CN102814248A

CN102814248A - 一种轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴

Info

Publication number: CN102814248A
Application number: CN2012102735198A
Authority: CN
Inventors: 黄国胜; 李相波; 邢路阔
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102814248B

Abstract

本发明属于冷喷涂技术领域，涉及一种轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴，圆筒柱状的喷嘴体后端部固定制有对接螺帽，后端部处的顶侧面上制有工作气体入口，后端内腔中制有锥筒状的喷嘴前气室，内腔中轴线上串通式固定制有送粉管，送粉管后端口对接制有缩放管，缩放管的后端伸出螺帽；送粉管与缩放管的对接处外套式制有延长管接口；前端口处外套式通过延长管固定螺孔固连式制有长筒状喷嘴延长管，喷嘴延长管后端部处连通制有延长管接口，喷嘴体的内腔中心处制有喷嘴喉部；喷嘴延长管的长度根据实际工作环境的压力和喷涂原料进行调节；其结构简单，原理可靠，制备技术成熟，虹吸气流稳定，送粉均匀，生产成本低效率高，环境友好，应用前景好。

Description

一种轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴

技术领域：

本发明属于表面处理工程的冷喷涂技术领域，涉及一种高压和低压两用式冷喷涂用的超音速喷嘴的新结构设计，特别是一种轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴。

背景技术：

冷喷涂作为一种新兴的表面处理工程新技术，是对传统的热喷涂技术的改进提高与发展，冷喷涂工艺技术的原理是在低温固态下，用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，具有许多传统热喷涂无法比拟的优点。目前使用的冷喷涂设备的具体工作原理为：高压源使气体产生高压，推动工作气及送粉气体加速；其加热器通常设有两套，分别使载粉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，经喉管进入喷嘴；工作气是产生高速的介质，进入枪膛前先在加热器内预热到100-1000℃的高温，以加速金属颗粒（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，所使用的喷嘴结构为收敛—扩散型laval喷嘴，以使气体达到超音速；喷嘴有不同的几何形式，喷涂气流随喷嘴的不同而呈现不同的流动状态，决定金属颗粒的速度和分布等参数，喷嘴是冷喷涂设备及其喷涂工艺过程中相当重要的部件。

目前，在冷喷涂过程中，最重要的是沉积材料粉末颗粒的最终撞击速度，只有高于临界速度，粉末材料才能沉积形成涂层，而颗粒的最终撞击速度与喷嘴的结构、工艺温度、工艺压力、基体形状和粉末特征等因素有关；现有的技术表明，喷嘴的结构不但影响到颗粒的最终撞击速度，还可以影响涂层的形状，甚至进而影响到整个设备的部件数量和构造，因此，喷嘴和喷枪的结构设计向来受到工程技术人员高度重视。美国专利2007022174620040191449《cold spray nozzledesign》6722584《cold spray nozzle system》6502767《advancedcold spray system》和6759085《methods and apparatus for lowpressure cold spraying》；中国专利200253384.7、96211942.3和200510083138.3；俄罗斯专利1674585；以及中国专利200410034941.3《具有粉末预热装置的冷喷涂设备》和ZL00253384.7《超音速冷喷涂装置》等公开的技术，都涉及到关于用于冷喷涂的喷枪的参数设计和结构设计，其共同特征在于下游送粉可以不必使用额外的高压送粉器，大大降低设备的复杂度，为实现现场施工，同时也能改善喷嘴易粘着堵塞的缺点。但是现有的这些技术涉及到的喷嘴普遍存在喷涂效率低和喷嘴壁面磨损快等共同缺点，通过中空型方式改善送粉特征，可以避免对壁面造成的损失，但是由于气流的特征，中心流速较低，不利于整体粉末加速；而且现有喷嘴结构的送粉流量控制范围有限，要达到所需求的送粉量，喉部的面积过大，对空压机或者气体管路的要求过高，施工时很多情况下难以适用这种条件。此外，由于高压、低压两种冷喷涂的膨胀比和对气体流量的要求差异较大，通常现有的喷嘴只能采用单独的喷嘴结构及其配合低压或高压喷涂方式；每一种工况都必须更换相应的喷枪和与其适用的喷嘴结构，非常不利于加工的灵活性，导致生产效率过低，经济价值不如意。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种高压和低压两用的轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴，通过变换延长管长度和结构，满足喷嘴在各种压力条件下的操作需求；采用收敛-扩散-延长管结构方式，将喷嘴的送粉口压力降低并保持稳定，其虹吸流量大，保证不堵塞送粉管路；扩散段送粉冷喷涂用的喷嘴使其在喷嘴下游喷嘴界面上各个部位（包括中心）的气流速度与理论出口速度相差较小，喷嘴能将粒子流约束在轴向附近，使喷涂软质材料时粉体对喷嘴喉部的堵塞减小，在喷涂硬材料时喷嘴不易磨损。

