CN107190256A - 冷喷涂用自重式送粉装置、送粉系统及送粉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷喷涂用自重式送粉装置，包括粉仓和压力平衡管，压力平衡管连通粉仓侧壁的上端和下端，且粉仓侧壁上方倾斜设置有进粉口；粉仓底部为锥形，顶部安装有与转动轴传动连接的控制电机，转动轴由粉仓顶部插入粉仓内中部，粉仓底部出口处安装有筛板，筛板上方设有刮板，刮板与转动轴下端固定连接，刮板通过转动轴与控制电机传动连接，转动轴两侧还设有搅拌棒，搅拌棒通过连接块与控制电机的输出轴连接；控制电机通过连接块控制两根搅拌棒相对于转动轴圆周运动。本发明借助重力和机械能设计了一种新型送粉装置，通过压力平衡使得粉末仅依靠机械能和粉末自身重力沉降作用，获得稳定、均匀、连续地输送粉末。

Description

冷喷涂用自重式送粉装置、送粉系统及送粉方法

技术领域

本发明属于冷喷涂技术领域，特别是涉及一种冷喷涂用自重式送粉系统及送粉方法。

背景技术

近年来冷喷涂技术应用领域不断扩大，采用冷喷涂技术制备的涂层种类不断增加，为了提高沉积效率和涂层质量及制备一些较难喷涂材料的涂层，冷喷涂系统不断优化，设备的承压能力及加热能力得到大幅提高。通过将载气体预热到更高的温度，使粒子撞击时的速度和温度进一步提高，从而粒子更容易沉积在基板上。

冷喷涂过程中，涂层的性能和沉积效率主要受与粒子速度的影响，然而涂层的制备是一个连续的过程，粉末是否能够稳定、均匀、连续地输送同样也会影响涂层的性能(包括涂层的均匀性、厚度及沉积效率等)。因此，高压冷喷涂系统中送粉过程同样是一个十分重要的过程。作为冷喷涂设备的核心部件之一，对送粉装置的要求主要有以下几点:①能够稳定、均匀、连续送粉，这是保证涂层均匀性与涂层厚度的关键；②粉末流量能够有效控制和调节；③贮粉腔能够耐高压，保证送粉系统安全运行；④具有足够的贮粉和粉末输送能力，满足长时间连续喷涂作业的需要；⑤尽量采用结构简单的设备易于安装和拆卸，方便更换喷涂粉末；⑥尽量减少机械作用或活动的零部件，以减少各类故障的发生及粉末外泄，提高进料系统的稳定性；⑦贮粉器到喷枪之间的输送粉末距离尽量短。

然而，目前冷喷涂技术中通常应用正压送粉方式将粉末注入到喷管内，即由储粉器与粉末输出口之间的气体压差而形成的送粉气流将粉末送出送粉器并通过粉末输送管道和粉末注射器将粉末注入到喷管内。上述送粉方式不可避免地将一定流量的送粉气流注入喷管内，且应用这类送粉器需设置相对较高的送粉压差以克服主气流压力波动确保始终能连续送粉及防止粉末注射管因为过热而导致粉末粘附在管壁而最终引起的管道堵塞现象，且不能精确有效地控制和测量和控制粉末注射管出口处送粉气流的压力，使得喷涂精确性大大下降。

发明内容

为了解决以上问题，本发明对现有的高压冷喷涂系统的压差式送粉方式进行改进，提出了一种新的送粉方式，并基于该送粉方式开发出了一种基于重力和机械能的送粉装置和送粉系统。

具体的，本发明提供的冷喷涂用自重式送粉装置，包括粉仓和压力平衡管，压力平衡管连通所述粉仓侧壁的上端和下端，且所述粉仓侧壁上方倾斜设置有进粉口；

所述粉仓底部为锥形，所述粉仓顶部安装有控制电机，所述控制电机的输出轴与转动轴连接，所述转动轴由粉仓顶部插入所述粉仓内中部，所述粉仓底部出口处安装有筛板，筛板上方设置有刮板，所述刮板与所述转动轴下端固定连接，所述刮板通过转动轴与控制电机传动连接，所述控制电机用于控制转动轴旋转；

