CN107116304B - 激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非晶喷涂技术领域，尤其涉及一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置,本发明的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，可以避免激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题；极高的冷却速度(105K/s～106K/s)还可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，从而得到非晶态固体；可以实时监测冷却温度，实现即时控制；冷却过程安全可靠无污染。
Description
技术领域
本发明涉及非晶喷涂技术领域，尤其涉及一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置。
背景技术
激光表面改性技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术。激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至微秒级)被加热或熔化。激光表面改性主要包括激光硬化(激光淬火)、激光表面合金化、激光熔覆等。这些方法的目的和应用都是为了使工作面(各种钢材及铸铁零件表面)获得基材无法达到或者需要太大代价才能得到的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能，从而实现既节约成本，又满足工作要求的目的。
激光加工过程中，热量的散失主要靠金属构件的基体向外传导，随层数累加，热量的累积，其金属构件内部的温度梯度逐渐减小，这导致激光熔池的热量无法快速扩散出去，对于需要较高冷却速率的金属材料如非晶态的金属构件较高的冷却速率有利于避免形成晶态的金属构件；对于热膨胀系数较低的金属材料，增加冷却速度可以增加过冷度，而过冷度越大，形成的金属构件的晶粒越细小，构件的性能就越优异。
大块非晶合金研究热潮的兴起正是基于制备技术的突破。大块非晶合金的玻璃形成能力在以下情况会受到削弱：①多组元合金成分偏离了共晶或近共晶成分点；②原材料的纯度不够高；③在母合金熔配或者是成形过程中引入了杂质；④成形前母合金的过热度选择不合适。
因此，减少冷却凝固过程中的非均匀形核是制备大块非晶的技术关键。目前主要的制备方法为：快速凝固法、熔体急冷法、深过冷等方法。熔体急冷法是制备非晶态合金的主要方法。其基本原理是把一层薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷却基底上，从而达到快速导热、快速冷却的目的。极高的冷却速度可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，从而得到非晶态固体。快速凝固技术一般指将液相凝固成固相，是一种非平衡的凝固过程，通常生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，使粉末和材料具有特殊的性能和用途。深过冷指在尽可能消除异质晶核的前提下，使液态金属保持到液相线以下数百度，而后突然形核并获得快速凝固组织的一种工艺方法。
目前关于激光熔覆、焊接等领域增大冷却速率的技术已有报道，解决了薄壁零件在加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿等问题，说明采用适合的冷却方式可以避免激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题，但是并不利于制备非晶态金属。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术存在的上述问题，同时为适应激光喷涂技术的快速发展，提供一种可靠、稳定、连续、可控的金属粉末激光喷涂的冷却装置。本发明是基于熔体急冷法，其基本原理是把一层薄层液态金属粘附在导热性良好的金属冷基底上，金属基底内通入液氮，从而达到快速导热和冷却。这种冷却装置可满足压力监控、冷却温度监控的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，包括罐体、进液管、排放管道、泄压管道和冷却箱，所述罐体包括内层的内胆和外层的外壳，所述内胆和外壳之间形成密闭的真空腔，罐体的顶部设置有液氮注入口，所述液氮注入口通过液氮注入管道和内胆内部向连通，所述液氮注入管道的上端口设置有密封螺塞，内胆的底部开设有液氮流出口，所述液氮流出口连通有增压管，增压管和真空腔相连通，所述罐体上还设置有用于控制液氮流出口关闭或开启的增压阀，内胆内还设置有液氮排出管道，所述液氮排出管道的下端延伸至靠近内胆的底部，液氮排出管道的上端延伸至液氮注入管道的上端口且和进液管的一端相连通，