为了实现上述目的，本发明涉及的喷嘴结构包括喷嘴延长管、送粉管、延长管固定螺孔、延长管接口、喷嘴喉部、喷嘴前气室、工作气体入口、缩放管、喷嘴体和对接螺帽；圆筒柱状的喷嘴体的后端部一体式固定制有对接螺帽，喷嘴体的后端部处的顶侧面上制有与喷嘴体内腔连通的工作气体入口，喷嘴体的后端内腔中制有锥筒状的喷嘴前气室，喷嘴体的内腔中轴线上串通式固定制有送粉管，送粉管的后端口对接制有缩放管，缩放管的后端伸出螺帽，以便于与喷枪对接；送粉管与缩放管的对接处外套式制有延长管接口；送粉管的前端口处外套式通过延长管固定螺孔固连式制有长筒状喷嘴延长管，在喷嘴延长管的后端部处管式连通制有延长管接口，喷嘴体的内腔中心处制有喷嘴喉部；送粉管和缩放管的对接处为喷嘴喉部，送粉管为后粗前细结构，与缩放管对接处的两直径相同，送粉管向前对接喷嘴延长管时直径逐渐变小；喷嘴延长管的长度根据实际工作环境的压力和喷涂原料能够进行长度和结构的调节或更换。

本发明涉及的用于加速颗粒的长筒状结构的喷嘴延长管长度为120-2000mm；送粉管的后半部通过延长管固定螺孔用螺栓固定和调节，送粉气体的流量通过送粉管的出口位置调节，送粉管的前端成锥形以适应均匀喷嘴延长管流场的需求；延长管固定螺孔通过配套螺丝对喷嘴延长管进行紧固，不留缝隙，缝隙易倒吸冷空气影响加速行为和颗粒温度；阶梯状延长管接口为喷嘴延长管与送粉管的对接口，根据缩放比和操作压力的需求，连接不同直径的喷嘴延长管，实现高压到低压之间的转换。

本发明的工作流程如下：工作气体从工作气体入口进入喷嘴前气室，工作气体到达喷嘴喉部之前，气体压力保持不变，工作气体到喷嘴喉部后，压力降低，速度达到1倍音速；工作气体通过喷嘴喉部之后，压力急剧降低，降到正激波时的最低负压，速度达到最高；喷嘴出口选在正激波位置之后，保证产生最大负压以虹吸气体，并能够保证虹吸气体流量稳定；确定膨胀比条件下的工作气体最大速度范围为600-1400m/s；通过喷嘴出口以后，高速气流存在一个倒吸区，导致送粉管的送粉口附近的速度较低，送粉管的锥度使高速气流迅速汇集，不会使中心轴线附近的气体速度一直保持低速，充分加速轴向颗粒到最大速度；喷嘴的扩张段设计成阶梯状，喷嘴延长管设计成相适应的阶梯状，以0.5mm为阶梯，分别为2.5mm、3mm、3.5mm、4mm和4.5mm，相应的膨胀比为4-13.5；喷嘴的轴心速度低于周围的速度，喷嘴延长管为扩散状，扩散程度是直径不超过0.8mm。

本发明与现有技术相比，其总体结构简单，设计原理可靠，加工制备技术成熟，虹吸气流量稳定，送粉均匀，生产成本低，生产效率高，生产环境友好，应用前景好，适应高压和低压两种状态，利于更换工作状态。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的一种高压喷嘴的结构和尺寸示意图。