所述控制电机的输出轴上设置有连接块，所述连接块与两根搅拌棒连接，两根所述搅拌棒位于所述转动轴两侧，所述控制电机通过所述连接块控制两根所述搅拌棒相对于转动轴圆周运动；

所述压力平衡管的下端连接于粉仓侧壁上，且位于所述筛板的下方。

优选地，所述筛板上均匀开设有筛孔，所述筛孔的孔径为1mm。

优选地，所述粉仓由不锈钢材料制成，耐压强度大于3Mpa。

本发明还提供了一种冷喷涂用自重式送粉系统，包括气体加热装置、外套管、以及上述任一所述的送粉装置；

所述气体加热装置通过连接管路与外套管接通，所述外套管位于所述粉仓底部，且与所述粉仓相通，所述外套管的下部为收缩的喷管接口，所述外套管内设有粉末收集管，所述粉末收集管上端位于所述粉仓底部出口正下方，下端与外套管底部内侧壁密封固接。

优选地，所述粉仓与所述外套管通过螺纹紧密连接。

优选地，所述外套管上安装有用于检测外套管内压力的压力表，和用于检测外套管内温度的热电偶。

本发明还提供了一种冷喷涂用自重式送粉方法，采用上述冷喷涂用自重式送粉系统，通过如下步骤实施：

S1：向气体加热装置通入高压气流，同时保持加热器处于关闭状态，未加热高压气流通过连接管路进入外套管内，由于外套管与压力平衡管相通，使粉仓内气体压力和外套管内压力保持平衡；

S2：当粉仓内压力稳定后，启动气体加热装置对气体进行加热，由于送粉装置与气体加热装置压力保持平衡，热气流不会进入送粉装置内，而是从外套管中流入到粉末收集管内进行加速，粉末粒子在机械能和自身重力作用从送粉装置内落下经内套管落入到主气流中，并由主气流携带进入粉末收集管中，被加速到高速状态撞击基板形成涂层。

优选地，所述控制电机为步进电机，所述送粉装置的动力装置由所述步进电机提供，通过调节步进电机的脉冲频率来控制送粉装置的送粉量，步进电机控制转动轴旋转，进而带动刮板转动；冷喷涂作业时，刮板的转动破坏粉末的团簇，使待喷涂粉末从筛板的筛孔中均匀流出，并依靠自身沉降落入到粉末收集管内。

更优选地，步进电机的转速通过调节脉冲频率进行控制，其关系如下：

步进电机转速(r/min)＝(步距角/360)*脉冲频率(Hz)*60。

本发明借助重力和机械能设计了一种新型送粉装置，通过压力平衡使得粉末仅依靠机械能和粉末自身重力沉降作用，获得稳定、均匀、连续地输送粉末。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自重式送粉装置剖面图；

图2为本发明实施例提供的自重式送粉系统示意图；

图3为本发明实施例提供的筛板结构示意图；

图4为本发明实施例提供的装置在送粉速率随脉冲频率的变化图；

图5为本发明实施例提供的装置在不同脉冲频率下送粉速率稳定性测试。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

冷喷涂过程中涂层的性能和沉积效率主要受与粒子速度的影响，然而涂层的制备是一个连续的过程，粉末是否能够稳定、均匀、连续地输送同样也会影响涂层的性能(包括涂层的均匀性、厚度及沉积效率等)。因此，高压冷喷涂系统中送粉过程同样是一个十分重要的过程。作为冷喷涂设备的核心部件之一，对送粉装置的要求主要有以下几点:①能够稳定、均匀、连续送粉，这是保证涂层均匀性与涂层厚度的关键；②粉末流量能够有效控制和调节；③贮粉腔能够耐高压，保证送粉系统安全运行；④具有足够的贮粉和粉末输送能力，满足长时间连续喷涂作业的需要；⑤尽量采用结构简单的设备易于安装和拆卸，方便更换喷涂粉末；⑥尽量减少机械作用或活动的零部件，以减少各类故障的发生及粉末外泄，提高进料系统的稳定性；⑦贮粉器到喷枪之间的输送粉末距离尽量短。