冷却箱的内部具有液氮储存腔，冷却箱的侧面设置有液氮进口和液氮出口，液氮进口和液氮出口均和液氮储存腔相连通，冷却箱的上表面内还安装有温度传感器，
进液管的另一端和液氮进口相连通，进液管上安装有电磁阀，所述电磁阀和温度传感器电连接，
所述排放管道的一端和液氮注入管道的上端口相连通，排放管道的另一端和液氮出口相连通，所述排放管道上设置有用于控制排放管道是否流通的排液阀，
所述泄压管道的一端和液氮注入管道的上端口相连通，泄压管道的另一端和真空腔相连通，所述外壳上还设置有真空封口，所述泄压管道上设置有用于控制泄压管道是否导通的排空阀。
为了能够及时检测内胆中的压力，所述罐体上还安装有压力表。
所述罐体上还安装有安全阀。冷却过程中安全阀将内胆压力控制在最高工作压力之下，内胆压力一旦超过最高工作压力，便会自动开启，排气泄压，保证使用安全性。
为了便于固定加工工件，所述冷却箱的上表面上设置有用于固定加工件的夹具孔。
本发明的有益效果是，本发明的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，可以避免激光焊接、熔覆等过程中出现的变形、过烧等问题；极高的冷却速度(105K/s～106K/s)还可以有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，从而得到非晶态固体；可以实时监测冷却温度，实现即时控制；冷却过程安全可靠无污染。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置的罐体1的结构示意图。
图2是图1俯视图(并连上进液管7和排放管道8)。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是图2的B-B剖视图。
图5是本发明激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置的冷却箱2的俯视图。
图6是图5的剖视图。
图中：1、罐体，1-1、内胆，1-1-1、液氮流出口，1-2、外壳，1-3、真空腔，2、冷却箱，2-1、液氮储存腔，2-2、液氮进口，2-3、液氮出口，2-4、夹具孔，3、液氮注入管道，4、增压管，5、增压阀，6、液氮排出管道，7、进液管，8、排放管道，9、排液阀，10、温度传感器，11、泄压管道，12、真空封口，13、排空阀，14、压力表，15、安全阀，16、密封螺塞，17、电磁阀。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，是本发明最优实施例，一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，包括罐体1、进液管7、排放管道8、泄压管道11和冷却箱2，罐体1包括内层的内胆1-1和外层的外壳1-2，内胆1-1和外壳1-2之间形成密闭的真空腔1-3，罐体1的顶部设置有液氮注入口，液氮注入口通过液氮注入管道3和内胆1-1内部相连通，液氮注入管道3的上端口设置有密封螺塞16，内胆1-1的底部开设有液氮流出口1-1-1，液氮流出口1-1-1连通有增压管4，增压管4和真空腔1-3相连通，罐体1上还设置有用于控制液氮流出口1-1-1关闭或开启的增压阀5，内胆1-1内还设置有液氮排出管道6，液氮排出管道6的下端延伸至靠近内胆1-1的底部，液氮排出管道6的上端延伸至液氮注入管道3的上端口且和进液管7的一端相连通，
冷却箱2的内部具有液氮储存腔2-1，冷却箱2的侧面设置有液氮进口2-2和液氮出口2-3，液氮进口2-2和液氮出口2-3均和液氮储存腔2-1相连通，冷却箱2的上表面内还安装有温度传感器10，
进液管7的另一端和液氮进口2-2相连通，进液管7上安装有电磁阀17，电磁阀17和温度传感器10电连接，
排放管道8的一端和液氮注入管道3的上端口相连通，排放管道8的另一端和液氮出口2-3相连通，排放管道8上设置有用于控制排放管道8是否流通的排液阀9，
泄压管道11的一端和液氮注入管道3的上端口相连通，泄压管道11的另一端和真空腔1-3相连通，外壳1-2上还设置有真空封口12，泄压管道11上设置有用于控制泄压管道11是否导通的排空阀13。
罐体1上还安装有压力表14。罐体1上还安装有安全阀15。冷却过程中安全阀15将内胆1-1压力控制在最高工作压力之下，内胆1-1压力一旦超过最高工作压力，便会自动开启，排气泄压，保证使用安全性。
冷却箱2的上表面上设置有用于固定加工件的夹具孔2-4。
