CN103710659A

CN103710659A - 一种模拟颗粒沉积成型的装置及方法

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Publication number: CN103710659A
Application number: CN201310745865.6A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 谷佳宾; 杨海鑫; 杨天龙; 栗卓新
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Guangdong Didu New Energy Co ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103710659B

Abstract

一种模拟热喷涂颗粒沉积成型的装置及方法属于热喷涂和表面工程领域。本发明采用气动悬浮的方式悬浮样品颗粒，结合激光无接触无污染地加热熔化样品，待样品完全熔化后，通过预热撞击模块控制基体从侧面撞击熔化颗粒，通过高速摄像装置拍摄熔化颗粒的撞击及其扁平过程。通过改变样品的原始尺寸，来控制熔滴的尺寸，通过预热撞击模块中的步进电机调节撞击速度，本发明特别适合于模拟不导电的非金属及难熔材料的熔化沉积，所模拟撞击的高温熔滴尺寸可调，撞击速度可控。

Description

一种模拟颗粒沉积成型的装置及方法

一、技术领域

本发明属于热喷涂和表面工程领域，尤其涉及一种物理模拟由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。

二、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，涂层的性能与单个扁平颗粒的形成过程密切相关。然而，由于热喷涂形成的单个熔滴直径介于5～500μm、熔滴撞击基体的速度介于10～1000m/s，这使得单个熔滴的扁平化过程作用时间极为短暂，约0.1～20μs，作用尺度也较小（<1mm），并且喷涂粒子有很大的不确定性，很难直接进行观察研究。根据雷诺数（Re）或韦伯数（We）的相似性原则，采用低速毫米级熔滴的撞击试验来模拟热喷涂熔滴，是众多热喷涂研究者常用的手段，这有利于问题的简化和观察。

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，在大多的情况下仅能用于低熔点的金属材料的物理模拟，无法对陶瓷涂层，难熔金属涂层及工件的形成进行模拟，而且这些工作中采用的是靠颗粒重力下落进行碰撞，颗粒与基体撞击前将有短暂时间被脱离加热，使得实际撞击时颗粒的温度有所降低，一定程度上弱化了物理模拟的准确程度。

三、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、准确实用的可用于模拟由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，包括气动悬浮模块、熔化装置、预热撞击模块、摄像装置以及测温装置，其中，气动悬浮模块包括锥形喷嘴、底座、气体质量流量控制器、控制系统、减压阀以及氩气气瓶，锥形喷嘴与底座连接，底座与氩气气瓶经减压阀减压由气体质量流量控制器稳定后的气路连接。熔化装置为激光加热设备。样品的侧面的预热撞击模块，包括温控仪、热电偶、基体、加热设备、滚球丝杠、步进电机以及控制系统，在加热设备的表面上放置基体，热电偶固定在基体上表面，然后与温控仪连接，加热设备与滚球丝杠通过滑块连接，滚球丝杠与由控制系统控制的步进电机连接。测温装置为高温测温仪。在高温测温仪旁边固定摄像装置，拍摄高温熔滴的撞击扁平化过程。

本发明的模拟颗粒沉积成型的试验装置，气体质量流量控制器控制气体的流量在0.2～20L/min，加热设备加热基体的温度在25～500℃，激光加热设备的功率范围在5～500w，预热撞击模块中步进电机可以调节的撞击速度0.5～20m/s。

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）以手动或半自动的方式将基体放置在加热设备表面，启动加热设备，加热基体，启动温控仪，控制基体温度恒定，基体温度为25～500℃；

2）检查装置气密性，将样品放在喷嘴上方，打开氩气瓶向喷嘴充入氩气，通过控制系统，气动并调节气体质量流量控制器，氩气的流量为0.2～20L/min；

3）待样品稳定悬浮后，启动激光加热设备，调焦后用激光加热样品，激光的加热功率为5～500w，加热时间0.2～20s；

4）根据测温仪所测颗粒温度，待颗粒加热至熔化状态或者半熔化状态时，通过控制系统，给气体质量流量控制器一个脉冲电信号，使样品位置升高，同时控制预热撞击模块中的步进电机，使基体以给定的速度与样品撞击，撞击速度为0.5～20m/s;

5）采用摄影装置拍摄熔滴的撞击扁平化过程。

本发明具有如下的有益效果：

1本发明的装置和方法，采用气动悬浮配合激光加热的方式熔化颗粒材料，经济实用，即可熔化金属材料，又可熔化不导电的非金属材料，尤其适用于模拟不导电的非金属及难熔材料的熔化沉积，并且能实现无接触加热避免熔化材料被污染；

2本发明的装置和方法，采用预热撞击模块控制基体从侧面撞击熔化颗粒，使结构简单化。

3本发明的装置和方法，工艺可控性强，可通过使用同样尺寸的样品，减少产生的熔滴与设定熔滴尺寸的误差，从而获得均匀尺寸的颗粒，并且熔滴尺寸可控；

4本发明的装置和方法，在喷嘴处实现氩气保护，能防止材料在熔化的过程中发生氧化；

5本发明的装置和方法，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撞击速度且撞击速度可调。

四、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

附图中各代号含义：1底座，2锥形喷嘴，3样品，4高温测温仪，5激光加热设备，6温控仪，7热电偶，8基体，9加热设备，10滚球丝杠，11步进电机，12气体质量流量控制器，13控制系统，14减压阀，15氩气气瓶。