而目前冷喷涂技术中通常应用正压送粉方式将粉末注入到喷管内，即由储粉器与粉末输出口之间的气体压差而形成的送粉气流将粉末送出送粉器并通过粉末输送管道和粉末注射器将粉末注入到喷管内。上述送粉方式不可避免地将一定流量的送粉气流注入喷管内，且应用这类送粉装置需设置相对较高的送粉压差以克服主气流压力波动确保始终能连续送粉及防止粉末注射管因为过热而导致粉末粘附在管壁而最终引起的管道堵塞现象，且不能精确有效地控制和测量送粉压差。因此，本申请对现有高压冷喷涂送粉方式进行改进，结合自重式送粉器的设计原理，设计并制造了新型送粉装置。

为此，本发明提供了一种冷喷涂用自重式送粉装置，具体如图1所示，包括粉仓501和压力平衡管502，压力平衡管502连通粉仓501侧壁的上端和下端，且粉仓501侧壁上方倾斜设置有进粉口504；进粉口504用于将粉末送到粉仓502内；粉仓501底部为锥形，粉仓501顶部安装有控制电机505，控制电机505的输出轴与转动轴506连接，转动轴506由粉仓501顶部插入粉仓501内中部，粉仓501底部出口处安装有筛板507，筛板507上分布有需要筛孔，筛板507上方设置有刮板508，刮板508与转动轴506下端固定连接，刮板508通过转动轴506与控制电机505传动连接，控制电机505用于控制转动轴506旋转；控制电机505的输出轴上还固定安装有连接块509，连接块509与两根搅拌棒510连接，两根搅拌棒510位于转动轴506两侧，控制电机505通过连接块509控制两根所述搅拌棒510相对于转动轴506作圆周运动；压力平衡管502的下端连接于粉仓501侧壁上，且位于筛板507的下方。

由于冷喷涂中使用的喷涂粉末直径较小，粉末容易粘结，并且在粉仓501内还有可能产生架桥而导致粉末不流动，为了解决这一问题，在粉仓501内安装的两根搅拌棒510由控制电机505带动圆周运动，可有效防止粉末在粉仓501内产生架桥现象，使粉末保持良好的流动性，保证均匀稳定的输送粉末。在这里需要进一步说明的是，控制电机505为步进电机，通过步进电机控制刮板508转动，当刮板508不运动时，由于粉末的团簇，粉末不会从筛孔内流出；而当刮板508转动时，小孔内粉末团簇被破坏，粉末从筛板507上的筛孔中均匀流出，对于筛板507的结构具体如图3所示。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种冷喷涂用自重式送粉系统，具体如图2所示，包括气体加热装置1、外套管503、以及上述送粉装置5；气体加热装置1通过连接管路2与外套管503接通，外套管503位于粉仓501底部，与粉仓501和压力平衡管502相通，且与粉仓501可拆卸连接，外套管503的下部固接有喷管接口511，外套管503内设有粉末收集管512，粉末收集管512上端位于粉仓501底部出口正下方，下端与外套管503底部侧壁密封固接。

在这里需要说明的是，送粉装置采用耐高压材料制成，能满足高压冷喷涂压力要求，而粉仓501的耐压强度应大于3Mpa，这时因为，冷喷涂中进入喷管的气体压力较高(1.5～3.0MPa)，而要将粉末注入到粉末收集管512内，粉仓501内最小压力应与粉末收集管512进口处压力相等。需要进一步说明的是，粉仓501和外套管503可以以法兰的形式密封连接。

