氩气瓶向钨坩埚内充入氩气，氩气流量为2～5L/min；

3)待钨坩埚内空气排尽后，接通冷却水，启动电弧加热设备，在钨极与钨坩埚内壁间起弧熔化坩埚内材料，起弧电流为80～120A；

4)待材料完全熔化后，启动脉冲气体控制系统，向钨坩埚内通入氩气，氩气流量15～20L/min，使钨坩埚与外界达到较大压差，从而使熔融金属从钨坩埚底部的孔喷射出，通过脉冲气体控制系统，调整氩气的注入方式实现熔滴的逐滴喷射或连续喷射。

5)根据摄像装置所拍摄的熔滴图像计算出熔滴的直径，调整脉冲频率和氩气流量，从而获得设定尺寸的均匀熔滴。

本发明具有如下的有益效果：

1本发明采用电弧加热的方式熔化材料，经济适用，尤其适用于难熔材料的熔化坠落，且可方便的实现熔滴的逐滴坠落与均匀连续坠落；

2本发明工艺可控性强，可方便的通过调整脉冲气体控制系统的脉冲频率控制钨坩埚与外界的压差，减少产生的金属熔滴与设定熔滴尺寸的误差，从而获得均匀尺寸的金属颗粒；

3本发明在钨坩埚内实现氩气保护，能防止材料在熔化的过程中发生氧化；

4本发明可直接制备在大小、形状和热力学条件等方面均一化的颗粒，并能保证颗粒准确的坠落在预设位置且坠落高度可调。

附图说明

图1本发明的模拟颗粒沉积成型的试验装置示意图

图2本发明制备的高温钼熔滴沉积在不锈钢基材上的表面形貌图

附图中各代号含义：1丝杠，2光杆，3滑块，4升降平台，5底部平台，6钨坩埚，7孔，8铜坩埚，9观察窗口，10钨极，11环形水冷槽，12电弧加热设备，13三通气阀，14脉冲气体控制系统，15减压阀，16氩气气瓶，17，温控仪18摄像装置，19基体，20热电偶，21加热设备。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详述：

1参见图1，本发明的模拟颗粒沉积成型的试验装置包括钨坩埚6，铜坩埚8，钨极10，电弧加热设备12，脉冲气体控制系统14，钨坩埚6底部开孔7，固定在铜坩埚8内部，铜坩埚底部布置环形水冷槽11，顶部预置观察窗口9，电弧加热设备12的钨极10，穿过预置窗口固定在钨坩埚内壁处，在铜坩埚的侧壁连接三通气阀13。

2氩气气瓶16经减压阀15减压后，分为两路，一路先连接脉冲气体控制系统14，然后再连接到三通气阀13，一路直接连接到三通气阀13。

3丝杠1、光杆2，通过滑块3固定连接，然后整体固定在底部平台5上，升降平台4固定在滑块3上。

4钨坩埚正下方的底部平台5上固定加热设备21，在加热设备21上放置基体19，基体19表面预置热电偶20，热电偶20，加热设备21通过连线与温控仪17连接，在加热设备21旁边固定摄像装置18。

本实施例中，采用本发明的模拟颗粒沉积成型的装置制备高温熔滴的具体步骤如下：

（1）在底部开孔为2mm的钨坩埚中加入需熔炼的金属钼30g，并密封；

（2）调整升降台，设定升降台离基体高度为280mm，对钨坩埚内充入氩气，流量为2L/min，保证钨坩埚内充满氩气；

（3）接通冷却水，启动电弧加热设备，将钨极接触钨坩埚内壁起弧，熔化金属钼，起弧电流为100A；

（4）待钨坩埚内钼材料完全熔化后，启动脉冲气体控制系统，向钨坩埚内注入氩气，流量为20L/min，从而迫使熔滴从钨坩埚底部喷射而出；

（5）利用摄像装置拍摄熔滴的下落过程，结合图像计算熔滴的直径，然后再微调脉冲频率为50Hz，即可得到预定尺寸2.5mm的熔滴，其结果见图2，沉积在不锈钢基体上的单个钼颗粒呈典型的圆盘状。

Claims (5)

1.一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，包括升降台装置、熔化装置、脉冲气体控制系统以及控温预热装置，其特征在于，所述的升降台装置包括丝杠（1）、光杆（2）、滑块（3）、升降平台（4）、底部平台（5），丝杠（1）与光杆（2）通过滑块（3）连接，垂直固定在底部平台（5）上，升降平台（4）连接在滑块（3）上，所述的熔化装置固定在升降平台（4）上，它包括钨坩埚（6）、铜坩埚（8）、以及电弧加热设备（12），电弧加热设备（12）的钨极（10）从铜坩埚（8）顶部穿过，固定在靠近钨坩埚（6）内壁处，钨坩埚（6）底部开孔（7），放置在铜坩埚（8）内部并与之固定，铜坩埚（8）的底部布置环形水冷槽（11），侧壁连接三通气阀（13）分为两路，一路先经过脉冲气体控制系统（14），然后经过减压阀（15）与氩气气瓶（16）连接，一路经过减压阀（15）直接与氩气气瓶（16）连接，在钨坩埚（6）正下方的底部平台（5）上固定控温预热装置，包括加热设备（21）、热电偶（20）以及温控仪（17），在加热设备（21）的上方放置基体（19），热电偶（20）固定在基体（19）上表面，然后与温控仪（17）连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，其特征在于，所述铜坩埚（8）顶部预置观察窗口（9）。

3.根据权利要求1所述的一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，其特征在于，所述钨坩埚（6）底部的孔（7）直径范围在1.5～3mm之间。

4.根据权利1所述的一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，其特征在于，所述脉冲气体控制系统（14）脉冲频率在1～100Hz之间。

5.应用权利要求1所述的一种模拟颗粒沉积成型的试验装置进行模拟颗粒成型的方法，包括以下工艺步骤：

1)在钨坩埚中加入需熔炼的材料，并密封；

2)调整升降台到预定高度，打开氩气瓶向钨坩埚内充入氩气；

3)待钨坩埚内空气排尽后，接通冷却水，启动电弧加热设备，在钨极与钨坩埚内壁间起弧熔化坩埚内材料；

4)待材料完全熔化后，启动脉冲气体控制系统，向钨坩埚内通入氩气，氩气流量15～20L/min，使钨坩埚与外界达到较大压差，从而使熔融金属从钨坩埚底部的孔喷射出，通过脉冲气体控制系统，调整氩气的注入方式实现熔滴的逐滴喷射或连续喷射；

5)根据摄像装置所拍摄的熔滴图像计算出熔滴的直径，调整脉冲频率和氩气流量，从而获得设定尺寸的均匀熔滴。

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