图3为本发明涉及的现有技术的喷嘴流场特征示意图。

图4为本发明设计的喷嘴高压流场特征示意图。

图5为本发明设计的喷嘴的颗粒加速轨迹特征示意图。

图6为本发明设计的低压喷嘴的结构和尺寸示意图。

图7为本发明设计的低压喷嘴低压流场特征示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例包括喷嘴延长管1、送粉管2、延长管固定螺孔3、延长管接口4、喷嘴喉部5、喷嘴前气室6、工作气体入口7、缩放管8、喷嘴体9和对接螺帽10；圆筒柱状的喷嘴体9的后端部一体式固定制有对接螺帽10，喷嘴体9的后端部处的顶侧面上制有与喷嘴体9内腔连通的工作气体入口7，喷嘴体9的后端内腔中制有锥筒状的喷嘴前气室6，喷嘴体9的内腔中轴线上串通式固定制有送粉管2，送粉管2的后端口对接制有缩放管8，缩放管8的后端伸出螺帽10，以便于与喷枪对接；送粉管2与缩放管8的对接处外套式制有延长管接口4；送粉管2的前端口处外套式通过延长管固定螺孔3固连式制有长筒状喷嘴延长管1，在喷嘴延长管1的后端部处管式连通制有延长管接口4，喷嘴体9的内腔中心处制有喷嘴喉部5；送粉管2和缩放管8的对接处为喷嘴喉部5，送粉管2为后粗前细结构，与缩放管8对接处的两直径相同，送粉管2向前对接喷嘴延长管1时直径逐渐变小；喷嘴延长管1的长度根据实际工作环境的压力和喷涂原料能够进行长度和结构的调节或更换。

本实施例涉及的长筒状结构的喷嘴延长管1用于充分加速颗粒，其长度为120-2000mm，在保证抵消气体摩擦损耗的情况下由5-6mm扩张到5.5-6.5mm；送粉管2的后半部通过延长管固定螺孔3用螺栓固定和调节，送粉气体的流量通过送粉管2的出口位置调节，送粉管2的前端成锥形以适应均匀延长管流场的需求；延长管固定螺孔3通过配套螺丝对喷嘴延长管1进行紧固，不留缝隙，缝隙易倒吸冷空气影响加速行为和颗粒温度；延长管接口4为喷嘴延长管1与送粉管2的对接口，延长管接口4为阶梯状，根据缩放比和操作压力的需求，连接不同直径的延长管，实现高压到低压之间的转换。

本实施例涉及的缩放管8的扩张比由公式（1）限定，其中R₄为缩放管8的扩散段最大截面半径，R₃为送粉管出口半径，R₂为喷嘴喉部5的最大半径，R₁为喷嘴喉部5的截面位置送粉管的半径；考虑空压机或气源的供气能力同时还应考虑喷嘴喉部5的面积要求，超音速喷嘴的耗气流量由式（2）限定，为减小耗气量，要减小喷嘴喉部5的截面积，减小喷嘴喉部5面积的方法有两个，一是降低缩放管喉部和送粉管间的距离；二是减小喉部的直径，适当增加距离，喷嘴喉部5的最大直径为4mm，最小直径为3mm，喷嘴的膨胀比受限于延长管的内径；喷嘴喉部5的加工精度最高，应保证主气从这里顺畅通过，尽可能降低气体流量，喷嘴喉部5的直径小于4mm，其膨胀比为4-13.5；

A_{e} / A_{t} = \frac{{R_{4}}^{2} - {R_{3}}^{2}}{{R_{2}}^{2} - {R_{1}}^{2}} - - - (1)

m = A_{t} \sqrt{\frac{γ}{R} {(\frac{2}{γ - 1})}^{\frac{γ + 1}{γ - 1}}} \frac{P_{0}}{\sqrt{T_{0}}} = C A_{t} \frac{P_{0}}{\sqrt{T_{0}}} - - - (2)

本实施例的工作气体从工作气体入口7进入喷嘴前气室6，工作气体到达喷嘴喉部5之前，气体压力保持不变，工作气体到喷嘴喉部5后，压力有降低，速度达到1倍音速；工作气体通过喷嘴喉部5之后，压力急剧降低，降到正激波时的最低负压，速度达到最高；喷嘴出口则至少选在正激波位置之后，保证产生最大负压以虹吸气体；经过数值计算，最低负压值与其他工艺条件的关系不大，如果选在该区，则能够保证虹吸气体流量的稳定；确定膨胀比条件下的工作气体最大速度范围为600-1400m/s；通过喷嘴出口以后，高速气流存在一个倒吸区，导致送粉管2的送粉口附近的速度相对较低，送粉管2的锥度设计保证高速气流迅速汇集，不会使中心轴线附近的气体速度一直保持相对低速，充分加速轴向颗粒到最大速度；为改变入口压力变化带来的结构变化，喷嘴的扩张段设计成阶梯状，喷嘴延长管1设计成相适应的阶梯状，以0.5mm为阶梯，分别为2.5mm，3mm，3.5mm，4mm和4.5mm，相应的膨胀比为4-13.5；喷嘴的轴心速度低于周围的速度，不利于加速，喷嘴延长管1的长度在120mm以上，为降低速度损失，将喷嘴延长管1设计成扩散状，扩散程度是直径不超过0.8mm。