上述送粉系统主要利用机械能及粉末自身重力进行送粉，采用上述冷喷涂用自重式送粉系统送粉方法为：在压力平衡管502的作用下粉仓501内的压力与粉仓501出口下方的粉末收集管512压力的始终处于平衡状态。转动轴506静止时，由于粉末的团簇作用，粉末不会从筛板507的圆孔中流出；喷涂作业开始时，先将高压气源阀门打开，向气体加热装置1通入高压气流，同时保持加热器处于关闭状态，未加热高压气流通过连接管路2进入外套管503内，由于外套管503与压力平衡管502相通，使粉仓501内气体压力和外套管503内压力保持平衡；当粉仓501内压力稳定后，启动气体加热装置1对气体进行加热，同时，启动控制电机505，刮板508的转动会破坏粉末的团簇，使得粉末从筛板507的筛孔中均匀流出，由于送粉装置与气体加热装置1压力保持平衡，热气流不会进入送粉装置内，而是从外套管503中流入到粉末收集管512内进行加速，粉末粒子在机械能和自身重力作用从送粉装置内落下经内套管落入到主气流中，并由主气流携带进入粉末收集管512中，被加速到高速状态撞击基板形成涂层。由于粉末输送完全不依靠送粉气流(即ΔP＝0，ΔT＝0)，进入粉末收集管512的气流仅为经过预热的主气流，从而可彻底消除送粉气流对粉末沉积的不利影响。

需要说明的是，上述外套管503上安装有用于检测外套管503内压力的压力表，和用于检测外套管503内温度的热电偶，用于准确检测外套管503内的压力和温度。上述压力平衡管502用于平衡储粉仓501和外套管503内气体压力，由于压力平衡管502内径较大，约为2-3cm，当外套管503气体压力存在波动时，仍然可在极短的时间内维持储粉仓501和气体加热装置1内气体压力平衡。

需要进一步说明的是，上述送粉装置5采用不锈钢材质制成，具有足够的耐压能力，而且不易被腐蚀，可防止送粉装置因腐蚀或承压能力不足而引起的不安全性。另外，保证了粉仓501内部的光洁和纯净度，减少粉仓501内部的积粉。此外，各零件之间采用螺纹紧密连接，不仅防止了气体和粉末的外泄，而且结构简单，易于安装和拆卸，可方便地更换喷涂粉末，且粉仓501有足够的储粉能力，可长时间连续地输送粉末。

在这里，为了获得高质量的涂层，送粉器必须能稳定、均匀、连续地输送粉末，送粉装置的动力装置由第一控制电机505提供，也就是步进电机提供，通过调节步进电机的脉冲频率来控制送粉装置5的送粉量，步进电机控制转动轴506旋转，进而带动刮板508转动。步进电机是一种将电脉冲信号转换成对应的线位移或角位移的电磁机械装置，具有快速启动和停止的特点。当负荷不超过其所提供的动态转矩值时，它能在瞬间启动和停止。步进电机的转速可通过调节脉冲频率进行控制，其关系如下：

步进电机转速(r/min)＝(步距角/360)*脉冲频率(Hz)*60

由上式可知，电机输入脉冲与刮板转速成正比关系。理论上筛板507上筛孔总面积一定的情况下，送粉速率与刮板508转速也成正比关系，因此可直接通过调节步进电机脉冲频率来控制送粉装置的送粉量。

下面就以标定粒径为600目的铜粉为例，采用上述送粉系统进行冷喷涂实验。测试过程中，对于给定步进电机脉冲频率，选取20s、40s、60s、80s及100s5个送粉时间段进行测试，对5次测量所得的送粉率取平均，得到这该脉冲频率下的送粉率。图4是送粉速率随脉冲频率的变化情况，从图中可看出送粉速率与步进电机脉冲输入频率基本呈线性关系，符合预期目标。图5是不同脉冲频率下各个测试时间段的送粉速率，并且测试过程中，送粉装置连续工作超过一个小时。从图中可看出，在连续送粉工作情况下，不同脉冲频率下送粉器在各个测试时间断的送粉量十分稳定，这说明送粉率基本不随粉仓501内铜粉末的重量变化而变化，所设计的送粉装置及系统能保证长时间均匀稳定的输送粉末。

在这里需要进一步说明的是，我们仅仅以铜粉为例进行了示例说明，当然也可以选用其它粉末，值得注意的是，在其它条件一致的情况下，选择不同的测试粉末材料，使用同一脉冲频率的送粉速率也会不同。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种冷喷涂用自重式送粉装置，其特征在于，包括粉仓(501)和压力平衡管(502)，压力平衡管(502)连通所述粉仓(501)侧壁的上端和下端，且所述粉仓(501)侧壁上方倾斜设置有进粉口(504)；

