CN109843422A - 用于低压冷喷涂的带有微型反应器和盒的料斗 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反应性料斗组件，其进料给用于施加粉末涂料的低压冷喷涂施加装置。粉末进料盒将粉末进料提供至反应室。叶轮壳体与所述反应室相互连接，用于从所述反应室接收粉末进料，用于计量从所述反应室所接收的粉末进料。料斗容器从所述叶轮壳体接收经计量的粉末进料，用于将粉末提供至所述低压冷喷涂施加装置。所述反应室流体地连接至反应气体源，用于化学改性所述粉末进料，用于原位减少所述粉末进料的表面氧化。

Description

用于低压冷喷涂的带有微型反应器和盒的料斗
现有申请
本申请要求于2016年9月7日提交的美国临时专利申请第62/384,353号的优先权，所述美国临时专利申请的内容被通过引用包含于本文中。
技术领域
本发明总体涉及一种与微型反应器组合的紧凑型料斗，该紧凑型料斗适用于采用增加的沉积速率原位处理在低压冷喷涂工艺中使用的粉末。
背景技术
通过低压冷喷涂(LPCS:low pressure cold spraying)工艺例如在铝、钢以及其它合金部件上沉积颗粒迄今为止只能通过沉积铝、铜以及镍颗粒(其具有在大约45-50μm之间的尺寸范围并且提供低粘附强度以及大约12-15％的沉积效率)来实现。颗粒表面上的氧化物层的存在使得难以利用LPCS工艺形成高粘附性颗粒涂层，同时氧化物层厚度的减小允许沉积具有更高的粘附性以及显着地改进的涂层/基材界面结构的涂层[R.Gr.Maev，V.Leshchynsky，Cold Gas Dynamic Spray(冷气体动态喷涂)，CRC Press，2016，340p]。
为了通过LPCS以高沉积效率获得高粘附性涂层，氧化物层必须被最大程度地改变、减少或从颗粒表面去除。存在一些用于减少氧化物膜的可行方法，包括颗粒的机械分解、反应/等离子体工艺或热处理。例如，对于根据[A.Kimura等人，Reduction mechanismof surface oxide in aluminum alloy powders containing magnesium studied by x-ray photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation(使用同步辐射通过X射线光电子能谱研究含有镁的铝合金粉末中的表面氧化物的还原机理)，Appl.Phys.Lett.70/26，(1997)3615-3619]的铝粉末，氧化物层的去除需要：(a)在反应区域中存在少量的Mg(质量百分比超过0.01％)以及(b)高于773°K的活化温度。考虑到大多数铝合金粉末(例如，Al 6022粉末)含有0.45-0.70％(质量百分比)的Mg，这样的粉末适合于通过热处理去除氧化物层。
然而，氧化物层从铝基合金粉末的简单的去除可能不够，因为在暴露至环境的金属Al6022粉末上将再次形成天然氧化铝涂层。为了防止再氧化，可使用Al合金粉末的直接原位氮化来破坏Al氧化物膜以及在颗粒表面上形成非常薄的AlN岛[T.B.Sercombe和G.B.Schaffer，On the role of tin in the nitridation of aluminum powder(关于锡在铝粉末的氮化中的作用)，Scr.Mater.55，(2006)323-328]。
虽然美国专利第4,808,042号已经公开了料斗-微型反应器(其由粉末盒保持件以及打开系统、具有混合装置和粉末阀的反应容器以及粉末进料计量盘单元组成)的示意图，但是没有人能够证明此种料斗-微型反应器能够可行地适用于为了消除氧化膜问题的目的的LPCS应用。因此，开发一种能够解决与现有技术的组件相关联的问题同时仍以经济的方式传递粉末进料的进给组件将是可取的。
发明内容
本申请公开了一种用于进给用于施加粉末涂料的低压冷喷涂施加装置的反应性料斗组件。粉末进料盒将粉末进料提供至反应室。叶轮壳体与所述反应室相互连接，用于从所述反应室接收粉末进料，用于计量从所述反应室所接收的粉末进料。料斗容器从所述叶轮壳体接收经计量的粉末进料，以用于将粉末提供至所述低压冷喷涂施加装置。所述反应室流体地连接至反应气体源，用于化学改性所述粉末进料，以用于原位减少所述粉末进料的表面氧化。
如上所述，用于低压冷喷涂工艺的粉末进给的紧凑型料斗-微型反应器或反应性料斗组件包含粉末盒以及具有混合装置和阀的反应室。粉末计量盘装置以及粉末流稳定振动装置实现稳定的粉末进给速率。为了解决氧化层和再氧化层的形成问题，已经提出在反应室中提供对粉末的原位处理，其允许在颗粒沉积之前在氮气或等效气体流中在各种温度下通过化学反应改性颗粒表面结构。如上所述，反应室装有与反应性流出物初步混合并在氮气氛中放置于盒中的粉末。