工作原理：在无泄漏的情况下，增压阀5和排液阀9关闭，排空阀13开启，真空封口12开启，旋出顶部的密封螺塞16，向液氮注入管道3的上端口注入液氮，液氮流入内胆1-1的底部，由于液氮注入管道3的上端口有液体注入并保持密封，因此内胆1-1中的气体会被向上压，气体进入液氮注入管道3，排空阀13打开，然后从液氮注入管道3的上端口进入泄压管道11，气体再进入真空腔1-3，从真空封口12排出，完成液氮的注入。
冷却时：密封螺塞16旋紧，排空阀13、排液阀9和真空封口12关闭，真空腔1-3中先抽真空，打开增压阀5，电磁阀17打开，液氮从内胆1-1的底部开设有液氮流出口1-1-1进入增压管4中，从而进入真空腔1-3中，由于真空腔1-3的温度是比内胆1-1中的温度要高的，因此真空腔1-3中的液氮很快会被汽化，产生气体。由于被汽化的氮气的体积是液氮的600余倍，少量液氮汽化后获得的大量氮气源源不断地通过已开启的增压阀5(由于真空腔1-3中是密闭的)，从增压管4中进入内胆1-1中，进入内胆1-1中的气体会移动到内胆1-1的上部，随着氮气进入量的增多，使得内胆1-1上部的气压越来越大，内胆1-1液面上部空间的氮气逐渐开始对内胆1-1内的液面产生压力，压力表14指示内胆压力大小，当压力表值达到0.02MPa(可调整)时，开启进液管7上的控制阀，将内胆1-1下部的液氮压入液氮排出管道6的下端，使得液氮从液氮排出管道6进入进液管7中，然后液氮再从进液管7进入液氮进口2-2，最终进入冷却箱2的液氮储存腔2-1中，液氮充满液氮储存腔2-1后，关闭增压阀5和控制阀，液氮暂存于液氮储存腔2-1中。
由于具有良好的导热性，冷却箱2可快速冷却到达冷却目的。根据加工要求设定适当的参数，使得通过温度传感器10监控冷却箱2金属基底温度来控制电磁阀17的开关，即电磁阀17初始为开启状态，当温度传感器10的所测温度降至某一值时电磁阀17关闭。
冷却结束后，由于液氮进口2-2和液氮出口2-3均在冷却箱2上一个相对靠近底部的位置，冷却箱2内的液氮液位较高，开启排液阀9后，液氮储存腔2-1中的液氮能够从排放管道8中缓慢地排出，进入液氮注入管道3的上端口，最终回到内胆1-1中。由于液氮储存腔2-1中的液氮越来越少，冷却箱2内上部的温度回升，当温度回升到某设定值时，电磁阀17打开，完成液氮冷却过程。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，其特征在于：包括罐体(1)、进液管(7)、排放管道(8)、泄压管道(11)和冷却箱(2)，所述罐体(1)包括内层的内胆(1-1)和外层的外壳(1-2)，所述内胆(1-1)和外壳(1-2)之间形成密闭的真空腔(1-3)，罐体(1)的顶部设置有液氮注入口，液氮注入口通过液氮注入管道(3)和内胆(1-1)内部相 连通，所述液氮注入管道(3)的上端口设置有密封螺塞(16)，内胆(1-1)的底部开设有液氮流出口(1-1-1)，所述液氮流出口(1-1-1)连通有增压管(4)，增压管(4)和真空腔(1-3)相连通，所述罐体(1)上还设置有用于控制液氮流出口(1-1-1)关闭或开启的增压阀(5)，内胆(1-1)内还设置有液氮排出管道(6)，所述液氮排出管道(6)的下端延伸至靠近内胆(1-1)的底部，液氮排出管道(6)的上端延伸至液氮注入管道(3)的上端口且和进液管(7)的一端相连通，
冷却箱(2)的内部具有液氮储存腔(2-1)，冷却箱(2)的侧面设置有液氮进口(2-2)和液氮出口(2-3)，液氮进口(2-2)和液氮出口(2-3)均和液氮储存腔(2-1)相连通，冷却箱(2)的上表面内还安装有温度传感器(10)，
进液管(7)的另一端和液氮进口(2-2)相连通，进液管(7)上安装有电磁阀(17)，所述电磁阀(17)和温度传感器(10)电连接，
所述排放管道(8)的一端和液氮注入管道(3)的上端口相连通，排放管道(8)的另一端和液氮出口(2-3)相连通，所述排放管道(8)上设置有用于控制排放管道(8)是否流通的排液阀(9)，
所述泄压管道(11)的一端和液氮注入管道(3)的上端口相连通，泄压管道(11)的另一端和真空腔(1-3)相连通，所述外壳(1-2)上还设置有真空封口(12)，所述泄压管道(11)上设置有用于控制泄压管道(11)是否导通的排空阀(13)。
2.如权利要求1所述的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，其特征在于：所述罐体(1)上还安装有压力表(14)。
3.如权利要求1所述的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，其特征在于：所述罐体(1)上还安装有安全阀(15)。
4.如权利要求1所述的激光热喷涂制备非晶铝涂层的快速冷却装置，其特征在于：所述冷却箱(2)的上表面上设置有用于固定加工件的夹具孔(2-4)。
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