五、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的气动悬浮模块包括锥形喷嘴2、底座1、气体质量流量控制器12、控制系统13、减压阀14以及氩气气瓶15，锥形喷嘴2与底座1连接，底座1与氩气气瓶15经减压阀14减压经气体质量流量控制器12稳定后的气路连接，控制系统13通过气体质量流量控制器12控制氩气流量。

2.样品的侧面的预热撞击模块，包括温控仪6，热电偶7，基体8，加热设备9，滚球丝杠10，步进电机11以及控制系统13，在加热设备9的表面上放置基体8，热电偶7固定在基体8上表面，然后与温控仪6连接，加热设备9与滚球丝杠10通过滑块连接，滚球丝杠10与由控制系统13控制的步进电机11连接。

实施例1：

采用本发明的模拟颗粒沉积成型的装置制备高温熔滴Al₂O₃撞击室温基体316不锈钢的具体步骤如下：

（1）以手动的方式将316不锈钢基体放置在加热设备表面。

（2）检查装置气密性，以手动方式将2mm的Al₂O₃样品放在喷嘴上方，打开氩气瓶向喷嘴充入氩气，通过控制系统启动和调节气体质量流量控制器，使样品稳定悬浮，氩气的流量为1.5L/min；

（3）待样品稳定悬浮后，启动激光加热设备，调焦后用激光加热Al₂O₃样品，激光的加热功率为200w，加热时间8s；

（4）待Al₂O₃颗粒加热至熔化状态时（即高温测温仪所测Al₂O₃颗粒温度为2300℃），通过控制系统，给气体质量流量控制器一个2V的脉冲电信号，使样品位置升高5mm，同时控制预热撞击模块的步进电机，使316不锈钢基体与样品发生撞击，撞击速度为3m/s;

（5）采用高速摄影装置拍摄熔滴的撞击扁平化过程。

实施例2：

采用本发明的模拟颗粒沉积成型的装置制备高温熔滴ZrO₂撞击100℃基体316不锈钢的具体步骤如下：

（1）以手动的方式将316不锈钢基体放置在加热设备表面，启动加热设备，加热基体，启动温控仪，控制基体温度恒定，基体温度为100℃；

（2）检查装置气密性，以手动方式将2mm的ZrO₂样品放在喷嘴上方,打开氩气瓶向喷嘴充入氩气，通过控制系统启动和调节气体质量流量控制器，使样品稳定悬浮，氩气的流量为1.9L/min；

（3）待样品稳定悬浮后，启动激光加热设备，调焦后用激光加热ZrO₂样品，激光的加热功率为200w，加热时间11s；

（4）待ZrO₂颗粒加热至熔化状态时（即高温测温仪所测ZrO₂颗粒温度为2680℃），通过控制系统，给气体质量流量控制器一个2V的脉冲电信号，使样品位置升高5mm，同时控制预热撞击模块的步进电机，使316不锈钢基体与样品发生撞击，撞击速度为3m/s;

（5）采用高速摄影装置拍摄熔滴的撞击扁平化过程。

Claims

1.一种模拟颗粒沉积成型的试验装置，包括气动悬浮模块、熔化装置、预热撞击模块、摄像装置以及测温装置，其特征在于，所述的气动悬浮模块包括锥形喷嘴（2）、底座（1）、气体质量流量控制器（12）、控制系统(13)、减压阀(14)以及氩气气瓶(15)，锥形喷嘴(2)与底座(1)连接，底座(1)与氩气气瓶(15)经减压阀(14)减压由气体质量流量控制器(12)稳定后的气路连接，控制系统(13)通过气体质量流量控制器(12)控制氩气流量；所述的样品上方的熔化装置，包括激光加热设备(5)，控制激光的强度与功率；样品的侧面的预热撞击模块，包括温控仪（6）、热电偶（7）、基体（8）、加热设备（9）、滚球丝杠（10）、步进电机（11）以及控制系统（13），在加热设备（9）的表面上放置基体（8），热电偶（7）固定在基体（8）上表面，然后与温控仪（6）连接，加热设备（9）与滚球丝杠（10）通过滑块连接，滚球丝杠（10）与由控制系统（13）控制的步进电机（11）连接；样品侧上方的测温装置，包括测温仪，测温仪旁边固定摄像装置，拍摄高温熔滴的撞击过程。

2.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的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

1)将基体放置在加热设备表面，启动加热设备，加热基体，启动温控仪，控制基体温度恒定，基体温度为25～500℃；

2)检查装置气密性，以手动或半自动方式将颗粒状样品放在喷嘴上方，打开氩气瓶向喷嘴充入氩气，通过控制系统启动并调节气体质量流量控制器，氩气的流量为0.2～20L/min；

3)待样品稳定悬浮后，启动激光加热设备，调焦后用激光加热样品，激光的加热功率为5～500w，加热时间0.2～20s；

4)根据测温仪所测样品温度，待样品加热至熔化状态或者半熔化状态时，通过控制系统，给气体质量流量控制器一个脉冲电信号，使样品位置升高，同时控制预热撞击模块中的步进电机，使基体以给定的速度下与样品撞击，撞击速度为0.5～20m/s;

5)采用摄影装置拍摄熔滴的撞击扁平化过程。