根据本发明，经处理的粉末颗粒覆盖有改性的氧化物层或氮化物层。覆盖层引起颗粒撞击期间的表面膜损坏的减少甚至消除，并导致新表面以及颗粒之间的冶金结合的产生。
附图说明
在结合附图考虑时将更容易理解本发明的其它优点，这是因为在结合附图考虑时，通过参考以下具体描述将更好地理解本发明的其它优点，其中：
图1示出本发明的组件的横截面视图；
图2示出粉末流稳定振动装置的、通过图1的截面A-A的横截面视图；
图3示出粉末流稳定振动装置的、通过图2的截面BB的横截面；以及
图4示出本发明的盒的横截面视图。
解决的问题
本发明所解决的第一个问题是提供一种用于在沉积之前原位处理粉末的料斗-微型反应器组件。
本发明所解决的第二个问题是提供一种用于低压冷喷涂工艺的、具有减少的表面氧化物层的粉末，这使得可以获得具有高粘附强度和沉积效率的涂层。
本发明的设计允许紧凑型料斗-微型反应器与冷喷涂枪集成。
具体实施方式
图1描绘根据本发明的总体由附图标记100表示的粉末进料组件的横截面视图。粉末进料组件100包含安装于粉末计量装置的顶部114上的上部料斗组件111，其与安装于基础壳体119上的粉末计量装置的主底盘117连接。具有振动筛123的粉末流稳定装置122安装于基础壳体119中。
上部料斗组件111包含中空的、大致圆柱形的、竖直地设置的粉末盒101，该粉末盒用于盛装要被进给至微型反应器104的一定量的粉末。粉末盒101通过螺纹接合安装于微型反应器104的上部盒窗口103上。借助于螺钉125安装于上部盒窗口103上的刀124在盒101转动期间切割纸盖102。微型反应器104组件包含位于微型反应器104内部的搅拌器105，用于在氮气源106以及加热线圈107所提供的加热过的氮气氛中混合、搅拌以及热处理微型反应器104内的粉末。经处理的粉末经由阀108通过粉末软管126通过具有振动器110的框架109选择性地离开微型反应器104，所述振动器打开和关闭阀108。
经处理的粉末被引导至叶轮室127中至搅动主轴组件128，其包含主轴112以及搅动元件113。搅动元件113安装于主轴112的上端处。搅动元件113的枢转用来在粉末被接收至叶轮室127中时搅拌以及破碎粉末。
粉末进料叶轮116包含外周边，该外周边包含限定多个槽口130的多个齿129。粉末计量装置壳体114的下端具有内部插入件115，其接触叶轮116的顶部表面。当粉末进料叶轮116借助于主驱动轴121的旋转而旋转时，粉末进料叶轮的齿中的每一个在内部插入件115下方运动并且运动至位于主底盘117中的空腔的区域中。主底盘117中的空腔125从主底盘117的上表面延伸通过主底盘117的底部并延伸至基础壳体119中。
如图1中所示，底盘117中的空腔125在它的横截面区域中与用于接收粉末材料的叶轮槽口130成锥形。因此，这样搅拌以及解积聚的粉末落至粉末进料叶轮116上，在那里它落至齿129之间的槽口130中。插入件115通过从粉末进料叶轮116刮除多余的粉末而控制能够通过槽口130进入空腔125中的粉末的量。当粉末进料叶轮116旋转时，它的在内部插入件115下方的齿129以及槽口130从槽口130刮除多余的粉末。因此，允许受控制的量的粉末在每个槽口130内保持至大约等于粉末进料叶轮116的厚度的高度。该受控制的量的粉末通过主底盘117所限定的空腔125落下。因此，粉末进料叶轮116的作用通过主底盘117中的空腔125分配受控制的量的粉末，其中这样的受控制的量的供应速率由主驱动轴121以及使粉末进料叶轮116旋转的电动马达120的旋转速度确定。
用粉末计量装置通过所述主底盘进给受控制的量的粉末可能由于它的小的颗粒大小(介于大约15-50μm之间)而导致粉末聚集。聚集可能抑制通过粉末供应通道212(图2)朝向低压冷喷涂枪(未示出)的均匀的粉末流。如图1中所示，粉末流稳定振动装置122安装于基础壳体119中并且包含金属丝网123。
在图2(其描绘图1的横截面A-A)和图3(其描绘图2的横截面B-B)中示出粉末流稳定振动装置122的更详细的视图。粉末流稳定振动装置122包含安装于基础壳体201内的料斗容器202。主网筛203安装于振动板204上，该振动板穿过料斗容器202并且从振动单元205接收振动运动。振动单元205由安装于工作台208上的气动振动器206驱动，所述工作台与基础壳体201连接。
与主网筛203一样，第二网筛209连接至料斗容器202的相对侧。因此，主网筛203和第二网筛209以相同的频率振动。料斗容器202限定孔211，当低压冷喷涂枪被激活时，空气由于粉末通道212中的负压力而被抽吸通过孔211。孔211防止负压力经由叶轮室127转移至反应室104中。在通过主网筛203、第二网筛209之后，粉末被空气流以已知的方式通过粉末通道212朝向喷涂枪抽吸。