实施例1：

本实施例涉及的一种高压用的喷嘴的结构尺寸如图2所示，其膨胀比为6.25，其实施结果和专利ZL00253384.7的加速效果对比，如图3、图4和图5所示；分析其流场特征表明，本实施例的喷嘴流场后部分可达到均匀，扩张比为6.25的情况下，后部流场气流速度也能达到850m/s，而现有的喷嘴下游部分流场的速度只能达到700m/s左右，对15um的铜颗粒的加速能力，在其他条件都相同的情况下，相差50m/s以上。

实施例2：

本实施例涉及的一种低压的喷嘴的结构尺寸如图6所示，其膨胀比为4，其结果与市售的DYMET低压冷喷涂设备用喷嘴的加速效果对比，其流场特征和粒子轨迹特征表明，本实施例涉及的喷嘴流场后部分可达到均匀，扩张比为4的情况下，后部流场气流速度也能达到800m/s，颗粒流严格被限制在轴线上，而现有市售的DYMET喷嘴，颗粒的轨迹是来回撞击喷嘴内壁，导致喷嘴在工作一段时间后被磨穿，虽然DYMET采用的结构非常适合快速更换喷嘴，但在长期施工时，也会造成诸多不便，特别是间隔施工所要考虑湿气和氧化的情况下。

Claims

1.一种轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴，其特征在于包括喷嘴延长管、送粉管、延长管固定螺孔、延长管接口、喷嘴喉部、喷嘴前气室、工作气体入口、缩放管、喷嘴体和对接螺帽；圆筒柱状的喷嘴体的后端部一体式固定制有对接螺帽，喷嘴体的后端部处的顶侧面上制有与喷嘴体内腔连通的工作气体入口，喷嘴体的后端内腔中制有锥筒状的喷嘴前气室，喷嘴体的内腔中轴线上串通式固定制有送粉管，送粉管的后端口对接制有缩放管，缩放管的后端伸出螺帽，以便于与喷枪对接；送粉管与缩放管的对接处外套式制有延长管接口；送粉管的前端口处外套式通过延长管固定螺孔固连式制有长筒状喷嘴延长管，在喷嘴延长管的后端部处管式连通制有延长管接口，喷嘴体的内腔中心处制有喷嘴喉部；送粉管和缩放管的对接处为喷嘴喉部，送粉管为后粗前细结构，与缩放管对接处的两直径相同，送粉管向前对接喷嘴延长管时直径逐渐变小；喷嘴延长管的长度根据实际工作环境的压力和喷涂原料进行调节或更换。

2.根据权利要求1所述的轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴，其特征在于加速颗粒的长筒状的喷嘴延长管长度为120-2000mm；送粉管的后半部通过延长管固定螺孔用螺栓固定和调节，送粉气体的流量通过送粉管的出口位置调节，送粉管的前端成锥形以适应均匀喷嘴延长管流场的需求；延长管固定螺孔通过配套螺丝对喷嘴延长管进行紧固，不留缝隙；阶梯状延长管接口为喷嘴延长管与送粉管的对接口，根据缩放比和操作压力的需求，连接不同直径的喷嘴延长管，实现高压到低压之间的转换。

3.根据权利要求1所述的轴向虹吸送粉式冷喷涂用的喷嘴，其特征在于：工作气体从工作气体入口进入喷嘴前气室，工作气体到达喷嘴喉部之前，气体压力保持不变，工作气体到喷嘴喉部后，压力降低，速度达到1倍音速；工作气体通过喷嘴喉部之后，压力急剧降低，降到正激波时的最低负压，速度达到最高；喷嘴出口选在正激波位置之后，保证产生最大负压以虹吸气体，并保证虹吸气体流量稳定；确定膨胀比条件下的工作气体最大速度范围为600-1400m/s；通过喷嘴出口以后，高速气流存在一个倒吸区，导致送粉管的送粉口附近的速度较低，送粉管的锥度使高速气流迅速汇集，不会使中心轴线附近的气体速度一直保持低速，充分加速轴向颗粒到最大速度；喷嘴的扩张段设计成阶梯状，喷嘴延长管设计成相适应的阶梯状，以0.5mm为阶梯，分别为2.5mm、3mm、3.5mm、4mm和4.5mm，相应的膨胀比为4-13.5；喷嘴的轴心速度低于周围的速度，喷嘴延长管为扩散状，扩散程度是直径不超过0.8mm。