所述粉仓(501)底部为锥形，所述粉仓(501)顶部安装有控制电机(505)，所述控制电机(505)的输出轴与转动轴(506)连接，所述转动轴(506)由粉仓(501)顶部插入所述粉仓(501)内中部，所述粉仓(501)底部出口处安装有筛板(507)，筛板(507)上方设置有刮板(508)，所述刮板(508)与所述转动轴(506)下端连接，所述刮板(508)通过转动轴(506)与控制电机(505)传动连接，所述控制电机(505)用于控制转动轴(506)旋转；

所述控制电机(505)的输出轴上还设置有连接块(509)，所述连接块(509)与两根搅拌棒(510)连接，两根所述搅拌棒(510)位于所述转动轴(506)两侧，所述控制电机(505)通过所述连接块(509)控制两根所述搅拌棒(510)相对于转动轴(506)作圆周运动；

所述压力平衡管(502)的下端连接于粉仓(501)侧壁上，且位于所述筛板(507)的下方。

2.根据权利要求1所述的冷喷涂用自重式送粉装置，其特征在于，所述筛板(507)上均匀开设有筛孔，所述筛孔的孔径为1mm。

3.根据权利要求1所述的冷喷涂用自重式送粉装置，其特征在于，所述粉仓(501)由不锈钢材料制成，耐压强度大于3Mpa。

4.一种冷喷涂用自重式送粉系统，其特征在于，包括气体加热装置(1)、外套管(503)、以及权利要求1～3任一项所述的送粉装置(5)；

所述气体加热装置(1)通过连接管路(2)与外套管(503)接通，所述外套管(503)位于所述粉仓(501)底部，且与所述粉仓(501)相通，所述外套管(503)的下部为喷管接口(511)，所述外套管(503)内设有粉末收集管(512)，所述粉末收集管(512)上端位于所述粉仓(501)底部出口正下方，下端与外套管(503)底部内侧壁密封固接。

5.根据权利要求4所述的冷喷涂用自重式送粉系统，其特征在于，所述粉仓(501)与所述外套管(503)通过螺纹紧密连接。

6.根据权利要求4所述的冷喷涂用自重式送粉系统，其特征在于，所述外套管(503)上安装有用于检测外套管(503)内压力的压力表，和用于检测外套管(503)内温度的热电偶。

7.一种冷喷涂用自重式送粉方法，其特征在于，采用权利要求4所述的冷喷涂用自重式送粉系统，通过如下步骤实施：

S1：向气体加热装置(1)通入高压气流，同时保持加热器处于关闭状态，未加热高压气流通过连接管路(2)进入外套管(503)内，由于外套管(503)与压力平衡管(502)相通，使粉仓(501)内气体压力和外套管(503)内压力保持平衡；

S2：当粉仓内压力稳定后，启动气体加热装置(1)对气体进行加热，由于送粉装置与气体加热装置(1)压力保持平衡，热气流不会进入送粉装置内，而是从外套管(503)中流入到粉末收集管(512)内进行加速，粉末粒子在机械能和自身重力作用从送粉装置内落下经内套管落入到主气流中，并由主气流携带进入粉末收集管(512)中，被加速到高速状态撞击基板形成涂层。

8.根据权利要求7所述的冷喷涂用自重式送粉方法，其特征在于，所述控制电机(505)为步进电机，所述送粉装置的动力装置由所述步进电机提供，通过调节步进电机的脉冲频率来控制送粉装置的送粉量，步进电机控制转动轴(506)旋转，进而带动刮板(508)转动；冷喷涂作业时，刮板(508)的转动破坏粉末的团簇，使待喷涂粉末从筛板(507)的筛孔中均匀流出，并依靠自身沉降落入到粉末收集管(512)内。

9.根据权利要求8所述的冷喷涂用自重式送粉方法，其特征在于，步进电机的转速通过调节脉冲频率进行控制，其关系如下：

步进电机转速(r/min)＝(步距角/360)*脉冲频率(Hz)*60。