受控制的量的粉末落在主网筛203上并且粉末积聚物由于筛振动而破裂。通过主网筛203的一些小积聚物随后通过第二筛209解积聚。安装用于排出未通过主网筛203的颗粒积聚物的粉末座圈213以及碗状物214。未通过主网筛203的颗粒积聚物通过粉末座圈213朝向碗状物214进给。
图4描绘粉末盒300的横截面视图。粉末盒300包含盒罐301，一定量的粉末材料由纸或等效的盖301气密地密封于所述盒罐301中。如上所述，在氮气或等效气体环境中密封盒300，用于减少设置于盒300内的颗粒的表面上的氧化。盒杯303接收盒罐301的端部，该端部通过螺纹或等效的接合气密地密封。O型环密封件304围绕盒杯303，用于密封盒杯303，以及因此密封盒罐301(在螺纹接合至盒式料斗窗口界面时)。
如上所述，盒杯303通过螺纹接合安装于上部盒窗口103上。在安装期间，刀124切割纸盖301，从而破坏气密密封并允许粉末被释放至微型反应室104中，以进行混合、搅拌以及热处理。在释放时，经加热的氮气或等效气体通过氮源106引入至室104。因为室104是密封的，所以粉末材料很少有机会氧化。
已经以示例说明性方式描述了本发明，并且应当理解的是，已经使用的术语具有描述性的而不是限制性的词语的性质。显然地，鉴于上述教导，本发明的许多修改和变形是可能的。因此，应当理解的是，在说明书内，附图标记仅仅是为了方便，并且不以任何方式进行限制，并且本发明可以以除具体描述的方式之外的方式实践。因此，可以以除在预期的权利要求的范围内具体地描述的方式之外的方式实践本发明。

Claims (12)

1.一种反应性料斗组件，该反应性料斗组件用于进料给施加粉末涂料的低压冷喷涂施加装置，所述反应性料斗组件包括：
用于提供粉末进料的粉末进料盒；
用于从所述粉末进料盒接收粉末进料的反应室；
叶轮壳体，该叶轮壳体与所述反应室相互连接，用于从所述反应室接收粉末进料，并用于计量从所述反应室所接收的粉末进料；
料斗容器，该料斗容器从所述叶轮壳体接收经计量的粉末进料，并用于将粉末提供至所述低压冷喷涂施加装置；以及
所述反应室流体地连接至反应气体源，用于化学改性所述粉末进料，从而原位减少所述粉末进料的表面氧化。
2.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述反应室借助于所述反应气体源而包含富氮环境。
3.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述反应气体源包含用于加热反应气体的加热线圈。
4.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述粉末进料盒包含用于密封所述粉末进料盒的盖，并且所述反应室包含刀，该刀用于在使所述粉末进料盒与所述反应室配合时刺破所述盖，从而将所述粉末进料释放至所述反应室中。
5.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述反应室包含用于使从所述粉末进料盒所接收的粉末与从所述反应气体源所接收的反应气体混合的搅拌器。
6.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述叶轮壳体包含用于搅动从所述反应室所接收的粉末进料的搅动元件。
7.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述叶轮壳体包含用于计量从所述叶轮壳体传递至所述料斗容器的粉末进料的粉末进料叶轮。
8.根据权利要求7所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述粉末进料叶轮包含径向向外的齿，所述齿在其间限定用于收集传递至所述料斗容器的粉末进料的槽口。
9.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述反应室包含用于选择性地将粉末进料从所述反应室释放至所述叶轮壳体的反应阀。
10.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，所述反应室通过反应气体而流体化并且所述反应气体包括氮气。
11.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，设置在叶轮室中的搅动元件包含分配锥，所述分配锥与所述搅动元件同轴，用于分配设置于所述叶轮室内的粉末进料。
12.根据权利要求1所述的反应性料斗组件，其特征在于，用氮气、氩气或等效气体中的至少一种密封地封闭设置于所述粉末进料盒中的粉末。
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